0 ?引言

機(jī)器人是集成了高新技術(shù)的高端智能裝備，它對(duì)生產(chǎn)制造業(yè)地發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。機(jī)器人技術(shù)作為重要指標(biāo)已用來衡量國家高端智能制造和科技創(chuàng)新水平的高低。工業(yè)機(jī)器人近年來發(fā)展迅猛，生產(chǎn)使用量非常高，受到了世界上各個(gè)國家研發(fā)領(lǐng)域和制造領(lǐng)域的強(qiáng)烈關(guān)注。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)品的創(chuàng)新，推動(dòng)了智能制造技術(shù)的進(jìn)步，體現(xiàn)了一個(gè)國家機(jī)器人技術(shù)的實(shí)力和其在自動(dòng)化、智能化技術(shù)水平方面的競爭力。

第一臺(tái)機(jī)器人在美國誕生距今已近60年，其技術(shù)和產(chǎn)品在全世界范圍迅速發(fā)展，極大地滿足了工業(yè)生產(chǎn)制造、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)及人們?nèi)粘Ｉ畹亩喾矫嫘枨螅瑘D1給出了機(jī)器人的發(fā)展歷程。智能制造推動(dòng)了工業(yè)的發(fā)展，基于視覺的工業(yè)機(jī)器人滿足了智能制造的自動(dòng)化和智能化要求，現(xiàn)在已得到很廣的應(yīng)用。在物料轉(zhuǎn)移、工件的拆裝、分撿和儲(chǔ)運(yùn)等方面極大地降低了人類勞動(dòng)強(qiáng)度，并且提高了工作效率。不同類型工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)推動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，體現(xiàn)出智能制造在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家綜合國力提升中不可或缺的價(jià)值。

1系統(tǒng)分析

1.1 ?系統(tǒng)組成及工作原理

機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)獲取外界信息，然后通過軟件計(jì)算出目標(biāo)參數(shù)，最后利用控制硬件完成特定的任務(wù)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平地不斷提升，以及工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)智能制造水平地不斷提高，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的性能各方面要求也隨之越來越高，迫切希望出現(xiàn)能夠自適應(yīng)周圍環(huán)境、自我學(xué)習(xí)的工業(yè)機(jī)器人。傳感器市場的快速發(fā)展，各種高性能、易使用、靈敏度高、壽命長的傳感器地普及，使視覺工業(yè)機(jī)器人性能的提升得以實(shí)現(xiàn)。

研發(fā)人員通過在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中集成各類傳感器來增加它們對(duì)外界的感知能力，其中視覺類傳感器發(fā)揮的作用最大。因?yàn)橐曈X的目的是讓機(jī)器人仿照人類的視覺系統(tǒng)，以使用外部傳感器獲取視覺范圍內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)信息，并通過系統(tǒng)中的處理器對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物體辨識(shí)及物體定位等。相對(duì)于一般感知系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)具有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）快速獲取大量環(huán)境信息，而且獲取的信息以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，易于計(jì)算機(jī)處理;（2）易于和其他系統(tǒng)集成，且兼容性好，在工業(yè)生產(chǎn)制造中可以提高效率和精度，自動(dòng)化程度高。

通常所說的視覺系統(tǒng)是由硬件組成的。該系統(tǒng)中的攝像機(jī)用來獲取圖像數(shù)據(jù)信息，然而由于周圍各種影響因素的存在，使得獲取到的數(shù)據(jù)被污染，含有大量的噪聲和干擾，導(dǎo)致所需要的有用信息被淹沒，系統(tǒng)無法直接分析，因此需要對(duì)獲取的原始信息進(jìn)行處理。圖像處理可以利用圖像去噪技術(shù)、特征提取技術(shù)等，將圖像的特征信息從原始數(shù)據(jù)中挖掘出來，改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，便于計(jì)算機(jī)后續(xù)分析處理，做出正確決策，最終完成任務(wù)要求。

1.2 ?機(jī)器人視覺的主要功能

機(jī)器人技術(shù)的不斷更新、產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，極大地促進(jìn)了機(jī)器視覺的產(chǎn)生與發(fā)展。如何更加合理有效的將機(jī)器視覺引入工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，提高工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的靈活性，逐漸成為機(jī)器人研究的重要方向。工業(yè)機(jī)器人視覺的主要功能可以概括為：

（1）目標(biāo)定位：工業(yè)機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)可以在工作中迅速找到物體（如零件、電子元件等）位置，通過控制系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)作業(yè)，快速、精準(zhǔn)地完成工作。

