工業機器人視覺引導關鍵技術研究

丁然 胡穎雁

摘 要：工業機器人專業性強，被廣泛應用于工業領域。得益于機器視覺技術的快速發展，機器人控制引導技術功能也日趨完善。但是，其研究過程復雜，涉及的專業技術內容較多，對研究人員提出了極高的要求。本文主要論述工業機器人視覺引導系統構成及標定，并以此為載體對目標物體進行識別及定位跟蹤，以期達到良好的系統應用效果。

關鍵詞：工業機器人；視覺引導；關鍵技術

中圖分類號：TP242.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）20-0014-02

Research on Key Technologies of Vision Guidance for Industrial Robots

DING Ran HU Yingyan

（Chizhou Vocational and Technical College，Chizhou Anhui 247000）

Abstract： Industrial robots are highly professional and are widely used in industrial fields. Thanks to the rapid development of machine vision technology， the function of robot control and guidance technology is becoming more and more perfect. However， its research process is complex and involves many professional and technical contents. This paper mainly discussed the structure and calibration of the visual guidance system for industrial robots， and used this as the carrier to identify and track the target objects， in order to achieve a good system application effect.

Keywords： industrial robot；visual guide；the key technology

高智能工業機器人標志著我國裝備制造業的發展。近年來，工業機器人的應用范圍不斷擴大，凸顯了視覺引導技術的價值及重要性。在研究工業機器人的過程中，涵蓋的專業要點和技術要素較多，既有人工智能，又有圖像處理，還涉及模式識別等。這一過程中依托對目標的非接觸測量，確保目標物體實時狀態信息已知，使其更好地服務于工業機器人生產研究。

1 工業機器人視覺引導系統構成

工業機器人視覺引導系統內部結構復雜。將非接觸傳感方式應用到該系統中，能為機器人提供指導，使其依據具體工作要求，定位零件，并進行實時跟蹤等。具體而言，2D、2.5D、3D工業機器人視覺引導系統較為常用。

2D視覺引導系統依托攝像機等，采集工件幾何模型信息，明確特征位置坐標信息，繼而識別和定位工件的平面位置。其中，特征點選取直接關乎2D視覺引導系統是否精確；2.5D視覺引導系統除擁有2D系統的常規功能外，還能識別目標物體高度及其在各個方位的移動情況，其原理幾乎與2D視覺引導系統相同；3D視覺引導系統以攝像機等相關數據采集工具為載體，采集空間物體各自由度信息，實施過程專業性強，而且復雜。以往，該系統需要配備雙攝像機，從多個角度定位空間物體，高性能視覺引導系統僅借助單臺攝像機便能定位目標物體空間位置，準確度高，而且非常簡便[1]。

2 工業機器人視覺引導系統標定

2.1 標定攝像機

攝像機標定過程中需要考量的專業內容和要素比較多。該過程中多參考尺寸精準的已知空間物體，并建構其與成像之間的關系。在具體操作過程中，被選定的標定參考物即靶標。標定攝像機時，將圓形或棋格陣列設置在靶標上，作特征信息之用[2]。

2.2 手眼標定方法

在機器人末端執行機構上安裝攝像機裝備，即手眼系統，其位置會隨著機器人開展工作而發生改變。因為攝像機始終與機器人一起運動，故其與機器人之間并無穩定的坐標關系。在該背景下，無論是攝像機還是末端執行機構，均不會發生變化。通過對機器人執行機構中攝像機所處位置進行標定，在標定結果和執行機構位置姿態信息已知的情況下，對各坐標系之間的相互轉化關系具備清晰的認識和了解[3]。

2.3 依托空間向量標定機器人和靶標位置

在實際操作過程中，往往通過間接方式獲取機器人與攝像機之間的坐標關系。具體實施方法是：分別依托靶標坐標系和機器人坐標系、攝像機坐標系之間的關系，對二者之間的關系進行間接建構。

