工业机器人视觉引导关键技术研究

丁然 胡颖雁

摘 要：工业机器人专业性强，被广泛应用于工业领域。得益于机器视觉技术的快速发展，机器人控制引导技术功能也日趋完善。但是，其研究过程复杂，涉及的专业技术内容较多，对研究人员提出了极高的要求。本文主要论述工业机器人视觉引导系统构成及标定，并以此为载体对目标物体进行识别及定位跟踪，以期达到良好的系统应用效果。

关键词：工业机器人；视觉引导；关键技术

中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：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

高智能工業机器人标志着我国装备制造业的发展。近年来，工业机器人的应用范围不断扩大，凸显了视觉引导技术的价值及重要性。在研究工业机器人的过程中，涵盖的专业要点和技术要素较多，既有人工智能，又有图像处理，还涉及模式识别等。这一过程中依托对目标的非接触测量，确保目标物体实时状态信息已知，使其更好地服务于工业机器人生产研究。

1 工业机器人视觉引导系统构成

工业机器人视觉引导系统内部结构复杂。将非接触传感方式应用到该系统中，能为机器人提供指导，使其依据具体工作要求，定位零件，并进行实时跟踪等。具体而言，2D、2.5D、3D工业机器人视觉引导系统较为常用。

2D视觉引导系统依托摄像机等，采集工件几何模型信息，明确特征位置坐标信息，继而识别和定位工件的平面位置。其中，特征点选取直接关乎2D视觉引导系统是否精确；2.5D视觉引导系统除拥有2D系统的常规功能外，还能识别目标物体高度及其在各个方位的移动情况，其原理几乎与2D视觉引导系统相同；3D视觉引导系统以摄像机等相关数据采集工具为载体，采集空间物体各自由度信息，实施过程专业性强，而且复杂。以往，该系统需要配备双摄像机，从多个角度定位空间物体，高性能视觉引导系统仅借助单台摄像机便能定位目标物体空间位置，准确度高，而且非常简便[1]。

2 工业机器人视觉引导系统标定

2.1 标定摄像机

摄像机标定过程中需要考量的专业内容和要素比较多。该过程中多参考尺寸精准的已知空间物体，并建构其与成像之间的关系。在具体操作过程中，被选定的标定参考物即靶标。标定摄像机时，将圆形或棋格阵列设置在靶标上，作特征信息之用[2]。

2.2 手眼标定方法

在机器人末端执行机构上安装摄像机装备，即手眼系统，其位置会随着机器人开展工作而发生改变。因为摄像机始终与机器人一起运动，故其与机器人之间并无稳定的坐标关系。在该背景下，无论是摄像机还是末端执行机构，均不会发生变化。通过对机器人执行机构中摄像机所处位置进行标定，在标定结果和执行机构位置姿态信息已知的情况下，对各坐标系之间的相互转化关系具备清晰的认识和了解[3]。

2.3 依托空间向量标定机器人和靶标位置

在实际操作过程中，往往通过间接方式获取机器人与摄像机之间的坐标关系。具体实施方法是：分别依托靶标坐标系和机器人坐标系、摄像机坐标系之间的关系，对二者之间的关系进行间接建构。

靶标坐标系和两个坐标系的空间变换矩阵分别是依托靶标上的已知特征点信息和空间几何信息建立的。在该环境下，需要对靶标坐标系和机器人坐标系之间的变换方程进行计算。将尖状工具安装在机器人末端，移动机器人末端坐标系，使其到达该工具的尖点，建构TCP工具坐标系；设置靶标坐标系时，靶标的坐标系原点为某圆心位置，横、纵及与靶标板面垂直的方向分别为X、Y、Z方向；以机器人TCP工具坐标系为载体，对靶标各特征点进行逐一触碰，采用空间几何变换原理，计算两个坐标系的变换矩阵。

2.4 以P3P空间点位置为基础求解

PnP这一概念大约是在20世纪80年代初期被提出来的，具体指的是空间n个特征点相对空间位置关系及其与射影中心角度已知的情况下，通过专业计算，对射影中心点与空间特征点之间的距离进行求解。这一概念经常被应用到目标物体位置求解过程中。将多个位置关系已知的点，在目标物体上进行定义，并选定这些点的坐标，使其为特征信息。在该过程中，摄像机的作用是采集上述点的特征信息，从而计算特征点位置坐标。

同理，P3P方法则是依托摄像机，采集空间中3个已知点的相对位置信息，然后采用专业方法，对不同坐标系中这3个空间点位置坐标进行计算。二者之间的变换关系主要是在摄像机和工件坐标系中特征点位置坐标已知的情况下，依托空间几何知识求解得出的。

3 识别和定位跟踪目标物体

3.1 Hough变换检测直线

Hough变换的原理是依托直角坐标系与极坐标系之间的变换关系，改变直角坐标系中的直线状态，使其在极坐标系中以一个点的形式存在。通过该种方式，简化专业问题，以免操作过程过于复杂。具体变换流程如下：借助專业方法，设置累加器数组，更改图像空间各像素点坐标值，使其以极坐标的状态存在，累加相同的极坐标值；科学提取累加器内的峰值点，提取出的峰值点与原始图像内的共线点对应；借助几何关系，对与共线点坐标相对应的直线方程进行求解，从而将直线的检测功能及特性发挥到最大。

3.2 Hough链码法

该方法的基本原理是依托Hough对目标物体的边缘直线进行变换测量，实施直线方程构建，并以该直线方程为依据和背景，对各直线之间的交点进行准确计算，继而判断不同直线之间的交点，了解其与目标物体之间的形状关系。依托专业计算方法，得出Hough链码，通过匹配，在这一链码和数据库中的模板链码之间进行关系建构，充分发挥工件的辨识特性。

3.3 定位跟踪目标物体

采用摄像机完成目标物体图像信息采集工作后，以平滑、二值化等多种方式对图像进行处理，依托图像的几何不变矩特征，对区域质心进行求解。在该背景下，跟踪运动目标是一项非常重要的工作，其中，关键内容及操作是对目标的图像特征进行描述。与此同时，具体实践过程中，考虑到光照及其他外部因素，需要对单类或多类特征进行找寻，完整表述相关目标。在该工作状态下，无论是轮廓、区域形状、边缘及外形特征，还是灰度共生矩阵、各不变矩等统计特征，应用都非常普遍，而且效果非常好。

4 结语

工业机器人视觉引导技术内容较多，专业性强，研究过程复杂。目前，市场上的主流工业机器人多由发达国家生产研究而成，我国在该领域仍存在明显的科研和技术桎梏。依据工业机器人生产要求，对其视觉引导关键技术进行研究，使其在各领域得到推广，从而最大程度上发挥其功能特性，为工业领域各项生产研究工作的开展奠定良好基础，推进我国工业快速发展。

参考文献：

[1]罗华进.工业机器人视觉引导关键技术问题研究[J].科学与财富，2016（5）：20-21.

[2]汪汝.视觉引导工业机器人定位抓取系统设计研究[J].数字技术与应用，2017（7）：169.

[3]党宏社，张超，庞毅.基于视觉引导的工业机器人快速分拣系统研究[J].电子器件，2017（2）：45-46.