高精度視覺識別與運動控制系統在科技館展品設計研發中的實踐運用

音袁 王家偉 劉立成 莊萬水

摘 要 本文基于高精度視覺識別與運動控制系統的理論基礎，針對機器人智能展品的發展現狀及原理方法等進行簡要論述。結合一種典型的實時智能機器人科普展品“冰球機器人”的研發成果，闡述工業數字高速攝像機視覺識別系統和伺服運動控制系統的運行原理及重要作用，擬開發一個完整的冰球機器人運動伺服平臺并實現實時智能控制，重點探討該機器人視覺系統的開發設計及技術重難點的解決方案，以期能為國內科技館同類科學展品的設計創新起到一定參考和借鑒作用。

關鍵詞 視覺識別系統 運動控制系統 人工智能 冰球機器人

0 引言

集成計算機高精度視覺識別系統與運動控制系統，是現階段智能設備設計與改造中的熱門應用技術之一，該系統通過計算機技術、自動控制技術和圖像采集處理技術，利用高清相機對目標進行尋找并驅動電機對執行機構采取運動控制，以實現對預定運動目標的處理，能夠大幅提高機器智能化水平，在工業生產和社會生活中被廣泛運用[1]。與此同時，通過科技館中的科普項目來展示相關復雜技術也成為一種易于被大眾接受的新型傳播途徑。

本文正是基于高精度視覺識別與運動控制系統的理論基礎，并以“冰球機器人”的研發成果為例，展示一種人工智能的，能夠感知、預測、決策和協調運動的，真正實現與人類體育競技對抗的自動化智能機器，以期能為科技館同類科學展品設計創新起到一定的參考和借鑒作用。

1 研究背景分析

機器人展品是科技館展品的重要組成部分之一。機器人技術融合了機械、電子、傳感器、計算機、人工智能等多學科知識，代表著機電一體化的最高成就，是目前科學技術發展最活躍的領域之一。在日本，人們認為機器人是任何高級的自動化機械;歐美國家則指出，機器人應該是有計算機控制的，通過編排程序具有可以變化的、多功能的自動化機械[2]。國際標準化組織給機器人下的定義為：一種可編程和多功能的用來搬運材料、零件、工具的操作機或是為了執行不同任務而具有可改變的、可編程動作的專門系統[3]。

通過對國內外50多家大型科技場館進行問卷調查統計，了解到80%以上的觀眾對機器人技術充滿期待和興趣，特別是機器人的高精度、靈活性技術，機器人平衡技術，仿生機器人技術，擬人型機器人等受到廣大觀眾的關注[4]。但是，目前科技館行業同類機器人互動方式的產品一般采用機械臂形式，成本高、無機械傳動機構，無法體現機電軟件一體化的科普功能，且存在表現形式落后、缺乏互動性和創新性等諸多問題，難以滿足公眾探索機器人技術的興趣和愿望，也無法系統展示機器人技術的構成和發展[5]。因此，探索機器人展品研發規律具有十分重要的現實意義。

2019年第九屆蕪湖科博會中，全新優化設計的冰球機器人首度亮相，得到業內人士和市民群眾的廣泛關注。本展項為人機互動的競技游戲裝置，冰球機器人通過捕捉冰球運動位置，實時計算出預測的軌跡并即刻做出相對的反應。當參與者按下“開始”按鈕后便可取出冰球開始擊球，同時相機高速檢測冰球位置，記錄當前時間和位置;連續記錄3個位置后，AI系統計算出冰球的運動速度和方向，結合電機的位置和運動速度，計算出最佳碰撞點和碰撞時間，驅動電機動作;冰球進入對方球門后，傳感器做出判斷得分并顯示到屏幕上，冰球則通過回球軌道落回到指定位置，方便參與者取出;當得分達到設定規則要求后，比賽結束，系統顯示比賽結果。

目前國內科技館中大多數機器人都是通過表演動作來展示效果，形式較為單一[6]，而本裝置基于高精度視覺識別與運動控制系統，通過參與者直接和機器人進行人機交互趣味比賽，讓觀眾更直觀感受到機器人的運動控制和處理能力，驚嘆于冰球機器人精準動作的神奇之處。如此，通過機器人展品將觀眾單一的輸入導出為多種輸出，使展品本身具備更持久的生命力。