（2）外觀檢測：工業(yè)機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)可以進(jìn)行量化對(duì)比，對(duì)所生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)格、尺寸、外觀和缺陷等指標(biāo)做相應(yīng)檢測，發(fā)現(xiàn)制造過程中出現(xiàn)的不合格產(chǎn)品，進(jìn)而為質(zhì)量檢驗(yàn)提供精準(zhǔn)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

（3）操作和識(shí)別：機(jī)器人視覺系統(tǒng)可以對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行識(shí)別和分析，進(jìn)而對(duì)所識(shí)別的圖像數(shù)據(jù)做采集和處理。

2 ?研究現(xiàn)狀

2.1 ?工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

作為一種技術(shù)附加值高、應(yīng)用范圍廣的高端裝備，機(jī)器人在現(xiàn)今先進(jìn)制造業(yè)中發(fā)揮的作用越來越重要，同時(shí)也會(huì)對(duì)社會(huì)未來生產(chǎn)和發(fā)展起到極大的推動(dòng)作用。機(jī)器人地出現(xiàn)使得大量勞動(dòng)力得以解放，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定、效率更高、價(jià)格更低等，促使大量工廠和企業(yè)引進(jìn)更多的工業(yè)機(jī)器人來提高生產(chǎn)效率并保證產(chǎn)品質(zhì)量，從而降低企業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)營成本。

世界各國高度重視機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，主要經(jīng)濟(jì)體和國家紛紛發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，特別是工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，甚至將工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)提升到國家戰(zhàn)略發(fā)展的高度，從而增強(qiáng)本國在機(jī)器人領(lǐng)域的競爭實(shí)力，體現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，乃至社會(huì)各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)中的重要地位。

隨著智能制造技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，未來的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)會(huì)朝著智能化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其趨勢(shì)可歸納為以下幾方面：（1）多傳感器應(yīng)用技術(shù)的實(shí)用化;（2）控制技術(shù)的分布式、網(wǎng)絡(luò)化;（3）系統(tǒng)的可重構(gòu)化、模塊化;（4）作業(yè)的柔性化、系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化等。

近年來，隨著工業(yè)4.0、中國制造2025、互聯(lián)網(wǎng)+和人工智能等理念地持續(xù)推進(jìn)，以及深度學(xué)習(xí)算法在醫(yī)學(xué)、生物、圖像識(shí)別等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，也為工業(yè)機(jī)器人未來發(fā)展及應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)平臺(tái)。在這樣的大背景下，未來全球工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)競爭將更加激烈，而我國也將迎難而上，繼續(xù)推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，爭取在國際上有足夠的競爭力。目前我國只有新松公司能夠在國際市場上有一定競爭力，因此未來工業(yè)機(jī)器人應(yīng)朝著以下幾個(gè)

方向發(fā)展：（1）系統(tǒng)的可重構(gòu)化、模塊化;（2）多（六軸以上）自由度;（3）核心部件（如減速器、伺服電機(jī)等）國產(chǎn)化;（4）編程易于實(shí)現(xiàn)。

2.2 ?基于視覺的機(jī)器人研究及發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于視覺機(jī)器人的研究， Nagata等人利用機(jī)器人視覺伺服技術(shù)和遺傳算法相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的精準(zhǔn)控制。澳大利亞西澳大學(xué)研發(fā)制造的Australias Telerobot，是一個(gè)以攝像機(jī)作為視覺數(shù)據(jù)采集裝置的工業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人具有六軸自由度，有極高的靈活性，使用者通過此機(jī)器人拍攝靜態(tài)圖像，然后對(duì)圖像數(shù)據(jù)分析處理，處理后生成空間位置信息，對(duì)物體不斷拍攝新圖像和更新后得到空間位置信息，系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理分析后，最終實(shí)現(xiàn)一壘積木塊位置的準(zhǔn)確擺放。

國內(nèi)眾多高校對(duì)工業(yè)機(jī)器人機(jī)器視覺方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和研究，發(fā)明了眾多專利，為科技成果的轉(zhuǎn)化提供了有力支撐。例如：華中科技大學(xué)彭剛等人利用視覺系統(tǒng)和超聲測距技術(shù)跟蹤和抓取動(dòng)態(tài)目標(biāo);北京航空航天大學(xué)孟偲等人利用手-眼視覺系統(tǒng)的測量與定位信息，準(zhǔn)確判斷目標(biāo)物體并抓取;東南大學(xué)席文明等人將基于視覺引導(dǎo)的機(jī)器人引入焊接工作中，實(shí)現(xiàn)焊接的高精度和高效率;華中理工大學(xué)劉延林等人通過機(jī)器人視覺技術(shù)獲取毛坯的圖像數(shù)據(jù)分析處理，最終實(shí)現(xiàn)毛坯的準(zhǔn)確識(shí)別。

