智能機(jī)器人視覺傳感器的技術(shù)和應(yīng)用

一種新型的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)走到行業(yè)的前沿， 他們的主要特點(diǎn)是能夠安全地協(xié)助人類工作。在網(wǎng)上有很多人談?wù)撍鼈?，但你認(rèn)真了解過它嗎？

在2008年，很多人愛它們只是處于好奇心。在2012年，機(jī)器人被視為時(shí)尚。但在2013年，一大批競爭對手開始了他們的機(jī)器人時(shí)代，并進(jìn)入了人工智能戰(zhàn)場。機(jī)器人成為最熱門的話題之一，也是許多媒體一直關(guān)注的焦點(diǎn)，現(xiàn)在，很多人會(huì)說，機(jī)器人是我們的未來。一系列機(jī)器人進(jìn)入制造業(yè)。

關(guān)于機(jī)器人視覺傳感器傳感技術(shù)是現(xiàn)金機(jī)器人的三大要素（感知、決策和動(dòng)作）之一，工業(yè)機(jī)器人根據(jù)完成的任務(wù)不同，配置的傳感器類型和規(guī)格也不同。通常根據(jù)用途的不同，機(jī)器人傳感器可以分為兩大類：用于檢測機(jī)器人自身狀態(tài)的內(nèi)部傳感器和用于檢測機(jī)器人相關(guān)環(huán)境參數(shù)的外部傳感器。今天分享的內(nèi)容是，機(jī)器人外部傳感器中的---視覺傳感器，也就是機(jī)器人的“眼鏡”。

機(jī)器人有“眼睛”，這對于我們來說，是非常重要的。人類從外界獲得的東西大多數(shù)是由眼鏡得到的，人類視覺細(xì)胞的數(shù)量是人類聽覺細(xì)胞數(shù)量的三千多倍，是皮膚感覺細(xì)胞的100多倍。如果要賦予機(jī)器人較高級(jí)的智能，機(jī)器人必須通過視覺系統(tǒng)更多的獲取周圍世界的信息。例：機(jī)器人視覺的典型應(yīng)用：焊接機(jī)器人用視覺系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)定位視覺系統(tǒng)導(dǎo)引機(jī)器人進(jìn)行噴涂作業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人用視覺系統(tǒng)導(dǎo)引電磁吸盤抓取工件

機(jī)器人的視覺必須能理解三維空間的信息，即機(jī)器人的視覺與文字識(shí)別或者圖像識(shí)別是有區(qū)別的，需要進(jìn)行三維圖像的處理。因?yàn)橐曈X傳感器只能得到二維圖像，從不同角度上看同一物體，得到的圖像也不同；光源的位置不同，得到的圖像的明暗程度與分布也不同。為此，人們采取了很多措施來解決這個(gè)問題，并且為了減輕視覺系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，盡可能地完善外部環(huán)境條件，加強(qiáng)視覺系統(tǒng)本身的功能和使用較好的方法進(jìn)行信息處理。1、視頻攝像頭2、光電轉(zhuǎn)換器件（CCD傳感器、MOS圖像傳感器）3、PSD傳感器4、形狀識(shí)別傳感器5、工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)（工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)的基本原理、利用視覺識(shí)別抓取工件的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)）

機(jī)器人的“眼睛”實(shí)際上“看不到”任何東西。只是機(jī)器人被嵌入了視覺傳感器。能夠掃描周圍環(huán)境，判斷是否有障礙物。遇到人類或障礙物的時(shí)候機(jī)器人能夠減速或停止。隨著越來越多的機(jī)器人進(jìn)入工廠車間，它的安全問題仍然是一個(gè)主要關(guān)注問題。機(jī)器人和安全相輔相成。你不能在沒有減輕傷害風(fēng)險(xiǎn)的情況下進(jìn)行人機(jī)協(xié)作。如果您的機(jī)器人正在操縱鋒利的對象，那么在沒有采取保護(hù)性安全措施的情況下，其旁邊有一個(gè)人是不安全的。另一種情況是機(jī)器人是否正在處理重物，如果物體掉落或以特定速度成為射彈，則會(huì)造成傷害。為了讓人們在這些機(jī)器人周圍感到安全，我們需要了解機(jī)器人接下來要做什么。低成本，自動(dòng)化是真正的機(jī)器人。工廠通過添加機(jī)器人，使工廠能夠以相同數(shù)量的人實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)出，以最低的成本，達(dá)到最高的生產(chǎn)效率。結(jié)合機(jī)器人與自主移動(dòng)機(jī)器人，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，可穿戴設(shè)備和其他先進(jìn)技術(shù)，以配備智能，數(shù)字化工廠，你有一個(gè)娛樂的前進(jìn)的自動(dòng)化制造的未來。未來，機(jī)器人將與人類團(tuán)隊(duì)攜手合作，共同提高效率和生產(chǎn)力。

