工业机器人视觉引导关键技术的思考

2021-04-10蔡佳丽史玉红蔡丽娟罗富娟

新型工业化 2021年11期

蔡佳丽，史玉红，蔡丽娟，罗富娟

（重庆电讯职业学院，重庆 402247）

0 引言

目前，随着智能技术的成熟，人们对工业机器人提出了智能运作的要求，故在相对短的时间内智能机器人应运而出，这种机器人与以往自动化机器人最大的区别就在于“视觉”，即前者在智能技术的帮助下能够对现实物体进行识别，根据识别结果会自主选择最佳决策，不像自动化机器人不考虑作业环境变化、差异，只会依照标准流程进行作业。从这里可以看出，智能机器人明显具有更高的应用价值，在更高程度上可以取代人工进行工业生产活动，故为了推广智能机器人，提高工业生产效率等，有必要对其视觉引导关键技术进行分析，意义在于帮助更多人了解智能机器人，掌握其“视觉”实现方法。

1 工业机器人视觉引导系统的相关论述

工业机器人的视觉引导系统内部结构比较复杂，但一般情况下都是先通过非接触式的传感器来奠定“视觉”基础的，即传感器具有感知目标物体，并获取物体相关数据的功能，这些数据能够让工业机器人对目标物体进行识别，了解其状况，再从预设逻辑中选择最优方法，视觉由此诞生，因此传感器是实现机器人视觉的根本要素，同时也对机器人视觉起引导作用。与此同时，根据不同情况下的需要，工业机器人视觉引导系统可以分为2D、2.5D、3D三种类型，其中2D系统主要使用的传感器就是摄像设备，能够采集工件几何模型的相关数据，根据数据机器人可以了解工件特征、位置坐标等，同时识别工件平面情况，该系统视觉精确度取决于特征点的选取；2.5D系统包含2D系统的所有功能，故传感器上同样使用摄像机，但不同的地方在于2.5D系统的摄像机可以移动，因此除了能够了解工件平面信息以外，还可以采集工件高度及不同方位的移动情况；3D系统结合了2D与2.5D系统优势，并且使用了双摄像机传感器与相关数据采集工具，可以对一定空间内目标物体的自由度信息进行采集，因此3D系统可采集的数据类型更多，使得系统对于目标物体的识别准确度更高，同时系统还能作出更多的判断，利于机器人作业精确度[1]。

2 视觉引导系统的关键技术

2.1 标定技术

标定技术是一种获取目标物体特征信息的技术，经过长期的发展出现了多种形式，其中常见于工业机器人视觉引导系统中的形式有四，分别为标定摄像机、手眼标定、空间向量标定、P3P空间点位置标定，各形式内容如下。

（1）标定摄像机。标定摄像机是利用特定摄像机设备对目标物体、物体周边空间进行拍摄，再从拍摄图像中还原空间内物体的一种标定技术，其拍摄的图像与三维空间内的物体之间存在现行关系，关系表达式为：[像]=M[物]，其中M是矩阵，相当于摄像机成像即可模型，其中参数既为摄像机参数，只要通过计算即可求得这些参数，完成后就实现了标定。值得注意的是，摄像机标定的基本原理虽然简单，但实际上需要考虑的要素非常多，诸如要考虑工件尺寸精确度，若精确度低，则可能导致成像模型出现异常，故使用该项技术时需要先确认相关参数是否足够精确。关于标定摄像机的具体操作过程，一般是先选择目标物体，而后将物体视作标靶。再在标靶上设置圆形或者是棋盘型的坐标系，这样机器人视觉就会被引导，根据坐标系进行“观察”，观察过程中就能获取目标物体在坐标系上的特征。另外，标定摄像机具有便于线性求解、鲁棒性高的优点，缺点在于无法应用于摄像机运动轨迹未知，或者是无法控制的条件下[2]。

（2）手眼标定。手眼标定一般是在机器人作业部位的末端安装特殊摄像机，由此构成机器人手眼系统，因为摄像机是安装在作业部位末端的，所以摄像机会随着机器人的运动而运动，轨迹一致，说明摄像机与机器人之间的坐标关系并不稳定，同时摄像机与机器人作业部位末端的关系不会发生变化，故当机器人开始作业，会先对摄像机所拍摄的位置进行标定，根据标定结果与作业部位当下所在位置可以知道应当如何运动，原理是对各坐标系进行相互转换，根据转换关系能够清楚了解现实情况。手眼标定的优点在于识别精确度高，缺点在于可识别内容较少，且需要高性能摄像机作为支撑，成本上相对较高。

