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加工中心上下料視覺作業(yè)引導(dǎo)方法研究
閱讀：133 發(fā)布時(shí)間：2020-8-11文章預(yù)覽：
我國(guó)的視覺機(jī)器人發(fā)展相對(duì)國(guó)外比較緩慢，真正開始研發(fā)開始于上世紀(jì)80年代末期，_開始是在科研能力上借助他人的成果進(jìn)行模擬，隨著改革開放的實(shí)施，引入了相當(dāng)多的國(guó)外人才，這些為視覺機(jī)器人的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[1]。目前我國(guó)的視覺機(jī)器人還處于研發(fā)階段，在一些高校和企業(yè)中有不少的研究成果，但是在市場(chǎng)生產(chǎn)和應(yīng)用中還沒有一套真正屬于自己的系統(tǒng)。
在我國(guó)，雖然對(duì)于不同領(lǐng)域的機(jī)器人已經(jīng)開始推廣應(yīng)用，但很多都是在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)或進(jìn)行二次開發(fā)，總體的研究水平仍和國(guó)外存在一定的差距,視覺機(jī)器人更是處在研究的初級(jí)階段，因此，對(duì)于視覺機(jī)器人的研究、開發(fā)和使用具有重要的意義。
本文研究的意義在于從“機(jī)器換人"的思想角度出發(fā)，將視覺與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合起來應(yīng)用于加工中心上下料系統(tǒng)，以此來適應(yīng)對(duì)多樣化工件的加工，為了滿足不同環(huán)境下的生產(chǎn)工作，把視覺傳感器置于機(jī)器人末端執(zhí)行器部位，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)和實(shí)時(shí)分析，從而提高生產(chǎn)效率和靈活性，為工人減輕工作壓力，同時(shí)推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展。
1整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)通過視覺引導(dǎo)機(jī)器人完成工件的上下料過程，首先需要圖像傳感器先獲取到由傳送帶傳輸過來的工件的位置,然后通過對(duì)圖像的處理分析，得到工件的形狀和準(zhǔn)確位置，通過笛卡爾坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，獲取工件在世界坐標(biāo)系下的位置,再通過機(jī)械手的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓取工作。
其中，傳輸系統(tǒng)主要包括傳送帶裝置；圖像處理系統(tǒng)主要包括補(bǔ)償光源，圖像傳感器以及負(fù)責(zé)圖像分析的計(jì)算機(jī)算法技術(shù);機(jī)械手系統(tǒng)主要包括機(jī)械手本身，與之相匹配的控制柜，和負(fù)責(zé)抓取工件的夾具;為了滿足不同種類的工件，末端夾具采用了快換裝置,方便替換不同夾具來抓取工件。具體布局如圖1所示。
2視覺工作原理及攝像機(jī)的標(biāo)定
2.1視覺工作原理
通過對(duì)視覺系統(tǒng)的研究可以讓機(jī)器人能夠像人一樣“看"清對(duì)象，并了解作業(yè)對(duì)象，對(duì)被加工對(duì)象有比較直觀的認(rèn)識(shí)，從而更好的適應(yīng)多變的工作環(huán)境。計(jì)算機(jī)的視覺定位是根據(jù)“尋位-加工"的方法實(shí)施的，其中“尋位"是模仿人去識(shí)別感興工件在空間中的相關(guān)信息,通過計(jì)算系統(tǒng)建立仿生視覺模型進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和處理。
計(jì)算機(jī)的視覺系統(tǒng)包括工件狀態(tài)的捕獲和對(duì)圖像的計(jì)算，根據(jù)得到的結(jié)果完成信息的傳輸。其中圖像的獲取主要包括光照的補(bǔ)償、CCD相機(jī)和配套的鏡頭等設(shè)備；圖像的分析處理一般是通過相關(guān)的算法在軟件中完成;結(jié)果的顯示是通過顯示設(shè)備顯示經(jīng)過處理后的特征圖像。信息的傳輸是把得到的位姿信息傳送給相關(guān)的執(zhí)行設(shè)備，終完成動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。
目前的視覺研究中，雙目視覺的研究過程存在空間匹配難、可視區(qū)域小等特點(diǎn)，在單目視覺中卻不需要考慮這些,而且單目視覺相比立體視覺的標(biāo)定步驟少，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也不繁瑣。單目視覺定位的方式有:幾何光學(xué)法、幾何形狀約束法、輔助棒間接測(cè)量法、激光輔助測(cè)距法等。因?yàn)橐曈X傳感器在結(jié)構(gòu)上受到一定的限制,所以上述大多數(shù)方法只有在對(duì)固定的被測(cè)物體進(jìn)行近距離成像的條件下才會(huì)有效。而且單目視覺定位系統(tǒng)不用考慮雙目攝像機(jī)之間距離的約束，所以在實(shí)際的工作壞境中適用性更好。
視覺定位系統(tǒng)完成上下料工作過程圖如圖2所示。
2.2攝像機(jī)的標(biāo)定
對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定是機(jī)器視覺作業(yè)中非常必要的問題，
這是獲取相機(jī)幾何參數(shù)的過程。從拍攝的圖像出發(fā)，計(jì)算物體的相關(guān)信息并重建物理模型，物體和圖像之前的關(guān)系是由相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)聯(lián)合決定的。對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的步驟就是尋找圖像和物體的對(duì)應(yīng)關(guān)系的過程。相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)是指決定了相機(jī)的理想成像和實(shí)際成像之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的相關(guān)信息;相機(jī)的外部參數(shù)主要包括相關(guān)的變換矩陣[2]。 圖2視覺引導(dǎo)系統(tǒng)工作流程固
目前存在的相機(jī)標(biāo)定技術(shù)根據(jù)方法不同主要分為三種:第一種是傳統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定法;第二種是主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定法;第三種是相機(jī)的自標(biāo)定法。傳統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定法是根據(jù)已知物體的形狀和幾何參數(shù)，通過相關(guān)的計(jì)算，得出相機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)，這種標(biāo)定方式適用范圍廣，而且標(biāo)定的精確度高，但標(biāo)定步驟繁瑣；主動(dòng)視覺相機(jī)標(biāo)定法需要先取得某些動(dòng)態(tài)參數(shù)，通常能夠進(jìn)行線性運(yùn)算，有較高的魯棒性，但不適用于相機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)未知的情況;相機(jī)的自標(biāo)定法是通過多個(gè)圖像之間存在的某種關(guān)聯(lián)進(jìn)行標(biāo)定，雖然比較靈活，但該方法是非線性標(biāo)定，而且它的魯棒性不好。
在進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定之前，還需要先研究相機(jī)的成像模型，一般選用理想的針孔模型為例，這也是相機(jī)成像模型中的成像方式，如圖3所示。
因?yàn)閳D像處理的終目的是要獲取感興對(duì)象的形狀和位姿，所以建立了如圖3所示的相關(guān)坐標(biāo)系。
① 像素坐標(biāo)系(〇uv):它是用于描述像素位置所使用的坐標(biāo)系。相機(jī)獲取的圖像終是以MxN形式的數(shù)組進(jìn)行存儲(chǔ)的，像素的數(shù)值在圖像上表現(xiàn)為該點(diǎn)的亮度，像素坐標(biāo)系的建立如圖中所示。
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結(jié)束語：
本文首先設(shè)計(jì)出了由視覺引導(dǎo)的加工中心上下料系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu),然后根據(jù)攝像機(jī)的工作原理，對(duì)選用的攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,通過計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行相關(guān)的處理，終得到工件在工作環(huán)境中的具體位姿,終引導(dǎo)機(jī)器人完成工件的上下料工作。