靶標坐標系和兩個坐標系的空間變換矩陣分別是依托靶標上的已知特征點信息和空間幾何信息建立的。在該環境下，需要對靶標坐標系和機器人坐標系之間的變換方程進行計算。將尖狀工具安裝在機器人末端，移動機器人末端坐標系，使其到達該工具的尖點，建構TCP工具坐標系；設置靶標坐標系時，靶標的坐標系原點為某圓心位置，橫、縱及與靶標板面垂直的方向分別為X、Y、Z方向；以機器人TCP工具坐標系為載體，對靶標各特征點進行逐一觸碰，采用空間幾何變換原理，計算兩個坐標系的變換矩陣。

2.4 以P3P空間點位置為基礎求解

PnP這一概念大約是在20世紀80年代初期被提出來的，具體指的是空間n個特征點相對空間位置關系及其與射影中心角度已知的情況下，通過專業計算，對射影中心點與空間特征點之間的距離進行求解。這一概念經常被應用到目標物體位置求解過程中。將多個位置關系已知的點，在目標物體上進行定義，并選定這些點的坐標，使其為特征信息。在該過程中，攝像機的作用是采集上述點的特征信息，從而計算特征點位置坐標。

同理，P3P方法則是依托攝像機，采集空間中3個已知點的相對位置信息，然后采用專業方法，對不同坐標系中這3個空間點位置坐標進行計算。二者之間的變換關系主要是在攝像機和工件坐標系中特征點位置坐標已知的情況下，依托空間幾何知識求解得出的。

3 識別和定位跟蹤目標物體

3.1 Hough變換檢測直線

Hough變換的原理是依托直角坐標系與極坐標系之間的變換關系，改變直角坐標系中的直線狀態，使其在極坐標系中以一個點的形式存在。通過該種方式，簡化專業問題，以免操作過程過于復雜。具體變換流程如下：借助專業方法，設置累加器數組，更改圖像空間各像素點坐標值，使其以極坐標的狀態存在，累加相同的極坐標值；科學提取累加器內的峰值點，提取出的峰值點與原始圖像內的共線點對應；借助幾何關系，對與共線點坐標相對應的直線方程進行求解，從而將直線的檢測功能及特性發揮到最大。

3.2 Hough鏈碼法

該方法的基本原理是依托Hough對目標物體的邊緣直線進行變換測量，實施直線方程構建，并以該直線方程為依據和背景，對各直線之間的交點進行準確計算，繼而判斷不同直線之間的交點，了解其與目標物體之間的形狀關系。依托專業計算方法，得出Hough鏈碼，通過匹配，在這一鏈碼和數據庫中的模板鏈碼之間進行關系建構，充分發揮工件的辨識特性。

3.3 定位跟蹤目標物體

采用攝像機完成目標物體圖像信息采集工作后，以平滑、二值化等多種方式對圖像進行處理，依托圖像的幾何不變矩特征，對區域質心進行求解。在該背景下，跟蹤運動目標是一項非常重要的工作，其中，關鍵內容及操作是對目標的圖像特征進行描述。與此同時，具體實踐過程中，考慮到光照及其他外部因素，需要對單類或多類特征進行找尋，完整表述相關目標。在該工作狀態下，無論是輪廓、區域形狀、邊緣及外形特征，還是灰度共生矩陣、各不變矩等統計特征，應用都非常普遍，而且效果非常好。

4 結語

工業機器人視覺引導技術內容較多，專業性強，研究過程復雜。目前，市場上的主流工業機器人多由發達國家生產研究而成，我國在該領域仍存在明顯的科研和技術桎梏。依據工業機器人生產要求，對其視覺引導關鍵技術進行研究，使其在各領域得到推廣，從而最大程度上發揮其功能特性，為工業領域各項生產研究工作的開展奠定良好基礎，推進我國工業快速發展。

參考文獻：

[1]羅華進.工業機器人視覺引導關鍵技術問題研究[J].科學與財富，2016（5）：20-21.

[2]汪汝.視覺引導工業機器人定位抓取系統設計研究[J].數字技術與應用，2017（7）：169.

[3]黨宏社，張超，龐毅.基于視覺引導的工業機器人快速分揀系統研究[J].電子器件，2017（2）：45-46.