一、視覺傳感器概述

視覺傳感技術(shù)是傳感技術(shù)七大類中的一個(gè)，視覺傳感器是指：通過對攝像機(jī)拍攝到的圖像進(jìn)行圖像處理，來計(jì)算對象物的特征量（面積、重心、長度、位置等），并輸出數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果的傳感器。

二、分類

1、3D視覺傳感技術(shù)

3D視覺傳感器具有廣泛的用途，比如多媒體手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像、數(shù)碼相機(jī)、機(jī)器人視覺導(dǎo)航、汽車安全系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)像素分析、人機(jī)界面、虛擬現(xiàn)實(shí)、監(jiān)控、工業(yè)檢測、無線遠(yuǎn)距離傳感、顯微鏡技術(shù)、天文觀察、海洋自主導(dǎo)航、科學(xué)儀器等等。這些不同的應(yīng)用均是基于3D視覺圖像傳感器技術(shù)。特別是3D影像技術(shù)在工業(yè)控制、汽車自主導(dǎo)航中具有急迫的應(yīng)用。

2、智能視覺傳感技術(shù)

智能視覺傳感技術(shù)下的智能視覺傳感器也稱智能相機(jī)，是近年來機(jī)器視覺領(lǐng)域發(fā)展最快的一項(xiàng)新技術(shù)。智能相機(jī)是一個(gè)兼具圖像采集、圖像處理和信息傳遞功能的小型機(jī)器視覺系統(tǒng)，是一種嵌入式計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)。它將圖像傳感器、數(shù)字處理器、通訊模塊和其他外設(shè)集成到一個(gè)單一的相機(jī)內(nèi)，由于這種一體化的設(shè)計(jì)，可降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，并提高可靠性。同時(shí)系統(tǒng)尺寸大大縮小，拓寬了視覺技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

智能視覺傳感器的易學(xué)、易用、易維護(hù)、安裝方便，可在短期內(nèi)構(gòu)建起可靠而有效的視覺檢測系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)使得這項(xiàng)技術(shù)得到飛速的發(fā)展。

三、視覺傳感技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)

視覺傳感器的圖像采集單元主要由CCD/CMOS像機(jī)、光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和圖像采集卡組成，將光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，傳遞給圖像處理單元。通常使用的圖像傳感器件主要有CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器兩種。下面將介紹兩種傳感器的實(shí)現(xiàn)原理及優(yōu)缺點(diǎn)。

四、視覺傳感技術(shù)的應(yīng)用

1、汽車車身視覺檢測系統(tǒng)

車身成型是汽車制造的關(guān)鍵工序之一，對車身的各項(xiàng)指標(biāo)要求嚴(yán)格，需對車身進(jìn)行100%的檢測。傳統(tǒng)的車身檢測方法是利用三坐標(biāo)測量機(jī)，其操作復(fù)雜，速度慢，工期長，只能進(jìn)行抽檢。

通常，車身的關(guān)鍵尺寸主要是擋風(fēng)玻璃尺寸、車門安裝處棱邊位置、定位孔位置等。因此視覺傳感器分布于這些位置附近，測量其相應(yīng)的棱邊、孔、表面的空間位置尺寸。在生產(chǎn)線上設(shè)計(jì)測量工位，車身定位后，置于一框架內(nèi)，框架由縱橫分布的金屬柱、桿構(gòu)成，可根據(jù)需要在框架上靈活安裝視覺傳感器。根據(jù)測量點(diǎn)的數(shù)量可安裝相應(yīng)數(shù)量的視覺傳感器，（通常情況下每個(gè)視覺傳感器測量一個(gè)被測點(diǎn)），根據(jù)不同形式的傳感器包括雙目立體視覺傳感器、輪廓傳感器等多種類型。測量系統(tǒng)工作過程為：由生產(chǎn)線運(yùn)送車身到測量工位進(jìn)行準(zhǔn)確定位，然后傳感器按要求順序開始工作，計(jì)算機(jī)采集檢測點(diǎn)圖像并進(jìn)行處理，計(jì)算出被測點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，計(jì)算值與標(biāo)準(zhǔn)值比對，得出檢測結(jié)果，并將車身送出測量工位。

