Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ·电子技术 机器人视觉技术 文／付旭程 （５）机器人将工件装入合适的位置，最 进入２ｌ世纪以来，机器人就 后压力传感器确认是否完成装配作业。 在人类生产生活的各个领域被广 泛地应用，在日常生活中有服务 机器人、娱乐机器人、扫地机器人， 各种机器人创造的初衷是用来代替人来 进行各种复杂枯燥的一Ｉ：作，所以其很多特性都 类似我们人类。机器人想要执行各种各样的任 在工业应用中也有机器人代替人 类进行搬运、焊接、切割等重复 性枯燥的工作，大大降低了人工 成本和危险系数。和人类依靠双 眼获取外界环境的图像信息一样， 机器人想获得周围环境的情况必 须依靠其“双眼”一一机器视觉 系统。机器人的机器视觉技术依 务就必须对自身周同环境有精确的Ｊ 解，并且 对自己所要处理的对象了如指掌，同时其也要 实时接收来自操作者的各种命令，所以赋予其 强大的感知功能是必须的，这种能力就是机器 人传感器系统提供的。机器人传感器系统与其 他传感器系统 同，它不仅要有检测和测量状 态信息的能力，而且它还要处理采集到的信息， 并根据采集到的信息对外部采取行动，因此它 应有很强的实时采集和处理信息的能力。如果 图１：机器人抓举示意图 情况也会不 实际的物体虽然互相并＿，『 重叠， 但从某一角度上看，却得到重叠的图像。为Ｊ 解决这些问题，模拟人类视觉的原理，机器人 视觉系统一般由以下几个过程组成： 首先机器人得到识别物体的指令后，先 靠摄像头、视觉传感器、红外传 感器等部件获取特定的图像信息 后．经过计算机的处理，得到机 器人可以识别的信息，从而指挥 机器人的后续行动。本文从机器 人感知系统讲起，深入分析了机 器视觉技术的组成、原理和应用， 并展望了机器人视觉技术的未来。 获取的信息不够，传感器系统应主动地有意采 集为达到目标所需的信息。机器人分传感器可 以分为距离、光线、温度、视觉、声波、红外 线等传感器，各种传感器检测不同的物理量， 例如距离传感器获取距离和位置信息，温度传 【关键词】机器人机器视觉图像处理 感器检测温度高低，声波传感器捕捉周 环境 控制光源向物体投射一定量的光线，物体反射 的光线通过镜头进入摄像机成像，摄像机得到 图像信息后传递给图像采集卡，图像采集卡将 图像信息转换为数字或者模拟信号传递给计算 机，计算机对信号经过处理之后判断出下一步 的执行动作，通过输入／输出端Ｌ］传递指令给 的声音，各个传感器通力配合、缺一不可，共 同构成ｒ机器人的传感器系统。理论上人类的 １机器人感知系统 １．１机器人感知体系简介 各种感觉都可以通过传感器所模仿，这为高度 拟人机器人的产生提供了坚实的基础。一台智 能机器人的传感器如图２所示。 １．２机器人视觉技术简介 视觉器官是人体最重要的感觉器官，据 统计，人从外界所获得的信息有８０％来自眼睛， 冈此在机器人研究的一开始，人们就希望能够 控制机构，指挥机器人的下一步动作。整个机 器人视觉系统的工作过程和人眼的工作过程类 似，镜头相当于人眼的晶状体，摄像机相当于 机器人作为集合机械系统、电气系统、 感知系统、控制系统、计算机系统等为一体的 高端机电设备，其复杂程度较高，在研究、设 计和制造的过程一股分为以上多个子系统分别 人眼的视网膜，图像采集卡相当于视觉神经， 而计算机则相当于人类的大脑。在机器人视觉 系统的运行过程中，以下几种硬件是最为关键 的： 进行。感知系统在整个机器人系统中占据着重 要的位置，相当于人类的“感觉”系统。