2 展項基本描述

冰球機器人是一個集高精度視覺識別、人工智能和高速運動控制于一體的互動科普裝置，主要由臺體、冰球機器人、防護機構組成，它利用外部感知技術實現機器人動作控制。觀眾手持互動裝置，點擊開始按鈕，與機器人開始冰球對戰，同時屏幕顯示對戰時間和得分情況。利用2臺伺服電機、運動軌道、1臺工業相機和上位機組成控制系統，采用氣浮臺面模擬實際冰球低摩擦運動，結合燈光、回球軌道、臺體和半封閉防護罩組成一個冰球機器人。比賽時機器人通過工業相機識別跟蹤冰球動作，通過AI計算判斷出最佳擊球位置、時間和速度，控制擋塊準時運行至指定位置將球擊回，當傳感器檢測到球進球門后回合結束，從而完成一場冰球比賽過程。

如圖1所示，參觀者參與時，通過點擊開始和難易程度按鈕，啟動游戲，然后手拿擊球器將球片擊打向機器人方向，系統攝像頭將采集球片數據，并通過算法控制機構動作，將球準確無誤擊回參與方，以此反復，直至一方進球，球片通過回收機構轉至臺體前端，參與者拿起球片進行下一場比拼。當單方進球滿5個時，則游戲結束，顯示屏實時顯示擊球軌跡畫面和得分情況。

[圖1 冰球機器人展品效果圖]<O：＼Macfile-f＼CY＼2019年＼科學教育與博物館＼2019-5＼圖＼高精度視覺識別-1.tif>

如圖2所示，本展品包括七個部分，主要模塊名稱分別為：冰球互動擊球機構、球片浮動平臺、球片回收機構、攝像頭采集部分、計算機部分、顯示器部分、多媒體部分。攝像頭部分進行球片運動軌跡采集并輸入計算機部分，計算機部分控制冰球互動擊球機構進行擊球，并將得分結果輸出到顯示器部分。球片在浮動平臺上小阻力運動，并通過球片回收機構回收至臺體前端。

如圖3所示，冰球互動擊球機構由伺服電機、同步帶、X向滑軌、Y向滑軌、擊球部分、主動輪、張緊從動輪、換向輪等部件構成。機構啟動時，左右伺服電機帶動主動輪轉動，擊球部分在同步帶的帶動下，通過從動輪和換向輪實現動作。機構通過左右電機的轉向和速度差值實現擊球部分的X向、Y向、斜向運動，并結合程序算法實現互動擊球。

計算機部分由計算機、電機控制器構成。計算機通過攝像頭采集數據，運用算法控制伺服電機的啟動與停止。攝像頭采集部分由攝像頭、攝像頭固定支架組成。攝像頭對運動中的球片進行圖像采集，并將數據輸入到計算機，計算機中的程序通過算法算出球片運動軌跡。顯示器模塊，顯示器模塊顯示當前互動游戲的得分情況。

本展項設計特點：（1）利用高速工業相機動態跟蹤冰球運動;（2）根據三點計算冰球運動軌跡，計算出冰球的速度和方向;（3）采用補光技術，降低外界光源對冰球識別造成的影響;（4）采用半封閉結構，運動控制部分和參與者隔離開，安全性高;（5）采用CoreXY連接方式組合2臺伺服電機，結構簡潔，運行速度快;（6）采用氣浮機構消除桌面摩擦力，模擬冰球真實動作。

3 原理闡釋與難點解決

冰球機器人主要由機械運動機構、伺服運動控制系統和視覺系統構成，是一個以CoreXY結構為主體的機器人，它利用工業數字高速攝像機視覺系統，對桌面圖像實時監測，利用圖像處理技術鎖定冰球的坐標位置，通過不同時刻圖像的差異比對，計算出冰球的運動軌跡并推導出冰球的運動方向，然后由伺服運動控制系統控制機械臂高速并準確的移動到預計位置上攔截并擊打冰球，實現冰球桌面互動的人機對戰。

經研發團隊經測試，預估觀眾擊球的速度可達到5 m/s以上，臺面的總長度是1.2 m，觀眾操作區域長度是0.4 m，實際機器人監控有效區域是0.8 m，所以當觀眾擊球后，機器人從識別冰球到反擊成功的最大時間只有0.16 s。若要冰球機器人贏球，那么對其快速定位和運算識別功能則有很高的要求，亟待解決的就是電機運動速度跟不上、識別速率較慢、吹風不均勻導致桌面阻力大等難題。

通過反復的性能提升與方法改進，研發團隊采用USB 3.0高清工業相機，最高速度達210 fps（每秒幀數），圖像清晰度高，輔以采用OpenCV 3.0專業圖像處理技術，采用金字塔法同時生成一張大圖和一張小圖，結合幀差法，在小圖中快速識別運動物體，確定運動范圍，并在此范圍內通過在大圖來識別定位冰球的精確位置。利用金字塔法，則可在實現冰球快速定位的同時還能保證識別精度。另外，將工業相機安裝在臺面正上方，周圍布置了補光系統，降低外界光線對冰球識別的干擾。經試驗，在相機采集過程可以同步實現冰球定位，識別速度達到相機最高速度110 fps，也就是機器人不到0.01 s就能捕捉畫面、找準冰球，再計算出反擊位置，并控制電機的運動速度和軌跡，進行擊球，如圖4所示。

