機(jī)器視覺技術(shù)及其在機(jī)械制造自動(dòng)化的應(yīng)用

羅金勇

德州艾荷過濾設(shè)備有限公司 山東德州 253500

1 系統(tǒng)概述

過去，由于設(shè)備費(fèi)用和圖像分辨率的限制，機(jī)器視覺技術(shù)并未在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。通過持續(xù)改進(jìn)，該技術(shù)日趨成熟。近年來，隨著PC功能越來越強(qiáng)大，并且CCD系統(tǒng)的分辨率得到提高，機(jī)器視覺系統(tǒng)已在許多應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。攝像機(jī)和光源的選擇放置是創(chuàng)建成功視覺系統(tǒng)的最重要步驟之一。因?yàn)楂@得高質(zhì)量的圖像可以大大簡化視覺算法并提高其可靠性。

系統(tǒng)的動(dòng)力部件主要由軸承、固定中心、皮帶和齒輪組成，并由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。固定中心的作用是在兩端支承凸輪軸。基本視覺系統(tǒng)由CCD攝像機(jī)、圖像處理軟件、圖像處理算法、圖像處理板和計(jì)算機(jī)組成。采用背光技術(shù)，獲得零件外部輪廓清晰的圖像。背光產(chǎn)生即時(shí)的對(duì)比，因?yàn)樗诿髁恋谋尘跋聞?chuàng)建黑暗的輪廓。電機(jī)和CCD攝像機(jī)通過插入計(jì)算機(jī)PC主機(jī)總線的2張卡與計(jì)算機(jī)接口。其中一張卡是連接到直流電機(jī)的接口卡，用來控制凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。另一種接口卡是幀采集卡，其中視覺系統(tǒng)的CCD攝像機(jī)連接到卡上可用的通道[1]。

2 分揀系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)的相關(guān)要求

眾所周知，在實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人的工作過程當(dāng)中，其面對(duì)的諸多工件其實(shí)都是幾何形狀，所以，工業(yè)機(jī)器人的分揀系統(tǒng)要求能夠適應(yīng)幾何形狀的工件，這樣才能提升整體的工作效率。

為了提升智能工業(yè)機(jī)器人的工作效率，相關(guān)的工作人員可以為其提供一定的便利。在實(shí)際的工作過程當(dāng)中，有可能會(huì)發(fā)生一定的機(jī)械臂碰撞現(xiàn)象，所以，相關(guān)的工作人員在工件放置工作當(dāng)中，要盡量將其分散地進(jìn)行放置，這樣能夠有效地減少機(jī)械臂碰撞的現(xiàn)象，在一定的程度上來說，分散放置能夠提升機(jī)械臂的使用壽命。

2.2 實(shí)際的分揀實(shí)現(xiàn)過程概述

在這一研究過程當(dāng)中，可以對(duì)攝像機(jī)平臺(tái)的工作進(jìn)行一定的利用，也就是說，可以利用提取到的圖像序列來將分揀過程的實(shí)現(xiàn)完整地?cái)⑹龀鰜恚?dāng)然在這一過程中，要對(duì)提取到的圖像進(jìn)行特征的分析[2]。

2.2.1 圖像預(yù)處理

進(jìn)行圖像的預(yù)處理有利于分析整個(gè)分揀過程，雖然這一操作過程可能會(huì)干擾圖像的形成，但這一操作還是具有非常重要的作用的。

2.2.2 完成目標(biāo)提取

在這一過程當(dāng)中，Canny算子的應(yīng)用是非常重要的，在對(duì)其進(jìn)行一定的應(yīng)用之后，得到的圖像變化就會(huì)形成諸多參數(shù)數(shù)值，這對(duì)于后續(xù)的研究工作是具有非常大的積極意義的。

2.2.3 單一目標(biāo)的分析

在前文已經(jīng)進(jìn)行了一定的提及，基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)所面臨的工件大多都是幾何形狀，但是如果只將角點(diǎn)的檢測(cè)工作作為重要的依據(jù)的話，這項(xiàng)工作其實(shí)是十分不全面的，因?yàn)闊o法測(cè)出球體這樣一個(gè)幾何工件。為了應(yīng)對(duì)這一問題，需要對(duì)Hough圓檢測(cè)進(jìn)行充分的利用，這樣，在實(shí)際的工作當(dāng)中，智能工業(yè)機(jī)器人分揀系統(tǒng)所面臨的幾何工件的抓取分揀工作的效率就會(huì)比較高，而且工作起來就是比較全面的了。所以，在分揀過程實(shí)現(xiàn)的過程當(dāng)中，要重視對(duì)單一工件類型的分析。