當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中，視覺系統(tǒng)獨(dú)立存在的意義不大，只有將其與其他系統(tǒng)結(jié)合，才能發(fā)揮它的真正優(yōu)勢(shì)。Allen P K等人提出了一種能夠?qū)崟r(shí)跟蹤三維運(yùn)動(dòng)物體的實(shí)時(shí)視覺系統(tǒng)和可抓取運(yùn)動(dòng)物體的機(jī)器人手臂的高交互式的綜合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)抓取任務(wù)中手眼相互協(xié)調(diào)，如在移動(dòng)式輸送機(jī)系統(tǒng)上抓取部件，裝配鉸接部件，或從移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)抓取部件。S Murakami等人基于模糊邏輯控制器研發(fā)了弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)從焊槍的擺動(dòng)位置及導(dǎo)線末端與工作距離之間的關(guān)系中，識(shí)別出焊接點(diǎn)的水平位移和垂直位移，并由三菱重工的電弧傳感器輸出，利用這一信息，可以知道弧焊機(jī)器人的焊槍位置和調(diào)整方向。H. Ali等人利用視覺傳感器設(shè)計(jì)和開發(fā)了智能機(jī)器人手爪，文中使用的視覺傳感器可以用于檢測對(duì)象的存在并將信息發(fā)送給機(jī)器人。Huang等人提出一種改進(jìn)的用于解決動(dòng)態(tài)補(bǔ)償機(jī)器人系統(tǒng)（DCRS）的無模型位置調(diào)節(jié)問題的算法，控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高速、準(zhǔn)確的操作。

1961年麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室將含有觸覺傳感器的裝置與計(jì)算機(jī)連接通信，機(jī)器人通過觸覺感知到的周圍物體的狀態(tài)信息即可以傳遞給計(jì)算機(jī)。隨后把攝像頭當(dāng)作輸入，將計(jì)算機(jī)物體識(shí)別、圖像處理常用的方法引入到機(jī)器人系統(tǒng)中，從此開啟了機(jī)器人視覺方面的研究。計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的快速更新和發(fā)展，提高了機(jī)器人智能化程度，使得世界各國紛紛投入大量資源，用于基于視覺的機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用。

美國的Adept公司是一家全球知名的專業(yè)從事工業(yè)機(jī)器人制造的高新技術(shù)企業(yè)，他們研發(fā)生產(chǎn)的第一代工業(yè)機(jī)器人就是基于視覺系統(tǒng)的。此后，在三十多年的發(fā)展歷程中，Adept公司擁有了非常豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，這使其成為美國工業(yè)機(jī)器人企業(yè)中最大的一家。

日本也是機(jī)器人研究和應(yīng)用水平世界領(lǐng)先的國家之一。日本的工業(yè)機(jī)器人品牌很多，如愛普生、OTC、那智不二越、安川、FANUC等，在中國各行各業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)線上使用廣泛，如東風(fēng)汽車、長安汽車、上海通用、京東方、海爾、美的、華星光電等。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較來看，全球機(jī)器人市場份額的50%以上已被這些日本品牌的工業(yè)機(jī)器人占有。從1970年起，日本已經(jīng)在機(jī)器人領(lǐng)域打下了非常好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，從日本政府提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，截止2011年，日本的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)占世界工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品市場的50%～57%。

機(jī)器人在國內(nèi)研究相比日本、美國等起步晚，但是發(fā)展相對(duì)迅速，并且已經(jīng)得到了大量有價(jià)值的研究成果。近年來，我國政府高度重視，得益于多個(gè)政策支持文件的出臺(tái)，國內(nèi)一些科研院所在機(jī)器視覺方面投入的研究也非常大，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)烈。

2011年3月7日中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授李偉主持的國家863計(jì)劃項(xiàng)目 “黃瓜采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”通過了國家教育部的成果鑒定。此項(xiàng)研究綜合應(yīng)用多傳感器融合技術(shù)，對(duì)所需采摘黃瓜的成熟度和空間位置獲取信息，在機(jī)器人工具端實(shí)現(xiàn)了智能化操作，并能夠在未知環(huán)境機(jī)器人自適應(yīng)尋找最優(yōu)路徑、視野內(nèi)快速搜索、判斷采摘對(duì)象的成熟度、獲得采摘對(duì)象實(shí)時(shí)位置信息，最終完成整個(gè)采摘工作。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人需要在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作，而該研究成果打破了這一技術(shù)屏障，這是對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人使用模式的重大突破。

