视觉系统在工业机器人集成系统中的应用

视觉系统在工业机器人集成系统中的应用

Summary：智能制造是新一轮工业革命的核心技术，而工业机器人是先进制造系统中最具代表性的重要生产装备。随着科学技术的飞速发展，传统的以人控制机器制造产品的制造业已被以计算机控制的机器人制造产品代替了，生产效率得到大幅提升，产品质量有了更加可靠的保障，制造成本也大幅下降。然而有许多因素正在阻碍机器人的普及，其中一个主要因素是：大多数机器人对周围环境完全没有感知能力或只有很低程度的感知能力，为此，本文就机器人视觉系统的设计应用相关问题进行分析探讨。Keys：视觉系统；工业机器人；集成系统；应用引言：随着国家制造业转型升级的不断深入，目前我国已经成为全世界最大的工业机器人应用市场。与此同时，作为高端制造产业重要组成部分的工业机器人，其应用场景也正在被不断创新，以工业机器人为主体的自动化生产线越来越多的被应用到现代化生产制造过程，代替人工在危险、恶劣等复杂的工作环境下完成关键生产工艺的操作，实现更高的生产精度，针对智能化工业机器人视觉系统所涉关键技术进行研究，具有重要的理论与现实意义。1、机器视觉系统的原理和功能机器视觉系统的基本原理是利用专业的图像摄取装置对目标图像信息进行采集，如互补金属氧化物半导体器件和电荷耦合器件。该系统在对信息进行初步的转化后会传输到相应的处理系统中，由系统依照图像的颜色、亮度、像素分布等信息将之转化成数字信号，然后运用多样化的运算方法抽取相应的目标特征值得到相应的判断结果，并将结果应用到设备运作控制中。机器视觉系统的基本原理如图1所示。机器视觉系统的最大特点是反应迅速、功能完善，还可以实现大量信息的有效存储，从而提高生产效率和生产质量。图1机器视觉系统的原理1.2机器视觉系统的主要功能（1）引导和定位，视觉定位要求机器视觉系统能够快速准确的找到被测零件并确认其位置，上下料使用机器视觉来定位，引导机械手臂准确抓取。在半导体封装领域，设备需要根据机器视觉取得的芯片位置信息调整拾取头，准确拾取芯片并进行绑定，这就是视觉定位在机器视觉工业领域最基本的应用。（2）外观检测：检测生产线上产品有无质量问题，该环节也是取代人工最多的环节。说机器视觉涉及到的医药领域，其主要检测包括尺寸检测、瓶身外观缺陷检测、瓶肩部缺陷检测、瓶口检测等。（3）高精度检测：有些产品的精密度较高，达到0.01～0.02m甚至到u级，人眼无法检测必须使用机器完成。（4）识别，就是利用机器视觉对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象。可以达到数据的追溯和采集，在汽车零部件、食品、药品等应用较多。2、机器人视觉系统的构成典型的工业机器人视觉系统往往由图像采集单元、信息处理单元以及最终的决策执行单元组成，如下图。

