工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)研究綜述

黃思源

摘 要：智能感知技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，是進(jìn)行高質(zhì)量作業(yè)的必要條件。本文對工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)進(jìn)行綜述，對感知技術(shù)分類、視覺伺服技術(shù)等展開論述，最后對工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；智能感知；伺服技術(shù)

中圖分類號：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）20-0044-01

1 引言

工業(yè)機(jī)器人感知系統(tǒng)是將工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)信息和外部環(huán)境信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀粰C(jī)器人識別和執(zhí)行的信息數(shù)據(jù)，如可及時(shí)反饋生產(chǎn)作業(yè)情況，工業(yè)機(jī)械人具有很大潛力[1-2]。目前，工業(yè)機(jī)器人可根據(jù)形狀、大小和顏色等執(zhí)行分類任務(wù)，并完成拾取和放置。六自由度（Degree of freedom， DOF）力/扭矩傳感器是研究熱點(diǎn)，它主要用于工業(yè)機(jī)器人控制，包括磨削、除屑、去毛刺、銑削、拋光、測試和組裝等[3]；基于力傳感器控制技術(shù)的工藝質(zhì)量更好，對夾具和夾具精度要求小，同時(shí)能減少沖擊力、降低堵塞、楔入和磨損，或在工作條件較差環(huán)境中工作。

2 工業(yè)機(jī)器人感知系統(tǒng)分類

工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)重要應(yīng)用之一，通過機(jī)器人傳感器系統(tǒng)獲取所處環(huán)境信息并完成相應(yīng)動作。機(jī)器人視覺已有一定的應(yīng)用歷史，但目前未在制造行業(yè)中得到大量應(yīng)用。相比二維視覺，三維視覺傳感器可以有效提高機(jī)器人信息獲取能力。機(jī)器人觸覺技術(shù)近年來的發(fā)展十分迅速，隨著新型敏感壓阻材料CSA、FSR等的出現(xiàn)，各向異性的感壓導(dǎo)電橡膠應(yīng)運(yùn)而生，這使得更高分辯率的觸覺傳感器成為可能[4-5]。單一傳感器獲得的信息非常有限，新型傳感器在近幾十年不斷涌現(xiàn)。感知系統(tǒng)主要有以下幾類：

（1）視覺感知。視覺傳感器是最重要的傳感器之一。視覺包括圖像獲取、圖像處理與特征提取和圖像理解。圖像獲取是指通過視覺傳感器將三維環(huán)境信息轉(zhuǎn)換為二維圖像信息，圖像處理主要包括對圖像進(jìn)行一系列數(shù)值運(yùn)算，方便進(jìn)行圖像特征提?。粓D像理解則在圖像處理和特征提取的基礎(chǔ)上給出更上層的信息，CCD和CMOS是視覺傳感器的核心器件。自主式智能系統(tǒng)和導(dǎo)航是視覺感知的典型應(yīng)用之一，卡納基·梅隆大學(xué)機(jī)器人所在1996年完成了自動駕駛車橫跨美國的試驗(yàn)。

（2）力覺。機(jī)器人力傳感器可分為關(guān)節(jié)力傳感器和腕力傳感器，關(guān)節(jié)力傳感器一般安裝在機(jī)器人的關(guān)節(jié)部位，如手指關(guān)節(jié)的握力傳感器，腕力傳感器一般位于機(jī)器人手爪與手臂的聯(lián)接處，前者結(jié)構(gòu)比較簡單，一般得到的力信息也相對較少，且隨機(jī)器人結(jié)構(gòu)、尺寸不同，相應(yīng)的傳感器形狀也要隨之變化，而后者結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但它獲得的力信息較多，并可對不同類型的機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)通用化。

（3）觸覺、滑覺、熱覺等。由于實(shí)際過程中不可能完全模仿人的觸覺，廣義的觸覺一般被分為接觸覺、陣列觸覺、滑覺和熱覺等。機(jī)器人觸覺作為視覺的重要補(bǔ)充，可感知目標(biāo)物體的表面性能和物理特性，如柔軟性、硬度、彈性、粗糙度、導(dǎo)熱性等。機(jī)器人觸覺研究自80年代初出現(xiàn)并受到廣泛重視，到90年代初已取得了大量的成果。早期的觸覺由微動開關(guān)、金屬觸須等實(shí)現(xiàn)，后來出現(xiàn)了各種原理的觸覺傳感器：壓阻式、壓電式、光電式、電容式、電磁式等。

（4）接近覺。研究接近覺的目的是使機(jī)器人在移動或操作過程中獲知目標(biāo)的接近，對移動機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)避障。

3 機(jī)器人視覺伺服技術(shù)

視覺伺服指利用光學(xué)設(shè)備對物體進(jìn)行的識別、定位等工作，通過傳感器反饋的視覺信息，完成相應(yīng)的控制行為。視覺伺服一般分為基于位置的視覺伺服、基于圖像的視覺伺服和混合視覺伺服。視覺傳感器可作為非接觸移動移動傳感器與被觀測目標(biāo)同時(shí)運(yùn)動或工作，因此基于視覺的控制可以有效提高機(jī)器人控制性能[6]。

Corke和Good[7]首次對視覺運(yùn)動學(xué)和視覺動態(tài)控制進(jìn)行定義和區(qū)分。視覺運(yùn)動學(xué)主要研究如何使機(jī)器人對視覺特征做出響應(yīng)，而視覺動態(tài)控制則更關(guān)注機(jī)器人的動態(tài)響應(yīng)和圖像處理時(shí)延問題。與傳統(tǒng)的機(jī)器人控制方法相比，視覺伺服的控制變量并不直接來自于傳感器，而需要將像機(jī)獲得的信息經(jīng)過圖像處理、特征提取等算法進(jìn)行處理，從圖像信息中提取視覺伺服所需要的圖像特征信息[8]。

視覺伺服系統(tǒng)將視覺信息作為機(jī)器人能理解的信號以調(diào)整機(jī)器人的位置和姿態(tài)，可用于半導(dǎo)體和電子行業(yè)以及質(zhì)量檢測、識別工件、食品分揀、包裝等方面[9]。基于位置和圖像的伺服分別被稱為二維和三維伺服?；谖恢玫亩S伺服通過圖像信息確定機(jī)器人執(zhí)行器與末端位置的關(guān)系，從而控制機(jī)器人，但會受到圖像雅克比矩陣的奇異性以及局部極小等的影響。F.Chaumette等人提出了2.5維視覺伺服方法，將攝像機(jī)平動位移與旋轉(zhuǎn)進(jìn)行閉環(huán)控制解耦，重構(gòu)物體三維空間中的方位及成像深度比率，平動部分用圖像平面上的特征點(diǎn)坐標(biāo)表示。

4 結(jié)語

在工業(yè)機(jī)器人研究領(lǐng)域中，智能感知技術(shù)是其中的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容，直接影響工業(yè)機(jī)器人的未來發(fā)展，應(yīng)從硬件和軟件兩方面著手提高工業(yè)機(jī)器人感知技術(shù)的能力、精度、可靠性等，硬件方面主要包括傳感器精度、可靠性、能耗、尺寸重量和成本等，軟件方面主要包括圖形處理算法、感知算法等。相信感知技術(shù)的進(jìn)步會更加促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的整體發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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