蔡佳麗，史玉紅，蔡麗娟，羅富娟

（重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶 402247）

0 引言

目前，隨著智能技術(shù)的成熟，人們對工業(yè)機器人提出了智能運作的要求，故在相對短的時間內(nèi)智能機器人應(yīng)運而出，這種機器人與以往自動化機器人最大的區(qū)別就在于“視覺”，即前者在智能技術(shù)的幫助下能夠?qū)ΜF(xiàn)實物體進行識別，根據(jù)識別結(jié)果會自主選擇最佳決策，不像自動化機器人不考慮作業(yè)環(huán)境變化、差異，只會依照標準流程進行作業(yè)。從這里可以看出，智能機器人明顯具有更高的應(yīng)用價值，在更高程度上可以取代人工進行工業(yè)生產(chǎn)活動，故為了推廣智能機器人，提高工業(yè)生產(chǎn)效率等，有必要對其視覺引導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)進行分析，意義在于幫助更多人了解智能機器人，掌握其“視覺”實現(xiàn)方法。

1 工業(yè)機器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的相關(guān)論述

工業(yè)機器人的視覺引導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但一般情況下都是先通過非接觸式的傳感器來奠定“視覺”基礎(chǔ)的，即傳感器具有感知目標物體，并獲取物體相關(guān)數(shù)據(jù)的功能，這些數(shù)據(jù)能夠讓工業(yè)機器人對目標物體進行識別，了解其狀況，再從預(yù)設(shè)邏輯中選擇最優(yōu)方法，視覺由此誕生，因此傳感器是實現(xiàn)機器人視覺的根本要素，同時也對機器人視覺起引導(dǎo)作用。與此同時，根據(jù)不同情況下的需要，工業(yè)機器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)可以分為2D、2.5D、3D三種類型，其中2D系統(tǒng)主要使用的傳感器就是攝像設(shè)備，能夠采集工件幾何模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)機器人可以了解工件特征、位置坐標等，同時識別工件平面情況，該系統(tǒng)視覺精確度取決于特征點的選?。?.5D系統(tǒng)包含2D系統(tǒng)的所有功能，故傳感器上同樣使用攝像機，但不同的地方在于2.5D系統(tǒng)的攝像機可以移動，因此除了能夠了解工件平面信息以外，還可以采集工件高度及不同方位的移動情況；3D系統(tǒng)結(jié)合了2D與2.5D系統(tǒng)優(yōu)勢，并且使用了雙攝像機傳感器與相關(guān)數(shù)據(jù)采集工具，可以對一定空間內(nèi)目標物體的自由度信息進行采集，因此3D系統(tǒng)可采集的數(shù)據(jù)類型更多，使得系統(tǒng)對于目標物體的識別準確度更高，同時系統(tǒng)還能作出更多的判斷，利于機器人作業(yè)精確度[1]。

2 視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 標定技術(shù)

標定技術(shù)是一種獲取目標物體特征信息的技術(shù)，經(jīng)過長期的發(fā)展出現(xiàn)了多種形式，其中常見于工業(yè)機器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)中的形式有四，分別為標定攝像機、手眼標定、空間向量標定、P3P空間點位置標定，各形式內(nèi)容如下。

（1）標定攝像機。標定攝像機是利用特定攝像機設(shè)備對目標物體、物體周邊空間進行拍攝，再從拍攝圖像中還原空間內(nèi)物體的一種標定技術(shù)，其拍攝的圖像與三維空間內(nèi)的物體之間存在現(xiàn)行關(guān)系，關(guān)系表達式為：[像]=M[物]，其中M是矩陣，相當于攝像機成像即可模型，其中參數(shù)既為攝像機參數(shù)，只要通過計算即可求得這些參數(shù)，完成后就實現(xiàn)了標定。值得注意的是，攝像機標定的基本原理雖然簡單，但實際上需要考慮的要素非常多，諸如要考慮工件尺寸精確度，若精確度低，則可能導(dǎo)致成像模型出現(xiàn)異常，故使用該項技術(shù)時需要先確認相關(guān)參數(shù)是否足夠精確。關(guān)于標定攝像機的具體操作過程，一般是先選擇目標物體，而后將物體視作標靶。再在標靶上設(shè)置圓形或者是棋盤型的坐標系，這樣機器人視覺就會被引導(dǎo)，根據(jù)坐標系進行“觀察”，觀察過程中就能獲取目標物體在坐標系上的特征。另外，標定攝像機具有便于線性求解、魯棒性高的優(yōu)點，缺點在于無法應(yīng)用于攝像機運動軌跡未知，或者是無法控制的條件下[2]。