清華大學(xué)的機(jī)器人視覺科研組研制出了一套新的多傳感器視覺系統(tǒng)—基于CAD模型的CMMS。CMMS分層結(jié)構(gòu)：第一層是識(shí)別、定位和跟蹤層;第二層是獲取處理信息層。哈爾濱工程大學(xué)自主研發(fā)的足球機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，可以同時(shí)檢測到不同方位的視點(diǎn)。通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)處理兩個(gè)攝像機(jī)采集的數(shù)據(jù)信息，測量精度得到了提高。實(shí)際比賽測試中，在其他傳感器失效的情況下，雙目視覺依然能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航功能，體現(xiàn)了高度的自適應(yīng)能力。

3 ?結(jié)論及展望

在傳統(tǒng)應(yīng)用中，工業(yè)機(jī)器人多數(shù)是通過示教方式或者離線編程進(jìn)行工作，機(jī)器人需要嚴(yán)格遵循設(shè)定工作，功能單一，無法滿足柔性制造的要求。機(jī)器視覺技術(shù)的引入，提高了機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的靈活性，機(jī)器人的初始位置姿勢(shì)和結(jié)束位置姿勢(shì)都可以通過視覺采集數(shù)據(jù)自適應(yīng)地計(jì)算得出，借助機(jī)器人與視覺系統(tǒng)之間的協(xié)同工作，不但可以利用機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大相機(jī)的可視范圍，還可以利用相機(jī)給機(jī)器人進(jìn)行輔助定位，完成人工難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)，提高工業(yè)機(jī)器人的智能化水平。未來基于視覺的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)可能朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。

3.1 ?多機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展

國內(nèi)外研究普遍針對(duì)單個(gè)機(jī)器人，其技術(shù)相對(duì)成熟，效率、性能和可靠性顯著提升，但仍然無法充分滿足先進(jìn)智能制造的要求，許多復(fù)雜任務(wù)無法依靠單個(gè)機(jī)器人獨(dú)立完成。多機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)行系統(tǒng)比單機(jī)器人有很多優(yōu)勢(shì)，比如空間上分步，時(shí)間上可以并行，更具靈活性，更具容錯(cuò)能力，效率更高。因此，研究意義重大，多機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)的市場發(fā)展以及應(yīng)用前景具有廣闊空間，是未來視覺工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的方向之一。段云濤提出基于改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和碰撞檢測算法的雙機(jī)器人協(xié)調(diào)下棋系統(tǒng)，將多機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)完全體現(xiàn)了出來。李丹勇等人基于多智能體系統(tǒng)理論，開發(fā)出機(jī)器人協(xié)調(diào)控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)用價(jià)值。

3.2 ?工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)性能的提升

機(jī)器人視覺系統(tǒng)和人類視覺系統(tǒng)功能一樣，是機(jī)器人的高級(jí)感官系統(tǒng)。借助于視覺系統(tǒng)機(jī)器人可以自適應(yīng)感知環(huán)境信息，從而對(duì)周邊環(huán)境的變化作出快速合理的決策。隨著基于視覺的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，不同應(yīng)用環(huán)境中的不同任務(wù)對(duì)機(jī)器人視覺系統(tǒng)有了新的要求，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)出適合的視覺系統(tǒng)，將會(huì)大大提高工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)環(huán)境中的競爭能力。

3.3 ?深度學(xué)習(xí)方法優(yōu)化視覺系統(tǒng)

深度學(xué)習(xí)方法已經(jīng)在語音識(shí)別、圖像處理及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其中深度學(xué)習(xí)方法的典型結(jié)構(gòu)CNN（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），特別適合于處理圖像數(shù)據(jù)，而且這類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無需人工進(jìn)行特征提取，智能化程度非常高，易于實(shí)現(xiàn)。因此，未來可以考慮利用深度學(xué)習(xí)方法優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的辨識(shí)能力和自適應(yīng)能力，在工業(yè)現(xiàn)場發(fā)揮更大的作用和更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

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作者簡介：鄭凱（1987-），男，漢族，山西太原人，工程師，碩士研究生，中電科風(fēng)華信息裝備股份有限公司，主要從事電子專用設(shè)備的研究。