基于視覺的機械臂目標抓取研究

吳遠重

摘 要 現有的工業機器人通常根據設定好的位置進行工作，一旦位置發生變化便無法繼續工作，必須對其重新進行編程設定。為了滿足快速發展的市場需求，一種結合視覺傳感器的工業機器人應運而生，該機器人通過視覺傳感器獲得被加工零件圖像，對圖像數據處理后獲得零件的相關信息并進行工作，從而可大大降低更改生產流程所造成的損失。鑒于此，本文就基于視覺的機械臂目標抓取展開探討，以期為相關工作起到參考作用。

關鍵詞 工業機器人；視覺；目標抓取；機械臂

1 雙目視覺標定原理與手眼標定

雙目視覺的研究主要是模擬人眼的視覺原理，利用三角法對目標定位，獲取深度信息進行三維重建等。相機是雙目視覺獲取外界信息最基本的設備，目標定位需要通過相機采集的圖像信息識別出目標物體并確定實際位置，即在世界坐標系下的坐標。而通過圖像信息求解目標位置的過程中，需要知道相機的內?外參數。相機的內參數是指鏡頭的焦距?畸變參數，CCD芯片的中心位置等；相機的外參數是指靶標相對于相機的位置和方向，其中，在雙目視覺中不僅要確定左右相機的內外參數，還必須確定兩個相機之間的位置和方向關系[1]。

2 目標識別與圖像處理

2.1 圖像濾波

圖像濾波的目的是消除或者抑制圖像中的噪聲，減小噪聲對后續圖像處理的影響。噪聲的產生有很多種，可能由于圖像在傳輸過程中，信號干擾造成，也可能由于相機自身的原因造成，或者拍攝過程中有抖動等等。圖像濾波最常見的有，均值濾波，中值濾波，高斯濾波。

2.2 邊緣提取

為了對目標進行識別，要對濾波后的圖像進行邊緣提取，為之后的特征提取做準備，邊緣提取是數字圖像處理和機器視覺中的基本問題。對圖像進行邊緣提取的好處是，可以使用邊緣特征來代表整個圖像，這樣做可以極大地減少內存中的數據量，并且去除了圖像中認為和本次應用無關的一些其他特征，只保留對本次應用有用的圖像的本質結構特征。邊緣屬于圖像的高頻信息，是灰度值發生跳變的位置。圖像可以看作是關于像素坐標（（x，y）的二元函數，數字圖像是二元離散函數。

2.3 輪廓提取

邊緣檢測只是將邊緣信息提取出來，但是并沒有把構成邊緣的像素點組成一個整體，也就是構成一個集合。為了方便之后的橢圓擬合，提高效率，在進行擬合之前，先將采集到的邊緣，都連接起來，構成一個個的集合，這樣在進行橢圓擬合等操作時，就可以針對每一個集合單獨進行，減小了其他集合對擬合效果的干擾。輪廓一般是圖像中一系列的點構成的，可以是構成邊緣的一組點，也可以圖像中某些特征，如一條曲線。輪廓可以是封閉的，也可以是斷開的，封閉的輪廓是某個區域的邊緣，斷開的輪廓可能是圖像中的某些特征，如手寫字符，手寫文字的線條等。

2.4 特征的提取

某一類對象區別于其他類對象的相應特點稱為特征，在機器視覺中，每一幅圖像都有其獨有的特征，如顏色?邊緣?紋理和亮度等，利用這些特征可以表示一個特定的圖像信息。圖像特征一般是描述物體的形狀特征和描述物體表面顏色或者灰度變化的紋理特征，實驗中主要針對物體的形狀特征和顏色特征進行識別提取[2]。

3 機械臂目標定位與抓取實驗系統

3.1 ABB機械臂

實驗中使用的機械臂是ABB公司生產的IRB1600-X/1.2。目前中國所使用的機械臂主要都是來自進口，這些機械臂在中國基本由ABB，KUKA，FANUC，YASKAWA四家公司所獨占。ABB公司除了提供工業機械臂之外，還生產控制柜，提供機械臂軟件，例如仿真軟件Robot Studio，在該軟件里面可以對各種ABB的機械臂進行建模?仿真，還可以模擬流水線系統。

IRB1600-X/1.2相比于其他的機械臂動作更加敏捷，功率強勁，主要用于弧焊、物料搬運、機械管理、包裝等應用領域。該機械臂安裝形式靈活，使用于各種環境場合，可采用壁掛式、支架式、倒置或者傾斜式安裝，甚至可以安裝在設備內部。在功耗方面，由于使用了低摩擦齒輪，True Move和Quick Move避免了不必要的動作，因此IRB1600-X/1.2機械臂相比于其他型號功耗更低。IRB1600-X/1.2機械臂的最大負載為6kg，工作范圍最遠到達距離為：1.2m，運動精度達到±0.05～±0.2mmoIRB1600-X/1.2機械臂是六軸機械臂，各個關節軸的位置如圖5-1所示，并且每個轉軸都帶有一個西門子公司生產的交流伺服電機。

3.2 機械臂控制柜

實驗中使用的ABB控制柜是IRCS控制柜，它是ABB第五代機械臂控制柜。它的True Move?運動控制技術和Quick Move是速度?精度?周期時間?可編程性以及和外部設備同步性等機械臂性能指標的重要保證[3]。IRCS體積小，但是有出色的路徑控制能力?人性化的示教器編程軟件?簡潔靈活的RAPID語言?強大的通信能力。并且設置了單相電源輸入?外置式信號接頭以及內置式可擴展16路I/O系統，簡化了調試步驟，通過TCP/IP通信協議還支持Robot Studio離線編程，可以在線監視運行狀態。機械臂的控制柜設計有多個外部接口，方便了與外部設備的通信，適用于工業環境。帶有多個總線接口，如CAN總線，PROFIBUS總線。實驗中上位機和機械臂的通信就是通過控制柜的以太網接口，利用TCP/IP協議進行數據傳輸。控制柜還有多個v0端口，外部信號可以通過v0端口發送給機械臂。傳送帶裝置的PLC控制器可以和機械臂的控制柜通過vo端口連接在一起，進行簡單的傳送帶運動與停止的控制。

3.3 雙目視覺系統

和人眼觀察物體的原理類似，如果要確定物體的在世界中的位置和姿態，就需要使用兩個相機，就和人的兩個眼睛一樣。可以通過主動三角法求出在兩個相機視野范圍相交叉部分的物體的位置，但是最終定位的精度和所選用的硬件有關，硬件選擇的好壞直接影響到整個系統的精度。恰當的硬件配置可以提高運算速度?坐標精度?提高系統的穩定性。雙目視覺系統由兩個相機和定焦鏡頭安裝在自制的架子上組成[4]。

4 結束語

由于機械臂是一種復雜的機械運動裝置，在工業現場長期運行的過程中會受到溫度和濕度變化等等一些無法避免的影響，這都會對機械臂的定位精度和運行軌跡的精度造成影響，從而導致檢測識別和抓取的誤差，所以對于如何進行機械臂的標定需要進一步的研究。

參考文獻

[1] 唐政.基于視覺的機械臂設計與實現[D].大連：大連理工大學，2017.

[2] 馬璧.基于視覺伺服的機械臂系統及控制方法研究[D].徐州：中國礦業大學，2017.

[3] 陳琨.基于機器視覺的在線PE瓶檢測與分揀系統設計與實現[D].杭州：浙江工業大學，2016.

[4] 夏菠.基于雙目視覺的動態目標定位與抓取研究[D].成都：西南科技大學，2016.