基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)

　　摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)有了很大進(jìn)展。機(jī)器人系統(tǒng)重要的控制手段是視覺(jué)伺服控制。視覺(jué)伺服控制技術(shù)由于其良好的性能以及應(yīng)用的廣泛性和方便性，成為了機(jī)電一體化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。本文闡述了視覺(jué)系統(tǒng)中視覺(jué)反饋與噪聲處理問(wèn)題，展望了對(duì)未來(lái)的研究方向，它有望成為機(jī)器人在動(dòng)態(tài)可變環(huán)境下應(yīng)用的重要支撐技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;視覺(jué)伺服;圖像處理

　　引言

　　經(jīng)濟(jì)全球化模式快速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已不能滿(mǎn)足我國(guó)快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)需求，對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和升級(jí)已成為傳統(tǒng)生產(chǎn)制造行業(yè)發(fā)展的共識(shí)，而研發(fā)具有感知、決策并能自動(dòng)執(zhí)行的工業(yè)機(jī)器人等智能制造裝備則是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)利用工業(yè)相機(jī)代替人眼對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，跟蹤和測(cè)量，將其與工業(yè)機(jī)器人集成，可使機(jī)器人具備感知與決策能力，并引導(dǎo)機(jī)器人做出正確的動(dòng)作，發(fā)展前景非常廣闊，也是智能機(jī)器人研究的重要領(lǐng)域。

　　機(jī)器人論文投稿刊物：《機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》(雙月刊)1988年創(chuàng)刊，是公開(kāi)發(fā)行的科技刊物，國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)會(huì)員單位，在國(guó)內(nèi)自動(dòng)化領(lǐng)域享有很高的聲譽(yù)，國(guó)外亦有一定的影響。本刊主要報(bào)道工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人領(lǐng)域的相關(guān)理論、技術(shù)與應(yīng)用等方面的最新進(jìn)展情況，涵蓋面廣，集知識(shí)性與趣味性于一體，具有很強(qiáng)的技術(shù)性和可讀性。

　　1機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)

　　上世紀(jì)七十年代末期誕生了機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)，這種伺服系統(tǒng)的誕生主要是為了可以改善機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，難以掌握的靈敏度以及控制環(huán)節(jié)的復(fù)雜性。機(jī)器人視覺(jué)的伺服系統(tǒng)，其控制過(guò)程主要是通過(guò)相關(guān)的視覺(jué)傳感裝置，進(jìn)而采集機(jī)器人希望獲取的外部相關(guān)數(shù)據(jù)，在將數(shù)據(jù)及時(shí)有效的傳遞給機(jī)器人控制裝置，實(shí)現(xiàn)讓機(jī)器人依據(jù)所采集數(shù)據(jù)調(diào)整動(dòng)作，以及定位追蹤的目的。

　　2視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1系統(tǒng)構(gòu)成

　　控制模塊主要包括FANUCR-1000iA_100F機(jī)器人及機(jī)器人控制器、控制傳送帶電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器與真空吸盤(pán)夾手控制模塊組成;視覺(jué)測(cè)量模塊包括攝像機(jī)與視覺(jué)測(cè)量軟件兩部分�？刂颇�塊與視覺(jué)測(cè)量模塊之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)在工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與通訊。視覺(jué)測(cè)量模塊由外部信號(hào)控制并完成工件的圖像，并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)焦た貦C(jī)進(jìn)行處理。工控機(jī)作為系統(tǒng)的人機(jī)交互窗口，其主要負(fù)責(zé)對(duì)相機(jī)捕獲的部品圖像進(jìn)行分析處理，并通過(guò)相應(yīng)的控制算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)工件的外部特征識(shí)別、孔位定位及抓取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程，同時(shí)負(fù)責(zé)將圖像處理后的中心坐標(biāo)輸出結(jié)果傳送到機(jī)器人控制柜。機(jī)器人控制柜通過(guò)與工控機(jī)建立通訊連接，接受工控機(jī)輸入的參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解過(guò)程，最終完成機(jī)器人末端執(zhí)行器抓取。

