視覺引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人定位抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

汪汝

摘要：本文采用攝像機(jī)、傳統(tǒng)帶、機(jī)器人以及視覺開發(fā)模塊軟件為主要基礎(chǔ)設(shè)備，技術(shù)人員設(shè)計(jì)出視覺識別和檢測系統(tǒng)的模塊，構(gòu)建視覺引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人。對系統(tǒng)的硬件組成、工作原理、參數(shù)化模型建立、模板匹配算法做出分析。

關(guān)鍵詞：視覺引導(dǎo)；工業(yè)機(jī)器人定位；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0169-01

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人逐漸被運(yùn)用到生產(chǎn)線的各項(xiàng)工作當(dāng)中。抓取和工件識別是工業(yè)機(jī)器人最主要的兩項(xiàng)運(yùn)用。離線編程方式是目前大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人采用的控制方式。該控制方式能夠控制機(jī)器人的抓取和工件識別，但是，如果工業(yè)機(jī)器人的識別對象或者工作環(huán)境發(fā)生了變化，很可能導(dǎo)致機(jī)器人識別抓取工作難以順利施行。為了滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們開始研發(fā)視覺引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人定位抓取系統(tǒng)，提高機(jī)器人的工作效率。

1 系統(tǒng)硬件組成

本次研究視覺引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人定位抓取系統(tǒng)硬件主要包括：第一，CCD相機(jī)。第二，鏡頭。在定位抓取系統(tǒng)當(dāng)中，對鏡頭的成像大小有一定的設(shè)計(jì)要求。第三，光源。光源是影響抓取系統(tǒng)圖像品質(zhì)和對比度的關(guān)鍵。第四，工控機(jī)。工控機(jī)是負(fù)責(zé)采集和處理圖像的關(guān)鍵設(shè)備。第五，機(jī)器人。機(jī)器人是執(zhí)行工件設(shè)別和抓取命令的最終硬件。

2 視覺引導(dǎo)抓取系統(tǒng)的工作原理

視覺引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人定位抓取系統(tǒng)在實(shí)際操作過程中，首先應(yīng)該固定傳送帶上方的攝像機(jī)，確保攝像機(jī)的視野能夠囊括運(yùn)轉(zhuǎn)的傳送帶上的工件。同時(shí)，將定時(shí)器的圖像采集頻率設(shè)置為每0.5秒采集一次。工件位置的確定可以通過模板匹配的方式，同時(shí)，利用兩針圖像之間的間隔來計(jì)算工件運(yùn)動速度。技術(shù)人員通過對工件運(yùn)動速度的測定，來預(yù)測工件位置，從而規(guī)劃好工件運(yùn)動軌跡，確保機(jī)器人的目標(biāo)位置與工件運(yùn)動工位重合，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確抓取。如圖1所示，當(dāng)工件開始進(jìn)入機(jī)器人抓取區(qū)域時(shí)的位置被稱為上流限，而工件離開機(jī)器人抓取區(qū)域的位置被稱為下流限。在實(shí)際運(yùn)行過程中，提前設(shè)計(jì)好上流限能夠有效減少機(jī)器人等待時(shí)間，如果機(jī)器人沒有在抓取區(qū)域當(dāng)中抓取工件，則表示抓取工作失敗，機(jī)器人也會放棄對該工件的追蹤。

3 抓取系統(tǒng)的參數(shù)化模型建立

3.1 攝像機(jī)定標(biāo)

本次研究主要利用坐標(biāo)軸的方式，對攝像機(jī)進(jìn)行定標(biāo)。首先，選取攝像機(jī)的光軸中心，攝像機(jī)的坐標(biāo)系建立在所選的光軸中心上。坐標(biāo)系的x/y/z三軸相互垂直，選取圖像水平增加方向?yàn)閤軸，光軸方向?yàn)閦軸。對攝像機(jī)進(jìn)行定標(biāo)后，可以在坐標(biāo)系上任意選取一點(diǎn)為M，寫出M的坐標(biāo)，然后根據(jù)平面投影的原理，找出M點(diǎn)的投影點(diǎn)坐標(biāo)，其中，投影點(diǎn)坐標(biāo)z軸的值即為攝像機(jī)的焦距。