（3）空间向量标定。空间向量标定是一种通过间接方法来获取机器人、摄像机之间坐标关系的标定方法，实际情况中有许多不同的实施方案，其中最为常见的是：①围绕标靶坐标系与机器人坐标系、摄像机坐标系之间的相互关系，建构机器人、摄像机之间坐标系的关系；②根据标靶坐标系与其他两个坐标系的已知特征点信息、空间几何信息建构空间变换矩阵；③依托于空间变换矩阵，对标靶坐标系、机器人坐标系之间的关系进行变换方程计算，而后安装尖状工具至机器人作业部位末端；④移动机器人作业部位末端坐标系，使其与尖装工具的尖点重合，可得TCP工具坐标系；⑤围绕标靶坐标系原点，将其设为某个圆形的中心部位，然后从横、纵及与靶标板面垂直三个方向进行标靶坐标系调试；⑥以TCP工具坐标系为基础，将其与标靶坐标系的每个特征点接触，依照空间几何变换原理，计算两个坐标系的变换矩阵，结果可以对机器人视觉进行引导[3]。

（4）P3P空间点位置标定。自20世纪80年代学者提出PnP以来，人们就一直致力于P3P空间点位置标定研究，截至目前已经得出了对应的成果，即PnP是以一个抽象的空间模型为基础，对模型内n个特征点之间的相对空间关系进行计算，计算需要在特征点与射影中心角度已知的情况下才能展开，结果代表射影中心点与空间特征之间点之间的距离。围绕这个概念，P3P空间点位置标定就是对实际物体的位置进行求解的标定方法，只要知道目标物体多个位置之间的关系，即可定义目标屋顶，根据选定的点获取坐标，坐标既为目标物体的特征，依照特征就能对物体情况进行分析。另外，P3P空间点位置标定同样需要依靠摄像机，主要是通过摄像机获取目标物体的特征点，根据这一原理P3P空间点位置标定的具体操作过程为：第一，通过摄像机采集空间中若干已知点之间的相对位置信息；第二，对不同坐标系中已知点相对位置信息进行坐标计算；第三，通过变换关系，可知摄像机与工件坐标系中特征点之间的特征点坐标位置，结果可起到机器人视觉引导作用。

2.2 识别+定位跟踪技术

识别+定位跟踪技术在以往是两个独立技术，但因为两者结果存在紧密联系，所以经过不断地开发，人们将这两个技术整合，形成了一体化的技术系统，常见的有Hough变换检测直线、Hough链码技术、定位跟踪技术。任何识别+定位跟踪技术都是机器人视觉引导的关键，引导结果是否准确更多地取决于识别+定位跟踪技术，具体内容如下[4]。

（1）Hough变换检测直线。Hough变换检测直线是一种围绕直角坐标系、极坐标系之间的变换关系，通过改变直角坐标系的直线状态，使其在极坐标系中成为一个点的识别+定位跟踪方法。采用该项技术能够将机器人视觉引导中“如何让机器人视觉对目标物体进行动态跟踪”的复杂问题简化，因此Hough变换检测直线具有良好的应用价值，且实施简便性首屈一指。Hough变换检测直线中直角坐标系的直线状态改变方式为：第一，设置累加器数组，通过数组能够改变图像空间中不同像素点的坐标值，促使每个像素点变为极坐标状态；第二，累加所有数字相同的极坐标值，再找出累加器内的峰值，通过专业处理可知峰值点与原始图像共线点对应关系；第三，围绕几何关系，采用直线方程求解方式计算共线点坐标，这样就能改变直线。

（2）Hough链码技术。Hough具有测量目标物体边缘直线的功能，Hough链码技术正是依托于这一功能，在了解目标物体边缘直线的情况下建构直线方程，再通过方程计算不同直线之间的交点，根据计算结果可知目标物体与直线交点之间的形状关系。Hough链码技术的具体操作方法为：第一，计算获取Hough链码，采用匹配工具从Hough链码与数据库模板链码中找出对应关系；第二，根据对应关系能够对目标物体进行识别。

（3）定位跟踪技术。该项技术的原理最为简单，一般就是通过摄像机先采集目标物体的图像信息，然后借助软件工具对图像信息进行平滑、二值化等处理，围绕处理后图像信息的几何不变矩特征，进行区域质心求解，这样只要保障摄像机一直跟随质心即可。值得注意的是，虽然定位跟踪技术原理简单，但实际操作中一定要注意目标物体的图像特征描述质量，通常建议对目标物体进行多类特征描述，诸如工件轮廓、外形、高低等，这样才能发挥该项技术作用。