基于機器視覺的機器人伺服控制系統

　　摘要：隨著科學技術的發展，我國的機器人技術有了很大進展。機器人系統重要的控制手段是視覺伺服控制。視覺伺服控制技術由于其良好的性能以及應用的廣泛性和方便性，成為了機電一體化領域研究的熱點之一。本文闡述了視覺系統中視覺反饋與噪聲處理問題，展望了對未來的研究方向，它有望成為機器人在動態可變環境下應用的重要支撐技術。

　　關鍵詞：工業機器人;視覺伺服;圖像處理

　　引言

　　經濟全球化模式快速發展的今天，傳統制造業的產業結構已不能滿足我國快速發展的經濟需求，對產業結構進行調整和升級已成為傳統生產制造行業發展的共識，而研發具有感知、決策并能自動執行的工業機器人等智能制造裝備則是產業轉型的關鍵。機器視覺技術利用工業相機代替人眼對目標進行識別，跟蹤和測量，將其與工業機器人集成，可使機器人具備感知與決策能力，并引導機器人做出正確的動作，發展前景非常廣闊，也是智能機器人研究的重要領域。

　　機器人論文投稿刊物：《機器人技術與應用》(雙月刊)1988年創刊，是公開發行的科技刊物，國際機器人聯合會會員單位，在國內自動化領域享有很高的聲譽，國外亦有一定的影響。本刊主要報道工業自動化和機器人領域的相關理論、技術與應用等方面的最新進展情況，涵蓋面廣，集知識性與趣味性于一體，具有很強的技術性和可讀性。

　　1機器人視覺伺服系統

　　上世紀七十年代末期誕生了機器人視覺伺服系統，這種伺服系統的誕生主要是為了可以改善機器人運動過程中，難以掌握的靈敏度以及控制環節的復雜性。機器人視覺的伺服系統，其控制過程主要是通過相關的視覺傳感裝置，進而采集機器人希望獲取的外部相關數據，在將數據及時有效的傳遞給機器人控制裝置，實現讓機器人依據所采集數據調整動作，以及定位追蹤的目的。

　　2視覺伺服控制系統設計

　　2.1系統構成

　　控制模塊主要包括FANUCR-1000iA_100F機器人及機器人控制器、控制傳送帶電機的運動控制器與真空吸盤夾手控制模塊組成;視覺測量模塊包括攝像機與視覺測量軟件兩部分。控制模塊與視覺測量模塊之間通過工業以太網在工控機進行數據傳輸與通訊。視覺測量模塊由外部信號控制并完成工件的圖像，并通過工業以太網傳輸到工控機進行處理。工控機作為系統的人機交互窗口，其主要負責對相機捕獲的部品圖像進行分析處理，并通過相應的控制算法實現目標工件的外部特征識別、孔位定位及抓取坐標轉換過程，同時負責將圖像處理后的中心坐標輸出結果傳送到機器人控制柜。機器人控制柜通過與工控機建立通訊連接，接受工控機輸入的參數數據，經過機器人運動學逆解過程，最終完成機器人末端執行器抓取。

　　2.2視覺系統中噪聲的處理

　　視覺系統的噪聲主要來自于相機感光元件的噪聲和視覺處理算法的誤差,對控制系統性能有較大影響。視覺系統噪聲的處理可以從以下3個方面入手：(1)設計魯棒的特征提取算法。圖像噪聲對圖像特征的提取影響較大，尤其是基于像素梯度的局部圖像特征，會出現特征點的誤提取和誤匹配，直接導致系統狀態變量的誤差，對控制系統的穩定性有很大的影響。常用的去除例外點的方法有RANSAC算法、霍夫變換、最小二乘法以及M-estimators算法等。(2)使用觀測器降低噪聲的影響。對于含有噪聲的特征向量,可以利用觀測器對其狀態進行觀測降低噪聲的影響。常用的方法有Kalman濾波、粒子濾波等。另外，在有些控制器中需要利用圖像空間中的速度信息，由于圖像采樣頻率較低且噪聲較大，數值微分的方法存在較大的誤差，此時也可以利用觀測器對其進行估計。