　　2.2視覺(jué)系統(tǒng)中噪聲的處理

　　視覺(jué)系統(tǒng)的噪聲主要來(lái)自于相機(jī)感光元件的噪聲和視覺(jué)處理算法的誤差,對(duì)控制系統(tǒng)性能有較大影響。視覺(jué)系統(tǒng)噪聲的處理可以從以下3個(gè)方面入手：(1)設(shè)計(jì)魯棒的特征提取算法。圖像噪聲對(duì)圖像特征的提取影響較大，尤其是基于像素梯度的局部圖像特征，會(huì)出現(xiàn)特征點(diǎn)的誤提取和誤匹配，直接導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)變量的誤差，對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。常用的去除例外點(diǎn)的方法有RANSAC算法、霍夫變換、最小二乘法以及M-estimators算法等。(2)使用觀測(cè)器降低噪聲的影響。對(duì)于含有噪聲的特征向量,可以利用觀測(cè)器對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)降低噪聲的影響。常用的方法有Kalman濾波、粒子濾波等。另外，在有些控制器中需要利用圖像空間中的速度信息，由于圖像采樣頻率較低且噪聲較大，數(shù)值微分的方法存在較大的誤差，此時(shí)也可以利用觀測(cè)器對(duì)其進(jìn)行估計(jì)。

　　2.3機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要利用X-SightStudio軟件，針對(duì)智能相機(jī)進(jìn)行程序編制，主要任務(wù)為給定棋子提取圖案輪廓特征與腳本程序的編寫(xiě)。編好腳本程序后，利用X-SightStudio軟件圖案定位工具，將相機(jī)拍攝到的已知的七種不同類(lèi)型的象棋提取其模板，并設(shè)定其待搜索區(qū)域圖像的特征，再將特征進(jìn)行匹配，從而計(jì)算出模板和對(duì)象之間的幾何位姿關(guān)系。在X-Sight中添加自定義工具，借助C語(yǔ)言編輯視覺(jué)腳本程序，腳本中需要給圖案定位出來(lái)的特征結(jié)果定義名稱(chēng)，即定義出相、將、士、卒、車(chē)、炮和馬，同時(shí)要求能夠做到對(duì)各象棋棋子種類(lèi)和數(shù)量的精確識(shí)別。

　　2.4圖像處理

　　視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)的目標(biāo)工件定位就是標(biāo)工件識(shí)別以后的位置和姿態(tài)進(jìn)行確定，以引導(dǎo)機(jī)器人后續(xù)的目標(biāo)抓取與目標(biāo)跟蹤任務(wù)。視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)要求有較快的圖像處理速度，結(jié)合已知的目標(biāo)工件特征和單一的背景信息，提取出目標(biāo)工件相對(duì)于機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系的位置信息。

　　2.5PLC程序設(shè)計(jì)

　　PLC程序包括兩個(gè)部分：一是點(diǎn)動(dòng)控制部分，要求設(shè)置點(diǎn)動(dòng)PLC控制翻轉(zhuǎn)棋盤(pán)、恢復(fù)棋盤(pán)、啟動(dòng)、急停以及XYZ正負(fù)向的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，同時(shí)在急停狀態(tài)下，無(wú)法啟動(dòng)使能控制按鈕;二是自動(dòng)運(yùn)行部分，即在PLC自動(dòng)控制過(guò)程中，經(jīng)通信獲取棋子等信息后，首先機(jī)械臂回零，然后依次按照機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)抓取、擺放的流程運(yùn)行即可，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)能及時(shí)報(bào)警發(fā)出警告。