类似 给机器人装上“眼睛”，使它具有视觉功能。 如果想要赋予机器人较高的锣能，离开视觉系 统是无法做到的，如常见的抓举机器人要求识 别需要抓举的工件，移动机器人要识别周围的 道路和障碍物，这种能力都是机器视觉赋予的。 机器视觉是指使用机器代替人类视觉来进行物 体和环境识别的技术，它主要指利用计算机来 ２．１摄像机和图像传感器 摄像机是图像的感应单元，是获取图像 的关键设备。在早期一般通过传统胶片照相机 人类依靠眼睛的视觉、耳朵的听觉、鼻子的嗅 觉等，机器人完成各种复杂的工作同样离不开 各种各样的感知设备。机器人感知系统的功能 可以用机器人抓举物体的相关过程来描述： （１）机器人首先通过自身的距离传感器 代替摄像机．但是这种图像采集模式非常低效， 随着数字图像处理技术的进步，数码摄像机逐 渐取代了传统摄像机。近年来开发了ＣＣＤ（电 荷耦合器件）和ＭＯＳ（金属氧化物半导体器件） 和视觉系统获取工件的三维位置、姿态、与抓 手的距离等物理量，从而制定出抓取的路径、 模拟人的视觉功能，从客观事物的图像或图像 序列中提取信息，进行处理并加以理解，最终 用于实际检测、测量和控制。 等同体视觉传感器。摄像机搭配固体视觉传感 器，特别是ＣＣＤ图像传感器，具有体积小、 质量小、余辉小等优点，因此应用口趋广泛。 角度、力度等策略。 （２）机器人利用其手部的接近觉传感器， 接近工件．并跟踪工件表面，确定抓取位置。 （３）机器人通过手部的触觉传感器（压 力）来控制手部的夹力，确保稳定地夹持物体。 ２机器人视觉系统的组成 机器人的视觉传感系统需要处理三维图 像，不仅需要了解物体的大小和形状，还要知 道物体之间的关系，因而与文字或图像识别有 目前已有将双ＣＣＤ视觉传感器集成在灵巧手 爪上的机器人系统，视觉传感器捕捉到的每个 像素都含有距离信息的图像，称之为三维视觉 图像。 （４）利用传感器信息的处理，合理规划 路径，将机器人移动到另一工件处，在移动的 过程中通常还要调用视觉传感器的信息来实时 修正机器人的运动轨迹，保证精确到达指定位 置。 根本的区别。为了实现这一目标，要克服很多 困难，由于视觉图像传感器只能获得二维图像， 从不同角度上看同一物体，会得到不同的图像 照明条件的不同，得到图像的明暗程度与分布 ２．２图像采集卡 图像采集卡是将摄像机所捕捉的图像信 息进行处理和存储的设备，其可对图像采集单 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ电子技术与软件工程·９９ 电子技术●Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 机器人在执行任务过程中必须知道自己 的位置，对位置较为敏感的有扫地机器人、抓 举机器人等，视觉定位系统首先会捕捉一些关 键点信息和对应距离信息，然后通过自身的软 件系统计算出自身的位置，以便进行下一步操 作。 ３．２零件识别 在一些工业流水线操作中，需要对工件 的形状和尺寸进行辨识，一方面机器人视觉系 统可以通过视觉测量技术得出关键性的长度、 面积、周长等：另一方面，其也可以提取出工 件的一些特征，例如孔洞、尖角、凹陷、凸起等。 ３．３移动机器人的导航 图２：一种智能机器人传感器分布图 移动机器人或自动驾驶汽车中的视世系 统，能够根据路标确定前进的方向，识别前进 道路上的障碍物，并绕行。 