工業機器人智能視覺引導技術發展及其運用

劉亦晴

摘 要：本文分析工業機器人智能視覺引導技術發展及其運用。首先分析出工業機器人智能視覺引導識別技術的概念和分類。其次分析出工業機器人智能視覺引導識別技術存在的瓶頸，包括攝像機標定技術、視覺坐標系標定技術兩種技術問題。最后分析出工業機器人智能視覺引導識別技術應用的領域，在制造業、物流業都有其運用價值和商業價值，為相關企業帶來了很多的便利，在提升企業生產效率的同時，大幅度降低企業人工成本，從而可以說工業機器人智能視覺引導識別技術擁有廣闊的發展前景和無限的潛力。

關鍵詞：工業機器人;智能視覺引導;技術運用

0 引言

隨著我國人口紅利不斷減少，制造業普遍面臨生產成本提高的壓力，與此同時互聯網技術的普及，也使消費者對產品定制化、個性化需求不斷提升，制造業所面臨柔性化和智能化升級的壓力，也進一步促進了工業機器人的廣泛應用，機器人代替手工勞動不但可以提升制造業生產效率、降低制造費用，還有助于提升產品質量。機器人應用場景不斷擴展，傳統的機器人只能應用于簡單搬運、焊接等場景，隨著一些具有感知能力和協同能力的智能機器人得到應用，使得機器人能夠完成裝配、分揀等復雜工作，具備部分與人或動物類似的智能。

1 工業機器人智能視覺引導識別技術的概念

2018年中國工業機器人產銷量約15萬臺套，全球占比超過三分之一，位居世界第一位。隨著國內工業企業不斷進步和發展，在對工業機器人數量需求持續增長的同時，對機器人的智能性要求也不斷增加，早期的示教再現型機器人無法感知工作環境的變化，越來越無法滿足企業對機器人應對復雜操作流程的需求。

為了感知工作環境的變化，工業機器人采取增加傳感器的方式，其中視覺傳感器由于成本較低、采集信息量大等特點，成為應用最為廣泛的傳感器系統。機器人視覺系統主動采集機器人工作環境的圖像信息，并通過智能視覺技術對采集的圖像信息進行處理，獲取機器人操作所需的的信息數據，引導機器人的動作，使機器人更具靈活性和精確性，從而極大地拓展了工業機器人的應用場景。隨著工業機器人視覺引導技術的快速發展，具有視覺的機器人能夠自動識別和抓取工件，使得自動化生產線布局發生巨大改變，大量的視覺機器人被嵌入柔性化、智能化的自動生產線中，從而大幅度提升生產線的效率。

2 工業機器人智能視覺引導識別技術的分類

在視覺機器人系統中，攝像機相當于系統的眼睛，多軸工業機器臂相當于系統的手臂，所以視覺機器人也通常被稱作“手眼系統”，因為攝像機安裝位置不同，可分為兩種類型的系統。

2.1 固定式手眼系統

固定式手眼系統中攝像機采取固定方式，通過支架安裝在機器人工作區域內一個固定位置，在機器人工作時攝像頭靜止不動。攝像頭的視覺范圍覆蓋機械臂的操作范圍，系統坐標系為固定坐標系，系統識別工作目標，并將目標工件的位置姿態等信息傳遞給機械臂，機械臂根據系統反饋的信息調整執行單元的位置和姿態，實現對目標的智能操作。

2.2 移動式手眼系統

移動式手眼系統中攝像機安裝在機械臂的本體上，在機器人移動時攝像頭也一同移動。在工業領域應用最為廣泛的機器人為六自由度工業機械臂，每個自由度對應著一個關節，關節的運動方式分別是轉動關節和移動關節。通常的視覺工業機器人應用場景是在機器臂的末端安裝執行單元，執行單元與機械臂通過法蘭連接，無論執行單元是抓取、裝配或是其他動作夾具，對于機器人控制的最終目的都是要確保執行單元的位置和姿態，也相當于控制單元連接法蘭的位置和姿態。為此，移動式手眼系統的攝像頭一般安裝在執行單元連接法蘭盤上，搭建移動式手眼系統的坐標系，相當于控制器所取得的姿態信息數據是基于執行單元法蘭面的。

在工業領域的視覺機器人大多采取移動式手眼系統，因為與移動式手眼系統相比，固定式手眼系統有一定的局限性，一是由于攝像機不跟隨機械臂向目標移動，當目標距離攝像頭較遠時，需要攝像機具有較高的精度，以減小絕對誤差;二是當機械臂靠近目標，執行單元對目標進行操作時，有可能會造成對目標的遮擋。

3 工業機器人智能視覺引導識別技術存在的瓶頸

3.1 攝像機標定技術

攝像機是圖像采集系統最主要的硬件，是能否得到高質量圖像信息的關鍵所在，攝像機標定對機器視覺系統的精度影響極大，如標定精度較低會導致后續系統中源圖像精度整體降低，攝像機標定技術是視覺引導技術的關鍵瓶頸之一。傳統攝像機標定法過程較為復雜，采用高精度的標定板，通過對比標定板與圖像中標志點坐標，建立模型參數約束方程，得出攝像機畸變參數。攝像機自標定法則無需標定板，通過對比多幅圖像相同特征點進行標定，此方法較為靈活，但精度不高。攝像機主動視覺標定法通常應用于移動式手眼系統，攝像機跟隨機械臂移動，在設定的軌跡采集多幅圖像，根據攝像機的運動軌跡數據和圖像中特征點坐標求解。盡管應用上述標定技術，可以一定程度上消除攝像機硬件誤差，得出一個較為合理的模型，但距離理想的成像圖像仍有差距，在高精度的場合仍是制約視覺引導技術的瓶頸。