2、鋼管直線度、截面尺寸在線視覺測量系統(tǒng)

在工業(yè)生產(chǎn)中，無縫鋼管是一類重要的工業(yè)產(chǎn)品，而它的質(zhì)量參數(shù)則是制造的重要數(shù)據(jù)，其中鋼管的直線度及截面積是主要的幾何參數(shù)，是控制無縫鋼管制造質(zhì)量的關(guān)鍵，但由于以下原因使得參數(shù)的測量成為難題：（1）、無縫鋼管采取非接觸式測量，且制造現(xiàn)場環(huán)境惡劣；（2）、無縫鋼管的空間尺寸大，這也要求檢測系統(tǒng)具備很大的測量空間。視覺傳感技術(shù)的出現(xiàn)解決了上述問題，視覺傳感技術(shù)采用的是非接觸式測量且測量范圍大。

測量系統(tǒng)由多個(gè)結(jié)構(gòu)光傳感器組成，傳感器上結(jié)構(gòu)光投射器投射的光平面和被測鋼管相交，得到鋼管截面圓周上的部分圓弧，傳感器測量部分圓弧在空間中的位置。系統(tǒng)中每一個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)一個(gè)截面上部分圓弧的測量，通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法，由圓弧擬合得到截面尺寸和截面圓心的空間位置，由截面圓心分布的空間包絡(luò)，得到直線度參數(shù)。測量系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的控制下，可在數(shù)秒內(nèi)完成測量，滿足實(shí)時(shí)性要求。

3、三維形貌視覺測量

在三維形貌數(shù)字化測量技術(shù)是逆向工程和產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、管理及制造的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。它所實(shí)現(xiàn)三維形貌數(shù)字化測量的機(jī)理是將視覺非接觸、快速測量和最新的高分辨力數(shù)字成像技術(shù)相結(jié)合。由于所測量的物體多是大型、具有復(fù)雜表面的物體，測量通常分為局部三維信息獲取和整體拼接兩部分，先利用視覺掃描傳感器對被測形貌各個(gè)局部區(qū)域進(jìn)行測量，再采用拼接技術(shù)將各部分形貌進(jìn)行拼接最終得到完整圖像。

這項(xiàng)傳感器的視覺掃描測頭采用局域雙目立體視覺測量原理設(shè)計(jì)。形貌整體拼接實(shí)質(zhì)上是將所采集到的數(shù)據(jù)放到公共坐標(biāo)上，這樣就能得到整體的數(shù)據(jù)描述。通過高分辨率數(shù)碼相機(jī)從測量空間的上方以不同的角度和位置對被測量進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，運(yùn)用光束定向交匯平差原理得到控制點(diǎn)空間坐標(biāo)并建立全局坐標(biāo)系，最后通過各個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)、轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)拼接。

五、總結(jié)

視覺源于生物界獲取外部環(huán)境信息的一種方式，是自然界生物獲取信息的最有效手段，是生物智能的核心組成之一。人類80%的信息都是依靠視覺獲取的，基于這一啟發(fā)研究人員開始為機(jī)械安裝“眼睛”使得機(jī)器跟人類一樣通過“看”獲取外界信息，由此誕生了一門新興學(xué)科——計(jì)算機(jī)視覺，人們通過對生物視覺系統(tǒng)的研究從而模仿制作機(jī)器視覺系統(tǒng)，盡管與人類視覺系統(tǒng)相差很大，但是這對傳感器技術(shù)而言是突破性的進(jìn)步。視覺傳感器技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是圖像處理技術(shù)，通過截取物體表面的信號(hào)繪制成圖像從而呈現(xiàn)在研究人員的面前。視覺傳感技術(shù)的出現(xiàn)解決了其他傳感器因場地大小限制或檢測設(shè)備龐大而無法操作的問題，由此廣受工業(yè)制造界的歡迎。