基于机器视觉的搬运机器人系统研究与软件实现

刘蜀豫 付琴 周宁

【摘要】机器人如今在工业生产领域广泛应用，凭借其工作连续性、便于管理性提升了生产效率，降低生产成本，使原材料等大宗商品的价格能够不断降低，助力中上游产业不断发展，以搬运机器人为主的机械工业化设备解放了劳动力，从此人工搬运已成为过去，但为了满足智能制造国家总体布局要求，提高智能制造水平，基于机器视觉与智能控制系统实现智能搬运如今已是搬运设备发展趋势，本文以MT-R四自由度机器人为主要平台，对实现机器视觉展开系统研究与软件分析，为提升搬运智能化、高效化提供理论基础。

【关键词】机器视觉;搬运机器人;系统与软件

引言：在工业生产加工进程中，由于实现不同功能机床设备位置设定在工厂不同位置，所以待加工零件往往需不断变换平面与空间位置以实现不同加工工序，对于小型零部件可直接采用人工搬運进行位置转移，但大型零部件设备必须通过搬运设备进行高度举升与平面移动，传统通过场内叉车与龙门吊装方式实现对大型工件搬运往往耗费大量时间确立加工位置与加工精度，使生产效率受限，无法满足工业和行业需求。随着智能化时代到来，传感器、定位设备实现了技术跃迁发展，为工厂各种搬运设备提供了全新的程序与逻辑运算基础，本文将对实现机器视觉辨别、确定搬运机器人进行系统研究与软件实践探究，为助力智能化工厂外部设备献言献策。

一、搬运机器人视觉定位系统研究

1.视觉定位系统研究

让搬运机器人能够“看得见、摸得着”所挪移工件的关键设备是工业高清运动摄像机，处于生产流水线的工件设备往往在传送带等运送装置具有一定初速度，搬运机器人摄像机无法实现随动功能，故选用高速动态摄像机以增加视觉定位系统容错率，提高监测范围。视觉定位系统的主要任务是实现对生产线运动物体精确识别与定位，由高清摄像头进行图像采集，将图片信息上行传输至上位机，通过上位机进行二次处理，最终通过PLC串行口发送到搬运机器运动控制端，以实现对目标设备搬运进程。在视觉定位系统闭环控制系统中，上位机对视频数据分析标定与转码是其定位核心，运用背景差分法分析视频帧率并自行挑选最为清晰的照片对其进行点云分析与多维空间确定，并将其编译结果下分至控制系统以实现对搬运机器人精确控制是上位机的核心功能。

2.图像处理系统

在运动的视频中截取清晰图片并将图片进行分析、效果增强、工件凸显以及特征提取是图像处理系统的主要任务。在机器视觉中，图像是最基本的数据结构，分析提取出的图片往往具有数千万像素点，根据颜色数与图像深度以及色域类可由机器自行分为单色图像、灰度图像、伪彩色图像以及真彩色图像，以便对图像特征提取。在实际生产加工时，工件颜色与机床颜色极为相似，相近颜色在颜色分类后会由于照片画质压缩后出现一系列噪点，导致图片质量下降，所以根据波形来消除噪声，同时对中值滤波与高斯滤波进行抵消是平顺画质最为关键步骤，用中值定理取得区域内平均像素点的模式代替质量参差不齐像素点方是构建均值滤波常用做法，其可起到锐化像素点的良好效果，提升了图片质量整体性能。

3.摄像机标定

摄像机位置决定了拍摄角度与拍摄质量，在描述摄像机成像模型时根据空间坐标变换形式应定义图像像素坐标系、图像物理坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系。在图像像素坐标系中，像素坐标表征了图像点的灰度，图像由原来色彩形式储存被转译为像素组形式储存。与之相比图像物理坐标系只能单一化表征某一具体像素在内存组存放行数与列数，需与表示实际物理位置图像坐标系联动使用，通过偏微分方程计算方式与线性齐次变换形式将像素坐标转化为图像物理坐标，达到灵活转译效果。摄像机坐标系以摄像机为三维空间光心，通过三指原则确立直角空间坐标系，其中将摄像机主光轴方向界定为Z轴，与世界坐标系方向设定标准一致。摄像机、搬运机器人与目标工件具体位置三者存在一定位置关系，为了精确描述其位置关系，选用搬运机器人作为基坐标系，建立世界坐标系，三维坐标通过过渡矩阵变换形式可变为欧氏空间中的几何向量，最终根据线性齐次变换确定工件具体位置，确定过程中摄像设备、机器人空间位置保持恒定不变。

二、视觉机器人控制系统软件实现

1.控制系统软件开发平台与总体设计

本次研讨搬运机器人是在windows10系统下基于VC++软件开发，选用MFC类库支撑算法程序，利用先进图像处理软件OpenCV对视觉捕捉图像进行处理。从总体设计层次划分，整个系统软件分为应用层、控制层与资源层，根据功能模块分为再现、初始化、示教、监控调试、文件远程储存与管理、视觉捕捉管理六大模块，资源层与模块实现逻辑数据传递与分析，彼此配合，环环相扣共同实现视觉机器人搬运功能。

2.初始化模块与再现模块设计与实现

模块是实现不同资源层调动的基础，在初始化模块实际时应用MFC框架自动生成系统初始化模块结构，对于切换转译空间机器关节设置单独窗口，供给系统初始化调动，任何信号都被关节当作正向与负向节约反应信号，通过机器人自身API接口等系统资源实现来对各种参数进行调整与设置而再现模块是根据运算逻辑图实现对信号筛选及赋值功能的关键模块，通过系统初始化与示教点插入，利用运动学相关逆向算法，根据结果解析起始点关节变量，对于适用于轨迹插值方法信号可有选择性筛选为三次多项式插值、五次多项式插值以及抛物线混合线性插值，对于不适用直接可进行操作指令，实现对正确信号筛选与传递功能。

三、总结

在工业不断发展进步的今天，对智能机器视觉搬运机器人研发是间接提高生产效率的有效做法，与常用编程逻辑搬运机器人相比，运用机器视觉功能搬运机器人可实现自动化、运动修正性搬运，是对接智慧生产线重要基础，在对机器视觉搬运机器人研究时应着重分析其视觉捕捉系统，提高目标工件识别准确性，为工业生产提质增效添砖加瓦。

参考文献：

[1]李和仙，林宗德，胡志超.基于机器视觉智能机器人高速搬运控制系统的设计[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2021，17（04）：25-28.

[2]李湘伟，吴翩卉，王锐鹏.基于机器视觉识别的小型机器人分拣搬运系统的研制[J].机床与液压，2015，43（10）：161-164.

本文系2019年广东省大学生创新创业训练计划项目《基于视觉识别的搬运机器人系统设计（编号S201913719020）》课题研究成果