2.2.4 依據(jù)不同的類型進(jìn)行抓取工作

在進(jìn)行實(shí)際的抓取工作之前，相關(guān)的工作人員要進(jìn)行不同程度的試驗(yàn)抓取工作，在這一工作過程中，需要針對(duì)不同的單一工件進(jìn)行抓取工作，將其主要的特征進(jìn)行了解和掌握，其中數(shù)據(jù)值包括中心以及長短軸等等。并且，在后續(xù)的工作過程當(dāng)中，需要經(jīng)過CAN總線將特征信息發(fā)送至RC控制單元，這樣就能夠控制工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行后續(xù)的分揀抓取工作，這一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)過程還是比較重要的。

3 貼標(biāo)功能的應(yīng)用

傳送帶將待貼標(biāo)產(chǎn)品送至視覺檢測(cè)工位；光電傳感器響應(yīng)后，工業(yè)相機(jī)自動(dòng)抓拍，以獲取目標(biāo)物原始圖像；通過以太網(wǎng)將圖像傳至上位機(jī)，上位機(jī)圖像處理模塊對(duì)圖像進(jìn)行處理，并得到相關(guān)控制指令；將控制指令作用于運(yùn)動(dòng)控制模塊，對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行操作；末端執(zhí)行器根據(jù)指示完成打印和貼標(biāo)操作；此時(shí)，工業(yè)相機(jī)再次抓拍，以判斷實(shí)際貼標(biāo)效果，如果出現(xiàn)“標(biāo)簽不清”等情況，則剔除重新進(jìn)行貼標(biāo)，如果合格，則進(jìn)行下一工序。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

貼標(biāo)系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要包括：工業(yè)PC機(jī)、工業(yè)相機(jī)、打印貼標(biāo)機(jī)構(gòu)、視覺檢測(cè)模塊、人機(jī)交互界面、光電傳感器、末端執(zhí)行器、電源、傳送帶等。工業(yè)PC機(jī)是控制核心，用于接收反饋信息、生成控制指令、實(shí)時(shí)結(jié)果顯示等；工業(yè)相機(jī)主要用于圖像信息采集，包括貼標(biāo)位置圖像和貼標(biāo)效果圖像；打印貼標(biāo)機(jī)構(gòu)包括打印機(jī)和貼標(biāo)機(jī)，其中打印機(jī)用于打印標(biāo)簽，貼標(biāo)機(jī)負(fù)責(zé)將標(biāo)簽貼到指定位置；視覺檢測(cè)模塊用于判斷當(dāng)前標(biāo)簽是否滿足工藝要求；光電傳感器用于工位判斷，并控制工業(yè)相機(jī)進(jìn)行抓拍；人機(jī)交互界面用于貼標(biāo)工藝參數(shù)輸入、故障反饋、系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況反饋等；末端執(zhí)行器用于剔除不合格產(chǎn)品[3]。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

所述控制系統(tǒng)軟件基于MFC和OpenCV進(jìn)行開發(fā)，OpenCV是一種開源的計(jì)算機(jī)視覺庫，其包含較多的C函數(shù)以及一些CH類函數(shù)；而且具有一些可用于圖像和視覺處理的通用算法，例如：3D重建、圖像分割、圖像識(shí)別、運(yùn)動(dòng)分析、特征檢測(cè)、特征跟蹤等，是一種比較流行的圖像處理數(shù)據(jù)庫。

通過上述分析可知：視覺檢測(cè)模塊直接決定貼標(biāo)位置是否準(zhǔn)確以及貼標(biāo)效果是否理想，所以文中重點(diǎn)討論視覺檢測(cè)模塊，其主要包括三部分，即圖像預(yù)處理、邊緣檢測(cè)、模板匹配等。

圖像預(yù)處理。原始圖像經(jīng)過灰度化、圖像分割等操作變成二值圖像，然后利用形態(tài)學(xué)濾波去掉二值圖像內(nèi)部的噪聲。

邊緣檢測(cè)。對(duì)包裝盒進(jìn)行邊緣檢測(cè)，得到其輪廓曲線，經(jīng)過計(jì)算獲取貼標(biāo)面的偏轉(zhuǎn)角度、貼標(biāo)中心點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，為貼標(biāo)做準(zhǔn)備。

模板匹配。貼標(biāo)完成后，通過獲取已貼標(biāo)簽圖像與模板進(jìn)行匹配，判斷所貼標(biāo)簽位置是否準(zhǔn)確，標(biāo)簽是否完整，有無折疊、褶皺等情況[4]。

4 結(jié)語

機(jī)器視覺系統(tǒng)同人類視覺系統(tǒng)有著一定相同性，可以及時(shí)獲得信息，在多個(gè)環(huán)境中使用，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，隨著技術(shù)的日臻成熟，可以給人類社會(huì)帶來更大的貢獻(xiàn)。