　　2.3機器視覺系統程序設計

　　機器視覺系統程序設計主要利用X-SightStudio軟件，針對智能相機進行程序編制，主要任務為給定棋子提取圖案輪廓特征與腳本程序的編寫。編好腳本程序后，利用X-SightStudio軟件圖案定位工具，將相機拍攝到的已知的七種不同類型的象棋提取其模板，并設定其待搜索區域圖像的特征，再將特征進行匹配，從而計算出模板和對象之間的幾何位姿關系。在X-Sight中添加自定義工具，借助C語言編輯視覺腳本程序，腳本中需要給圖案定位出來的特征結果定義名稱，即定義出相、將、士、卒、車、炮和馬，同時要求能夠做到對各象棋棋子種類和數量的精確識別。

　　2.4圖像處理

　　視覺伺服控制系統的目標工件定位就是標工件識別以后的位置和姿態進行確定，以引導機器人后續的目標抓取與目標跟蹤任務。視覺伺服控制系統要求有較快的圖像處理速度，結合已知的目標工件特征和單一的背景信息，提取出目標工件相對于機器人基礎坐標系的位置信息。

　　2.5PLC程序設計

　　PLC程序包括兩個部分：一是點動控制部分，要求設置點動PLC控制翻轉棋盤、恢復棋盤、啟動、急停以及XYZ正負向的點動運動方式，同時在急停狀態下，無法啟動使能控制按鈕;二是自動運行部分，即在PLC自動控制過程中，經通信獲取棋子等信息后，首先機械臂回零，然后依次按照機械臂運動抓取、擺放的流程運行即可，在整個運行過程中實時監控，當出現錯誤時能及時報警發出警告。

　　3測試與分析

　　首先利用TW組態編輯的象棋排布界面，人機面板上的象棋種類有將、象、士、馬、車、炮和卒，且各棋子可移動數量只有一枚，通過手指觸摸移動棋盒里的象棋到棋盤上的點處。PLC通過操作面板發來的排布方案，篩選出最終所要移動的棋子，包括數目和類別信息，同時提取象棋面板上排布的位置信息，然后對于由相機通信傳輸過來的隨機給定棋子信息，依次篩選出所需要移動棋子在實物棋盒中的信息(包括象棋類別、數目和相機坐標系下的坐標位置)。

　　信捷RC2型PLC中因為本身有攜帶負責相機坐標與機械臂所處機械坐標轉換的算法，故而在信息篩選并參與本身的算法運算之后，可以得到基于機械臂所處機械坐標系下棋子的位置信息，然后發出指令使得PLC程序執行，PLC把執行程序的操作指令傳給伺服驅動器，伺服驅動器驅動伺服電機，帶動機械臂按操作順序，從棋盒里抓取棋子然后放置在棋盤上，執行完畢，機械臂端點回零，棋盤執行翻轉，然后數據信息清除，設備自行還原，等待新的人機界面操作內容。

　　4機器人視覺伺服控制應用存在的問題及解決方案

　　現如今機器人視覺伺服控制應用存在的問題可以分為兩類：一是時間長，就是信息采集時間長，圖像成像處理時間長。這種時間長速度慢的問題主要會致使機器人響應慢，以及導致計算機處理數據慢。二是不穩定，主要是圖像處理、計算機運算不穩定，主原因是機器人體積過大，運行起來有誤差以及由于光源強度不夠，致使圖像清晰度低。面對上述問題，可以從控制原理為切入點，選擇最合適的CCD圖像傳感器以及圖像采集卡，根據設計需要合理選擇圖像處理軟件，以求達到最靈敏的視覺控制系統。另外由于機器人是工業控制機構，客戶在采購機器人時追求的是其實用性，所以好的視覺伺服控制系統更應該符合實際需要。

　　結語

　　綜上所述，以往關于視覺伺服的研究主要集中在簡單靜態環境下的視覺伺服任務，這在機器人的實際應用中是遠遠不夠的。機器人任務的復雜性、靈活性和可靠性要求對視覺伺服控制的研究提出了進一步的需求。目前人工智能的發展遠未成熟，用機器完全代替人的工作還為時尚早。機器人在執行復雜任務時會遇到一些不可預見的情況，因此有必要加入人的控制行為與機器協作完成任務。

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　　作者：李志凌李付安生邵星宇唐余洲邊云鵬

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