摘 要： 針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的弧焊、切割和涂膠等應(yīng)用,，介紹了視覺(jué)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)路徑規(guī)劃系統(tǒng),。描述了攝像機(jī)坐標(biāo)標(biāo)定方法,，采用圖像采集技術(shù)獲取環(huán)境信息，運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理,，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人實(shí)時(shí)控制和離線(xiàn)編程,。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)重復(fù)精度高,，能夠滿(mǎn)足弧焊,、切割和涂膠的要求，能夠適應(yīng)生產(chǎn)線(xiàn)的需要,。
關(guān)鍵詞： 機(jī)器視覺(jué),；圖像處理；工業(yè)機(jī)器人,；路徑規(guī)劃
機(jī)器人自問(wèn)世以來(lái),，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，例如焊接,、搬運(yùn),、裝配和噴涂等[1]。不過(guò)這些應(yīng)用大多基于示教再現(xiàn)和離線(xiàn)編程,。示教再現(xiàn)過(guò)程機(jī)器人利用率低,，示教再現(xiàn)的精度也不高。離線(xiàn)編程是采用CAD技術(shù)建立起機(jī)器人及其工作環(huán)境的幾何模型,，通過(guò)算法在離線(xiàn)的情況下進(jìn)行作業(yè)路徑規(guī)劃,，對(duì)于復(fù)雜的作業(yè)路徑，CAD模型的建立存在一定的難度,。而視覺(jué)機(jī)器人作業(yè)路徑規(guī)劃系統(tǒng)能夠及時(shí)采集機(jī)器人工作環(huán)境信息,，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，提高了機(jī)器人工作效率,。同時(shí),，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成機(jī)器人控制文件，不需要CAD技術(shù)的支持,，增強(qiáng)了機(jī)器人系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性,。
1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
機(jī)器人作業(yè)路徑規(guī)劃系統(tǒng)是在Motoman UP6工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)上做二次開(kāi)發(fā)的。 CCD攝像機(jī)采集到外部環(huán)境的圖像信息,，系統(tǒng)通過(guò)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的獲取,，獲取圖像后，通過(guò)圖像的增強(qiáng),、濾波,、邊緣檢測(cè)、細(xì)化等處理技術(shù)對(duì)圖像信息進(jìn)行分析處理和重建,。系統(tǒng)對(duì)這些處理后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算,，計(jì)算出圖像中作業(yè)對(duì)象的特征點(diǎn)的位置信息,。對(duì)獲取的特征點(diǎn)信息，系統(tǒng)有兩種功能,，一是通過(guò)Motocom32的庫(kù)函數(shù)與機(jī)器人通信,，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，完成指定作業(yè),；另一功能是快速生成機(jī)器人控制文件,，并可對(duì)文件編輯修改，當(dāng)把這些文件導(dǎo)入機(jī)器人控制柜后,，則可控制機(jī)器人完成指定作業(yè),。
2 系統(tǒng)軟硬件組成
整個(gè)系統(tǒng)由2個(gè)子系統(tǒng)組成，一個(gè)為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng),，另一個(gè)為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng),。2個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)軟件平臺(tái)進(jìn)行通信。具體構(gòu)成如圖1所示,。
2.1 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)
工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包括有Motoman UP6工業(yè)機(jī)器人本體,、YASNAC- XRC- UP6機(jī)器人控制柜、示教編程器和相關(guān)的外部設(shè)備以及與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的軟件Motocom32,。其中,，機(jī)器人本體具有6個(gè)自由度，各個(gè)關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),，各自由度由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),，其重復(fù)定位精度可達(dá)0.08 mm。
2.2 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要設(shè)備有M0814-MP鏡頭,、CV-A11攝像機(jī),、PC2-Vision圖像采集卡以及計(jì)算機(jī)等。
(1)CV-A11攝像機(jī)及鏡頭
選擇的攝像機(jī)是丹麥AVI公司生產(chǎn)的CV-A11攝像機(jī),。攝像機(jī)線(xiàn)掃描頻率為37.5 kHz,，其CCD總像素為659 ×494，攝像機(jī)信噪比大于56 dB,，工作電壓為12V± 10%,，外形尺寸為29mm×44mm×66mm，鏡頭接口為 C-mount接口,。鏡頭為日本computar公司的M0814-MP鏡頭，鏡頭焦距為f=8 mm,，焦點(diǎn)手動(dòng)控制, 成像適合設(shè)計(jì)的要求,。
(2)圖像采集卡