3.2 視覺坐標系標定技術

攝像機標定后可以為視覺引導系統提供所需目標的圖像信息，但該圖像信息的坐標是基于視覺坐標系的，尚無法為機器人提供可靠的信息反饋，只有建立了機器人坐標系與視覺坐標系的關系之后，視覺引導系統才能真正發揮作用，視覺坐標系標定技術相當于坐標系之間的聯絡和橋梁功能，搭建合理的視覺坐標系與機器人坐標系的關系，是工業機器人視覺引導識別的關鍵技術之一。

4 工業機器人智能視覺引導識別技術的應用領域

4.1 物流搬運和分揀

物流行業因為其行業特點需要大量人工進行簡單的重復性搬運等勞動，隨著人工成本不斷增長，行業對工業機器人代替人工工位的需求較為強烈，無視覺的傳統機器人只能應對標準化產品，應用場景極為有限，而實際的物流行業中工件的種類多、位置不固定、形狀不統一，配備了智能視覺引導識別系統的機器人則可以輕松應對工件和環境的變化，應用場景擴展的同時，也提高了機器人設備的操作精度，從而使物流搬運系統的生產效率大幅提升。

工件分揀是物流業一項重要工作，人工操作效率低、工作強度高，傳統的機器人無法應對，給機器人增加了視覺引導系統之后，攝像頭拍攝工件所在區域的圖像，經優化處理后傳遞給計算機，計算機自動分析背景和目標工件，判斷目標工件的數量、位置、姿態、種類，下達指令給機器人，通過機械臂的執行單元抓取相應的目標工件，搬運至不同的分類區域，實現人工分揀工作的替代。

4.2 柔性制造業系統

工業機器人大量應用于自動化產線上，傳統的機器人主要承擔代替人工的抓取、搬運、旋轉、放置等工作，機器人按程序執行設定好的動作，一旦工件位置、形狀出現偏差，或者周圍環境發生變化，均導致生產線故障停產。配備了智能視覺引導識別系統的機器人，可以實現對目標工件的定位、識別和檢測，當目標工件位置和姿態發生變化時，機器人可自動感知和應變，通過視覺引導識別系統智能調整動作，生產線開動率大幅度提升。機器人視覺引導技術給工業機器人增加了基于視覺的感知能力，不僅可以感知目標工件的形狀、顏色、位姿等信息，還可以感知其工作環境的變化信息，計算機綜合相關信息經分析、比對、判斷后下達處理指令給工業機器人，大幅度增強了工業機器人對環境和目標工件變化的應對能力，視覺機器人的應用場景得以大范圍擴展，成為較為成熟的子系統嵌入柔性制造自動化生產線中。

4.3 視覺檢測系統

隨著機器人智能視覺引導識別技術的不斷完善和發展，工業機器人的智能特性越來越突出，不但可以完成較為復雜的人工操作，在部分領域已經表現出比操作工人更高的精確性和準確性。在自動化生產線上，具有智能視覺的機器人可以完成對目標工件的特征檢測、間隙測量、缺陷判別、計數、運動軌跡跟蹤等，視覺機器人動作速度快、抗干擾能力強、精度高，而且測量時與被測工件無物理接觸，在汽車、印刷、裝備制造等行業工業機器人視覺檢測系統成為較為常見的應用。配備智能視覺引導識別技術的機器人一般設置在生產線末端或者重要的質量控制工位，視覺檢測系統可以利用紅外線等技術，檢測到人力視力無法觀察的情況，還可以進一步將檢測信息轉化為肉眼可見的圖像，從而使視覺機器人應用到更廣泛的領域。由于視覺機器人能夠長時間持續工作，使得視覺檢測系統效率和可靠性也更高，在視覺檢測系統中應用智能視覺機器人具有較高的經濟性和實用性。

5 結束語

綜上所述，工業機器人智能視覺引導識別技術具有廣闊的發展前景和實際運用價值。通過在制造業相關領域中應用工業機器人智能視覺引導識別技術，能夠有效提高的企業的生產效率，并大幅度降低人工成本，實現制造業的智能化升級改造?？梢哉f，工業機器人智能視覺引導識別技術，為制造業帶來了便利，也促進了制造業向個性化、定制化產品轉型，但在相關技術不斷發展的同時，也遇到發展的瓶頸，所以需要積極探索并研究解決方案，如何將智能視覺系統與工業機器人更好地進行系統集成，使視覺工業機器人系統具有更高的穩定性，在工作環境變化或者工件出現異常時，使工業機器人更加智能、更加精確，不僅需要更精密的硬件，也需要不斷改進視覺算法，不斷優化對工業機器人的控制，逐步提升工業機器人智能化技術水平，從而推動工業機器人領域智能技術的創新和發展。

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