（2）手眼標定。手眼標定一般是在機器人作業(yè)部位的末端安裝特殊攝像機，由此構(gòu)成機器人手眼系統(tǒng)，因為攝像機是安裝在作業(yè)部位末端的，所以攝像機會隨著機器人的運動而運動，軌跡一致，說明攝像機與機器人之間的坐標關(guān)系并不穩(wěn)定，同時攝像機與機器人作業(yè)部位末端的關(guān)系不會發(fā)生變化，故當機器人開始作業(yè)，會先對攝像機所拍攝的位置進行標定，根據(jù)標定結(jié)果與作業(yè)部位當下所在位置可以知道應(yīng)當如何運動，原理是對各坐標系進行相互轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系能夠清楚了解現(xiàn)實情況。手眼標定的優(yōu)點在于識別精確度高，缺點在于可識別內(nèi)容較少，且需要高性能攝像機作為支撐，成本上相對較高。

（3）空間向量標定。空間向量標定是一種通過間接方法來獲取機器人、攝像機之間坐標關(guān)系的標定方法，實際情況中有許多不同的實施方案，其中最為常見的是：①圍繞標靶坐標系與機器人坐標系、攝像機坐標系之間的相互關(guān)系，建構(gòu)機器人、攝像機之間坐標系的關(guān)系；②根據(jù)標靶坐標系與其他兩個坐標系的已知特征點信息、空間幾何信息建構(gòu)空間變換矩陣；③依托于空間變換矩陣，對標靶坐標系、機器人坐標系之間的關(guān)系進行變換方程計算，而后安裝尖狀工具至機器人作業(yè)部位末端；④移動機器人作業(yè)部位末端坐標系，使其與尖裝工具的尖點重合，可得TCP工具坐標系；⑤圍繞標靶坐標系原點，將其設(shè)為某個圓形的中心部位，然后從橫、縱及與靶標板面垂直三個方向進行標靶坐標系調(diào)試；⑥以TCP工具坐標系為基礎(chǔ)，將其與標靶坐標系的每個特征點接觸，依照空間幾何變換原理，計算兩個坐標系的變換矩陣，結(jié)果可以對機器人視覺進行引導(dǎo)[3]。

（4）P3P空間點位置標定。自20世紀80年代學(xué)者提出PnP以來，人們就一直致力于P3P空間點位置標定研究，截至目前已經(jīng)得出了對應(yīng)的成果，即PnP是以一個抽象的空間模型為基礎(chǔ)，對模型內(nèi)n個特征點之間的相對空間關(guān)系進行計算，計算需要在特征點與射影中心角度已知的情況下才能展開，結(jié)果代表射影中心點與空間特征之間點之間的距離。圍繞這個概念，P3P空間點位置標定就是對實際物體的位置進行求解的標定方法，只要知道目標物體多個位置之間的關(guān)系，即可定義目標屋頂，根據(jù)選定的點獲取坐標，坐標既為目標物體的特征，依照特征就能對物體情況進行分析。另外，P3P空間點位置標定同樣需要依靠攝像機，主要是通過攝像機獲取目標物體的特征點，根據(jù)這一原理P3P空間點位置標定的具體操作過程為：第一，通過攝像機采集空間中若干已知點之間的相對位置信息；第二，對不同坐標系中已知點相對位置信息進行坐標計算；第三，通過變換關(guān)系，可知攝像機與工件坐標系中特征點之間的特征點坐標位置，結(jié)果可起到機器人視覺引導(dǎo)作用。