图2机器人视觉系统结构图2.1图像采集卡虽然图像采集卡只是机器人视觉系统中的其中一部分，但是图像采集卡同样也起着非常重要的作用。摄像头的接口就是由图像采集卡来决定的，决定是黑白、彩色、模拟、数字等方面。图像采集卡最普遍的就是PCI或AGP两者都具备的捕获卡，这种捕获卡可以将图像快速的传到计算机存储器，然后通过计算机进行分析处理。有些采集卡中有很多内置的线路开关，可以跟8个不一样的类型的摄像机进行连接，之后就可以为采集卡传送信息，采集卡就能了解到是哪一部摄像机拍下的图像。2.2立体成像一张图像其实就是通过一个场景折射出来的。因此，图像就要与之相对应的场景的每一处都要对应上。但是，场景中有些点在折射的过程中已经丢失，就没有办法从同一张图像中获取点，如果将同一个场景折射出两幅图像，那就可以把这两幅图像进行对比，并找出两张图像中的不同之处的信息，两张图像之间的不同之处就是代表不同点之间的空间关系。工作人员可以把这两幅图像合并成一张三维图像。进行深度测量需要用到2.5维图像，如果想要形成真正的三维图像则需要很多图像。2.3图像信息处理图像采集卡将成像系统获取的图像信息转换为计算机能够识别的数字信号，对于计算机系统而言，完整的图像像素描述包含了过多的冗余信息，本地或云端的计算机处理系统将从数字信号中提取一些能够表征图像的特征信息，再依靠模式分类及深度学习等方法将特征抽象成更高层次的信息表达，完成对目标的识别、分析与理解。这一阶段开始，机器开始模拟人脑对图像信息进行分析与理解的功能，为控制系统进一步的决策提供有价值的参考信息。2.4执行单元信息处理单元通过对图像内容的分析与理解实现了对周围环境的感知，之后最终的执行单元——工业机器人系统，会依据视觉系统根据周围环境给出的决策信息，完成相应的动作，实现对目标状态的识别、定位、跟踪以及抓取、搬运等一系列任务。3、视觉系统在工业机器人集成系统中的应用在进行一些设备零件生产的时候，每个零件都有相对应的字符编号，这些字符编号也是唯一可以进行检测的信息，如果仅靠人工对这些字符编号进行检测，不仅会需要大量的劳动力，还会影响检测效率，无法从根本上保证检测的质量。如果某些零件的编号出现错印或者重印，就有可能会影响设备的正常运行，严重的有可能造成安全事故。因此，一种基于机器视觉技术的用于字符提取、识别与错误反馈于一体的检测体统就非常有必要，也可以有效的提高零件出厂编号的检测精度和自动化水平，有效的保证生产质量，解决实际的生产问题。3.1芯片选择在某视觉系统的设计中，采用的主要芯片是MC9S12DG128，它属于16位的单片机，主要采用了增强型的CPU，其内部的总线时钟率较高，单片机内的资源丰富，具有不同类型的转换器等。有具体的进行背景调试的模式，可以在任何情况下进行系统完整的背景调试，其工作的效率也会有一个很大的提高。3.2图像传感器在具体的系统设计中，主要的芯片除了MC9S12DG128单片机，还有图像传感器。选用的图像传感器是由美国某家著名的汽车设计公司生产的，这种自带图像敏感阵列和转换元件，而且能提供不同格式的图像传感器具有较强的图像输出速度和分辨率，能自动增加图像的效益，自动进行曝光，调节白平衡，通过具体的总线设置开发系统的图像输出功能。视觉系统中的存储器会按照一定的顺序对图像进行科学合理的读取，它允许接口电路简单、读取速度较快的动作同时进行。该系统采用的存储器具有高速度、低能耗、容量大的特点，应用在具体的视觉设计中具有非常好的实际意义。3.3运动平台总体控制系统方案的设计在机器视觉系统中，主要是控制“脖子”俯仰运动和“眼睛”偏航运动的速度和位置精度，因此要对促使这些运动的驱动电机速度和位置进行准确控制。在设计的过程中，要实现对电机的位置和速度信息的闭环反馈，其控制方式为“电机+电机驱动器+电机控制卡”，这种控制方式采用的是一种全伺服闭环控制。它是通过增量式编码器的反馈来对电机传动进行失步检测，一旦步进电机由于外部干扰产生了失步现象，增量式编码器便会调整电机重新恢复到正确的位置上。因此在本系统中，控制每一个自由度，都采用带位置反馈的伺服系统。3.4应用效果利用机器视觉技术的检测系统做过多次实验，也测试了大量的数据。数据显示系统整体可靠，对编号字符识别度非常高。通过应用视觉检测系统大大提高了零件的生产效率，完全可以取代人眼的检测，还能节约大量的劳动力。通过应用视觉检测系统不仅为生产企业节省人力成本，还大幅度提高了检测准确度，提高了生产自动化程度，为机器视觉系统能够有效应用类似生产线提供了经验。结束语：综上所述，工业机器人通过增加视觉系统很好的满足特点场合的应用，为替换人工操作奠定基础，可大幅提升生产效率，提高良品率。机器人视觉技术应用前景极为广阔，目前应用于生产生活各领域，但我国发展滞后，在工业检测中离实用化、商业化还有差距，因此亟待提高我国机器视觉技术的发展速度和水平，达到工业生产的智能化、现代化，为我国的现代化建设作出应有贡献。Reference：[1]秦海