除了高精度視覺識別系統，還需要準確快速的運算控制系統——建立冰球運動模型，結合相機定位冰球實際運動位置，計算其運動軌跡并快速做出反應。冰球機器人采用CoreXY連接方式組合2臺伺服電機，結構簡潔，運行速度快，由于通過運動控制卡直接控制電機，進一步消除計算機與電機通訊延時。如，以計算出球位置到機器人擊球位置距離0.6 m，冰球速度2 m/s為例，時間差10 ms，末端距離差20 mm，識別角度偏差1度末端誤差就是10 mm。同時，還可通過設置電機最大運動速度和反擊位置選取方法，來改變游戲模式的難易程度。

此外，冰球臺面排列許多整齊的氣孔，系統工作后有氣流噴出，而冰球下方為凹面，氣流沖擊凹面時就可以將冰球浮在臺面上，消除了臺面與冰球的摩擦力，即可真實模擬實際冰球在冰面上的光滑運動，大大減少了運動阻力。同時，安全性也是展品展項設計中的必備要素。本展項整體采用半封閉結構，將包含運行軌道的運動控制部分用鋼化玻璃進行封閉，只留縫隙供冰球運動，防止高速運動的機構撞擊到參與者，消除安全隱患。

我們通過機器人技術互動體驗系列展品展示關鍵技術研發，探索出機器人展品研發應遵循的普遍規律總結如下：（1）充分做好現狀調查，理清機器人技術的發展方向和科技館目標需求，確定展示內容與特殊要求。（2）將機器人研發與科技館展示技術相結合，確定互動展示形式。（3）對展品進行詳細的功能分析，根據展示性、體驗性和安全性確定展品組成與結構。（4）機器人展品的整體設計需滿足安全可靠、維護方便、成本合理等要求。（5）同時注重操作的可重復性，科技館人流量大、展品使用頻率極高，要求展品體驗滿足不同受眾群體的使用習慣，演示現象和效果在合理的時間內能夠重復再現等。

4 結語

現階段，國家把科普基礎設施工程列為實施全民科學素質行動計劃的四大基礎工程之一，良好的政策給我國科技館事業帶來前所未有的發展機遇。與此同時，科技部也按照國家重點研發計劃統一部署，啟動“智能機器人”重點專項工作。展品展項是科技場館長久發展的生命基石，而隨著科普場館戰略地位的逐步提高，社會各界對機器人展品的創新也有了更高的標準和要求。

冰球機器人是一款充滿競技智慧的高科技展品，重點展示人工智能在自動程序設計、視覺感知、反應控制等諸多領域的相關技術。通過把“高高在上”的機器人展品與人們熟悉的日常生活、休閑運動相結合，進一步為大眾創新提供支撐。希望此次創新實踐對同類機器人展品研發和全國科技館展品建設能夠起到一定的借鑒作用，特別是在快速定位和優化運算識別等互動機器人關鍵技術研發方面，并借此引發業內對一系列機器感知和控制技術的深入探索和相互交流。此外，我們也將繼續致力于利用前沿技術推動科學知識的普及與傳播，使科學更加平民化、更具親和力，實現科技館展品研發的新局面、新形勢。

參考文獻

[1]謝妤嬋.視覺目標識別與三維定位關鍵技術的研究[D].天津：天津大學，2009.

[2]Anna Annusewicz. The use of vision systems in the autonomous control of mobile robots equipped with a manipulator[J]. Transportation Research Procedia， 2019， 40： 132-135.

[3]井超超.輪式機器人運動系統設計與研究[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[4]孫帆.機器人展品研發規律研究[J].機器人技術與應用，2018（1）：41-43.

[5]楊揚.基于機器視覺的服務機器人智能抓取研究[D].上海：上海交通大學，2014.

[6]張欣.智能乒乓球發球機器人[D].廈門：廈門大學，2014.

Abstract Based on the theoretical basis of high-precision visual recognition and motion control system， this paper briefly introduces the development status and principle methods of robot intelligent exhibits. Combining the research and development results of an intelligent "ice hockey robot"， the operation principle and function of the industrial digital high-speed camera visual recognition system and servo motion control system are expounded. It is proposed to develop a complete ice hockey robot motion servo platform and realize real-time intelligent control. The focus is on the design of the robot vision system and the solutions to the technical difficulties. The purpose is to provide a reference for the innovation of scientific exhibits in the same category of domestic science museums.

Keywords visual identification systemmotion， control systemartificial， intelligenceice， hockey robot