機(jī)器人幾種視覺傳感器的簡介及應(yīng)用

　　目前，在全世界的制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在生產(chǎn)中起到了越來越重要的作用。為了使機(jī)器人能夠勝任更復(fù)雜的工作，機(jī)器人不但要有更好的控制系統(tǒng)，還需要更多地感知環(huán)境的變化。其中機(jī)器人視覺以其信息量

　　大、信息完整成為最重要的機(jī)器人感知功能。

　　機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)是機(jī)器視覺和機(jī)器人控制的有機(jī)結(jié)合，是一個非線性、強(qiáng)藕合的復(fù)雜系統(tǒng)，其內(nèi)容涉及圖象處理、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)、控制理論等研究領(lǐng)域。隨著攝像設(shè)備性能價(jià)格比和計(jì)算機(jī)信息處理速度的提高，以及有關(guān)理論的日益完善，視覺伺服已具備實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)條件，相關(guān)的技術(shù)問題也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

　　機(jī)器人視覺是使機(jī)器人具有視覺感知功能的系統(tǒng)。機(jī)器人視覺可以通過視覺傳感器獲取環(huán)境的一維、二維和三維圖像，并通過視覺處理器進(jìn)行分析和解釋，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為符號，讓機(jī)器人能夠辨識物體，并確定其位置及各種狀態(tài)。機(jī)器人視覺視覺側(cè)重于研究以應(yīng)用為背景的專用視覺系統(tǒng)，只提供對執(zhí)行某一特定任務(wù)相關(guān)的景物描述。機(jī)器人視覺硬件主要包括圖像獲取和視覺處理兩部分，而圖像獲取由照明系統(tǒng)、視覺傳感器、模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器和幀存儲器等組成。根據(jù)功能不同，機(jī)器人視覺可分為視覺檢驗(yàn)和視覺引導(dǎo)兩種，廣泛應(yīng)用于電子、汽車、機(jī)械等工業(yè)部門和醫(yī)學(xué)、軍事領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用多采用光電傳感器、視覺傳感器或者視覺系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。光電傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，但是功能十分單一；基于PC機(jī)的視覺系統(tǒng)具有靈活的配置，并且具有優(yōu)秀的處理性能和擴(kuò)展能力，適合于各種視覺應(yīng)用，但是系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，開發(fā)周期長，價(jià)格也昂貴。視覺傳感器則具有價(jià)格適中、開發(fā)簡單、體積小巧、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　視覺傳感器通常是指綜合了光學(xué)設(shè)備功能和圖像處理功能的獨(dú)立傳感器，它在保持靈活性的同時(shí)提供準(zhǔn)確的決策結(jié)果。視覺傳感的工作原理如圖1所示，其工作流程分為三步。采集：攝像頭捕獲對象或者對象上某一部分的圖像；分析：圖像傳輸?shù)酱鎯ζ髦羞M(jìn)行處理、分析并和預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行比較；決策：傳感器基于用戶設(shè)定的容錯參數(shù)進(jìn)行決策，最后輸出結(jié)果。

　　視覺傳感器與光電傳感器的傳感模式相同，只是前者需要外置的光源。但是光電傳感器只能產(chǎn)生一束光，即只能檢測某一個點(diǎn)；而視覺傳感器可以檢測某一個區(qū)域并產(chǎn)生數(shù)以千計(jì)的像素，而且通過調(diào)節(jié)傳感器鏡頭可以改變檢測區(qū)域的大小，在多點(diǎn)檢測應(yīng)用場合下只能使用視覺傳感器。視覺傳感器還擁有很強(qiáng)的分析能力。它可以分析圖像的形狀、大小和位置，能廣泛應(yīng)用于測量應(yīng)用、模式匹配和視覺運(yùn)動導(dǎo)向。視覺傳感器也具備強(qiáng)大的通訊功能，它不僅能夠輸出數(shù)字信號和模擬信號，也可以通過串口VGA（Video Graphics Array）接口或以太網(wǎng)口等標(biāo)準(zhǔn)通訊口傳輸大量數(shù)據(jù)，包括被檢測部件的特征信息和數(shù)字圖像等等。當(dāng)然，完善的視覺系統(tǒng)具有性能更高的硬件和通用性更好的軟件。 PC架構(gòu)的圖像處理系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其通用性、可擴(kuò)充性、靈活性上。在一些高速（100幀以上）、高分辨率（百萬像素以上）或檢測算法復(fù)雜、需要大存儲器的應(yīng)用場合，視覺傳感器有時(shí)就難以勝任。但是，視覺系統(tǒng)價(jià)格昂貴，軟件需要定制，其開發(fā)工作復(fù)雜，開發(fā)周期長，從而限制了它的應(yīng)用場合。

　　圖1 視覺傳感器工作流程

　　Fig. 1 Work flow of vision sensors

　　視覺傳感器并非為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它易于從一個應(yīng)用移植到另一個應(yīng)用，而且視覺傳感器的設(shè)置、組態(tài)和支持都非常簡單，生產(chǎn)線上的人就可以完成這些工作。隨著微處理器、DSP、FPGA運(yùn)算能力的增強(qiáng)，存儲器集成度增加和成本的降低，視覺傳感器檢測軟件的功能不斷豐富，視覺傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，已經(jīng)逐漸進(jìn)入了原PC架構(gòu)的圖像檢測領(lǐng)域，如精密測量、質(zhì)量檢測、零件分類及定位等。