3.2 手眼坐標(biāo)標(biāo)定

在本次研究的抓取系統(tǒng)當(dāng)中，機(jī)器人與攝像機(jī)位于傳送帶兩端，因此，想要確定機(jī)器人與工件之間的相對位置，采用傳統(tǒng)的手眼標(biāo)定方式難以達(dá)到滿意的結(jié)果。因此，技術(shù)人員可以根據(jù)機(jī)器人和攝像機(jī)之間的距離，建立兩個(gè)相應(yīng)的參考坐標(biāo)系，兩個(gè)參考坐標(biāo)系分別建立在攝像機(jī)的視野范圍內(nèi)和機(jī)器人的工作范圍內(nèi)。其中將建立在攝像機(jī)視野范圍內(nèi)的參考坐標(biāo)系設(shè)定為f1，f1的內(nèi)外參數(shù)采用平面標(biāo)靶標(biāo)定法進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)得出與攝像機(jī)之間的相對位置。將建立在機(jī)器人視野范圍內(nèi)的參考坐標(biāo)設(shè)定為f2，在實(shí)際工作過程中，f1與f2之間只存在水平X軸之間的平移關(guān)系。通過對兩個(gè)坐標(biāo)系之間的相對位置進(jìn)行研究分析，進(jìn)一步建立機(jī)器人與目標(biāo)工件之間的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人準(zhǔn)確的目標(biāo)抓取。

4 基于灰度相關(guān)的模板匹配算法

當(dāng)提取完目標(biāo)圖像的特征后，技術(shù)人員可以根據(jù)綜合匹配搜索的方式，對目標(biāo)圖像進(jìn)行定位跟蹤，滿足機(jī)器人工作時(shí)的時(shí)效性要求，同時(shí)，提高運(yùn)算速度?；诨叶认嚓P(guān)的模板匹配算法是常規(guī)模板匹配算法當(dāng)中的一種，主要以目標(biāo)圖像的灰度值作為模板匹配算法的特征參數(shù)，然后進(jìn)行匹配計(jì)算。

5 實(shí)驗(yàn)

完成相關(guān)理論研究后，最后一步就是對定位抓取系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確保抓取系統(tǒng)能夠正常工作。此外，通過實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員可以找到設(shè)計(jì)當(dāng)中存在的問題，并且對定位抓取系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和提升，確保定位抓取系統(tǒng)安全有效，能夠充分適用于實(shí)際工作當(dāng)中。具體工作人員可以根據(jù)相關(guān)模板匹配的目標(biāo)圖像坐標(biāo)，利用參數(shù)化模型，在機(jī)器人的基礎(chǔ)坐標(biāo)系中映射目標(biāo)圖像坐標(biāo)。通過計(jì)算機(jī)處理，將圖像坐標(biāo)與實(shí)際抓取位置進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換后的信息傳達(dá)給機(jī)器人，讓機(jī)器人進(jìn)行識別和抓取工作，從而保證目標(biāo)抓取工作的準(zhǔn)確性和精度。

6 結(jié)語

綜上所述，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)線上的運(yùn)用已經(jīng)越來越頻繁，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)具有一定的缺陷，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代社會的需求。定位抓取系統(tǒng)的研發(fā)很好地解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中存在的問題，有效提高工業(yè)機(jī)器人工件識別與抓取的準(zhǔn)確度。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該更加完善定位抓取系統(tǒng)相關(guān)研究，并且將其充分運(yùn)用于工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際操作當(dāng)中。

參考文獻(xiàn)

[1]盧冠男.基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人抓取系統(tǒng)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

[2]廖毅洲.視覺引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人定位抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2017，（01）：75-76+86.

[3]呂游.視覺引導(dǎo)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人智能抓取中的應(yīng)用[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2009.endprint