　　3測(cè)試與分析

　　首先利用TW組態(tài)編輯的象棋排布界面，人機(jī)面板上的象棋種類(lèi)有將、象、士、馬、車(chē)、炮和卒，且各棋子可移動(dòng)數(shù)量只有一枚，通過(guò)手指觸摸移動(dòng)棋盒里的象棋到棋盤(pán)上的點(diǎn)處。PLC通過(guò)操作面板發(fā)來(lái)的排布方案，篩選出最終所要移動(dòng)的棋子，包括數(shù)目和類(lèi)別信息，同時(shí)提取象棋面板上排布的位置信息，然后對(duì)于由相機(jī)通信傳輸過(guò)來(lái)的隨機(jī)給定棋子信息，依次篩選出所需要移動(dòng)棋子在實(shí)物棋盒中的信息(包括象棋類(lèi)別、數(shù)目和相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置)。

　　信捷RC2型PLC中因?yàn)楸旧碛袛y帶負(fù)責(zé)相機(jī)坐標(biāo)與機(jī)械臂所處機(jī)械坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的算法，故而在信息篩選并參與本身的算法運(yùn)算之后，可以得到基于機(jī)械臂所處機(jī)械坐標(biāo)系下棋子的位置信息，然后發(fā)出指令使得PLC程序執(zhí)行，PLC把執(zhí)行程序的操作指令傳給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，帶動(dòng)機(jī)械臂按操作順序，從棋盒里抓取棋子然后放置在棋盤(pán)上，執(zhí)行完畢，機(jī)械臂端點(diǎn)回零，棋盤(pán)執(zhí)行翻轉(zhuǎn)，然后數(shù)據(jù)信息清除，設(shè)備自行還原，等待新的人機(jī)界面操作內(nèi)容。

　　4機(jī)器人視覺(jué)伺服控制應(yīng)用存在的問(wèn)題及解決方案

　　現(xiàn)如今機(jī)器人視覺(jué)伺服控制應(yīng)用存在的問(wèn)題可以分為兩類(lèi)：一是時(shí)間長(zhǎng)，就是信息采集時(shí)間長(zhǎng)，圖像成像處理時(shí)間長(zhǎng)。這種時(shí)間長(zhǎng)速度慢的問(wèn)題主要會(huì)致使機(jī)器人響應(yīng)慢，以及導(dǎo)致計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)慢。二是不穩(wěn)定，主要是圖像處理、計(jì)算機(jī)運(yùn)算不穩(wěn)定，主原因是機(jī)器人體積過(guò)大，運(yùn)行起來(lái)有誤差以及由于光源強(qiáng)度不夠，致使圖像清晰度低。面對(duì)上述問(wèn)題，可以從控制原理為切入點(diǎn)，選擇最合適的CCD圖像傳感器以及圖像采集卡，根據(jù)設(shè)計(jì)需要合理選擇圖像處理軟件，以求達(dá)到最靈敏的視覺(jué)控制系統(tǒng)。另外由于機(jī)器人是工業(yè)控制機(jī)構(gòu)，客戶(hù)在采購(gòu)機(jī)器人時(shí)追求的是其實(shí)用性，所以好的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)更應(yīng)該符合實(shí)際需要。

　　結(jié)語(yǔ)

　　綜上所述，以往關(guān)于視覺(jué)伺服的研究主要集中在簡(jiǎn)單靜態(tài)環(huán)境下的視覺(jué)伺服任務(wù)，這在機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。機(jī)器人任務(wù)的復(fù)雜性、靈活性和可靠性要求對(duì)視覺(jué)伺服控制的研究提出了進(jìn)一步的需求。目前人工智能的發(fā)展遠(yuǎn)未成熟，用機(jī)器完全代替人的工作還為時(shí)尚早。機(jī)器人在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時(shí)會(huì)遇到一些不可預(yù)見(jiàn)的情況，因此有必要加入人的控制行為與機(jī)器協(xié)作完成任務(wù)。

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　　作者：李志凌李付安生邵星宇唐余洲邊云鵬

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