随着图像处理技术和计算机技术的不断 进步，机器人视觉技术也在不断地发展和完善 之中，但是Ｅｌ前的机器人视觉技术还有很多短 板，例如视觉定位的准确性和实时性不足，精 度还有待提高，没有满足各种工业应用的通用 性解决方案，这也了机器入视觉技术的大 待检测Ｈ标 图３：机器人视觉系统的构成 规模应用。机器人的智能程度对视觉技术的依 赖程度很高，Ｆｔ前一些足球机器人、服务机器 人尤其对视觉定位的精度有很高的要求。但是 目前高端视觉系统只能做到毫米级定位，普通 的机器人只能达到厘米级定位，在精度上还有 很大的发展空间。另外，在视觉系统的配套上 元的图像数据进行实时的存储，并在图像处理 软件的支持下进行图像处理。图像处理系统可 由ＦＰＧＡ或ＤＳＰ等高速数字处理器件来完成 图像处理，用户可在ＰＣ机上离线编写Ｃ语言 或汇编应用程序，或通过模块设计的专用软件 机存储、处理和识别，根据各种目的输出处理 后的结果。在早期，由于微型计算机的内存容 量太小，价格也较高，因此往往另加一个图像 存储器来储存图像数据。现在除了某些大规模 视觉系统之外，一般都使用微型计算机或小型 还存在缺陷，视觉系统的输出能否提供更多的 用途，这对于丰富机器人的功能有着巨大的意 设计检测软件，并在ＰＣ机上调试成功后下载 到视觉传感器中。 计算机．即使是微型计算机，也能够用内存来 存储图像了。为了存储图像，可以使用硬盘或 其他储存设备。在图像的显示方面，除了显示 义，在这方面还值得研究者持续探索。 ２．３控制装置和光源控制器 机器人的视觉系统直接把景物转化成图 像输入信号，类似于人眼成像原理，光源足够 的情况下才能清楚地看见物体，因此取景部分 参考文献 ［１】林义闽，吕乃光，娄小平，董明利．用 于弱纹理场景三维重建的机器人视觉系 统［Ｊ】．光学精密工程，２０１ ５，２ ３（０２）：５４０— ５４９． 器上输出图形之外，还可以用打印机或绘图机 来输出图形。 硬件只是视觉系统的基础，想要实现若 干视觉功能，图像处理软件也是不可或缺的。 在机器视觉系统中，硬件捕捉的图像需要经过 软件的处理才能得到最终的结果，这个图像处 应当能根据具体的情况自动调节光源的亮度和 光圈的焦点，以便得到高质量且清晰图像，一 般通过调整以下几个过程实现： 【２】谢剑斌等．视觉机器学习２０讲【Ｄ】．北京： 清华大学出版社，２０１ ５． ［３】吕学智．基于双目视觉的爬壁机器人环境 检测技术研究［Ｄ】．扬州：扬州大学，２ ０１４． 【４］景敏．基于机器视觉技术的螺纹识别系统 （Ｊ１．光电技术应用，２０１ ３，２８（０５）：６－９． 理过程主要依赖于图像处理软件，一般包括图 像的增强、平滑、分割、特征提取、识别与理 解等功能。同时，视觉软件系统类似电脑的操 作系统，可以不断更新换代从而适应各种应用 环境。 （１）焦点能自动对准被观测的物体，也 就是自动对焦； （２）根据光线强弱自动调节光圈，也就 是自动亮度调整； （３）自动转动摄像机，使被观测物体位 于视野的： ３机器人视觉技术的应用和未来 机器人的视觉系统凭借其高精度、高可 作者简介 付旭程（２ ００１一），男，河北省衡水市人。现 （４）调节光源的方向和强度，使目标物 体观测得更清楚。 为河北省衡水市枣强县中学学生。 靠性和高集成度被广泛地应用于各种机器人设 备中，就其实现的功能来看，主要有以下几种： ３．１视觉定位 ２．４计算机处理系统 由视觉传感器得到的图像信息要用计算 作者单位 河北省衡水市枣强县中学 河北省衡水市 ０５ ３１ ００ ｉ００·电子技术与软件工程Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