2.2 識別+定位跟蹤技術(shù)

識別+定位跟蹤技術(shù)在以往是兩個獨立技術(shù)，但因為兩者結(jié)果存在緊密聯(lián)系，所以經(jīng)過不斷地開發(fā)，人們將這兩個技術(shù)整合，形成了一體化的技術(shù)系統(tǒng)，常見的有Hough變換檢測直線、Hough鏈碼技術(shù)、定位跟蹤技術(shù)。任何識別+定位跟蹤技術(shù)都是機器人視覺引導(dǎo)的關(guān)鍵，引導(dǎo)結(jié)果是否準確更多地取決于識別+定位跟蹤技術(shù)，具體內(nèi)容如下[4]。

（1）Hough變換檢測直線。Hough變換檢測直線是一種圍繞直角坐標系、極坐標系之間的變換關(guān)系，通過改變直角坐標系的直線狀態(tài)，使其在極坐標系中成為一個點的識別+定位跟蹤方法。采用該項技術(shù)能夠?qū)C器人視覺引導(dǎo)中“如何讓機器人視覺對目標物體進行動態(tài)跟蹤”的復(fù)雜問題簡化，因此Hough變換檢測直線具有良好的應(yīng)用價值，且實施簡便性首屈一指。Hough變換檢測直線中直角坐標系的直線狀態(tài)改變方式為：第一，設(shè)置累加器數(shù)組，通過數(shù)組能夠改變圖像空間中不同像素點的坐標值，促使每個像素點變?yōu)闃O坐標狀態(tài)；第二，累加所有數(shù)字相同的極坐標值，再找出累加器內(nèi)的峰值，通過專業(yè)處理可知峰值點與原始圖像共線點對應(yīng)關(guān)系；第三，圍繞幾何關(guān)系，采用直線方程求解方式計算共線點坐標，這樣就能改變直線。

（2）Hough鏈碼技術(shù)。Hough具有測量目標物體邊緣直線的功能，Hough鏈碼技術(shù)正是依托于這一功能，在了解目標物體邊緣直線的情況下建構(gòu)直線方程，再通過方程計算不同直線之間的交點，根據(jù)計算結(jié)果可知目標物體與直線交點之間的形狀關(guān)系。Hough鏈碼技術(shù)的具體操作方法為：第一，計算獲取Hough鏈碼，采用匹配工具從Hough鏈碼與數(shù)據(jù)庫模板鏈碼中找出對應(yīng)關(guān)系；第二，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系能夠?qū)δ繕宋矬w進行識別。

（3）定位跟蹤技術(shù)。該項技術(shù)的原理最為簡單，一般就是通過攝像機先采集目標物體的圖像信息，然后借助軟件工具對圖像信息進行平滑、二值化等處理，圍繞處理后圖像信息的幾何不變矩特征，進行區(qū)域質(zhì)心求解，這樣只要保障攝像機一直跟隨質(zhì)心即可。值得注意的是，雖然定位跟蹤技術(shù)原理簡單，但實際操作中一定要注意目標物體的圖像特征描述質(zhì)量，通常建議對目標物體進行多類特征描述，諸如工件輪廓、外形、高低等，這樣才能發(fā)揮該項技術(shù)作用。

3 結(jié)語

綜上，工業(yè)機器人的視覺引導(dǎo)系統(tǒng)對于機器人應(yīng)用價值有巨大影響，且間接影響到現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)效率及整體發(fā)展，故為了推動行業(yè)發(fā)展、推廣工業(yè)機器人，相關(guān)人員有必要了解視覺引導(dǎo)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。借助關(guān)鍵技術(shù)，工業(yè)機器人視覺引導(dǎo)系統(tǒng)得以實現(xiàn)，并且能夠動態(tài)地對目標物體進行識別、跟蹤，精度也可以得到保障。