圖像采集卡選用加拿大CORECO公司生產(chǎn)的PC2-Vision圖像采集卡。該圖像采集卡自帶8 MB存儲(chǔ)器用于圖像序列的存儲(chǔ),，通過(guò)高速PCI總線(xiàn)可實(shí)現(xiàn)直接采集圖像到VGA顯存或主機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存,，兼容RGB,、RS-170/CCIR等視頻格式，可采集標(biāo)準(zhǔn)彩色復(fù)合視頻和RGB分量,，能夠同時(shí)采集6個(gè)黑白攝像頭,、2個(gè)RGB攝像頭或2個(gè)雙通道模擬攝像頭圖像；支持外部事件出發(fā)輸入,，支持顯示分辨率2 048×2 048,，具有3個(gè)8位40 MHz A/D轉(zhuǎn)換器。
3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)的功能要求,，本文應(yīng)用VC++6.0編制了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軟件程序,，程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方式。系統(tǒng)在完成硬件檢測(cè),、系統(tǒng)初始化等工作后實(shí)現(xiàn)機(jī)器人路徑規(guī)劃,，整個(gè)系統(tǒng)可分為攝像機(jī)標(biāo)定、圖像獲取與圖像處理,、機(jī)器人運(yùn)行控制等功能模塊,。軟件實(shí)現(xiàn)基本流程如圖2所示。
3.1 攝像機(jī)的標(biāo)定
在系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)提取前,，必須對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,，以建立攝像機(jī)與實(shí)際空間點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在基于機(jī)器視覺(jué)的機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)中,，存在著3個(gè)坐標(biāo)系：機(jī)器人坐標(biāo)系,、平臺(tái)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系。其中圖像坐標(biāo)系是以圖像左上角為原點(diǎn),，以像素為單位的直角坐標(biāo)系,，x、y軸分別表示該像素在數(shù)字圖像中的行數(shù)與列數(shù),。為了在視覺(jué)系統(tǒng)中建立統(tǒng)一的坐標(biāo),，確定圖像上某輪廓點(diǎn)與實(shí)際圖形點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就需要建立圖像坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系,、平臺(tái)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系兩者之間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系,，最終將平臺(tái)坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)統(tǒng)一在機(jī)器人坐標(biāo)系下。圖像像素坐標(biāo)系中的點(diǎn)到世界坐標(biāo)系的變換可用矩陣表示為：
3.2 圖像采集
計(jì)算機(jī)調(diào)用圖像采集卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)VnImgCon.dll中相應(yīng)的控制函數(shù),，來(lái)控制圖像采集卡對(duì)攝像機(jī)攝取的視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,，以BMP格式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)。通過(guò)調(diào)用采集卡自帶庫(kù)函數(shù)采集一幀圖像到內(nèi)存,，然后回顯到屏幕,。在程序中調(diào)用了以下函數(shù)：
GetSrc：得到指向被用作連接圖像源對(duì)象的指針。
IfxCreateCaptureModule：創(chuàng)建一個(gè)圖像捕捉的對(duì)象。
GetCam：使攝像機(jī)對(duì)象指針為指定端口,。
GetAttr：返回?cái)z像機(jī)基本采集參數(shù),。
IfxWriteImgFile：保存圖像文件。
3.3 圖像處理
系統(tǒng)攝像機(jī)所采集的圖像為BMP格式的位圖文件,，為了在圖像處理部分中能將注意力集中在圖像處理的算法實(shí)現(xiàn)上,，而不被DIB的顯示與操作等底層處理所干擾，建立一個(gè)比較完整的DIB類(lèi)庫(kù),，主要實(shí)現(xiàn)三大功能：位圖操作的基本函數(shù),，包括對(duì)像素點(diǎn)的操作、位圖相關(guān)的信息和位圖占據(jù)內(nèi)存空間的信息,。在進(jìn)行圖像處理編程時(shí),，只需在文檔類(lèi)的頭文件中加入CDib類(lèi)的定義，通過(guò)該類(lèi)提供的公有型(public)接口函數(shù)調(diào)用,，即可實(shí)現(xiàn)與之相關(guān)的功能,。在此類(lèi)庫(kù)的基礎(chǔ)上，對(duì)圖像進(jìn)行處理,，包括圖像的平滑和去除噪聲等圖像預(yù)處理,，選定灰度閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化,，計(jì)算圖像中的特征量,，實(shí)現(xiàn)空間定位。圖像處理的函數(shù)主要有以下幾個(gè)：
圖像二值化：
WindowTrans(lpDIBBits,::DIBWidth(lpDIB),::DIBHeight(lpDIB) ,m_bLow)
調(diào)用函數(shù)進(jìn)行細(xì)化：
ThiningDIB(lpDIBBitsWIDTHBYTES(::DIBWidth(lpDIB)*8), ::DIBHeight(lpDIB))
求坐標(biāo):
PointDIB(lpDIBBits, ::DIBWidth(lpDIB), ::DIBHeight(lpDIB), point,dian,mm);
程序進(jìn)一步對(duì)圖像進(jìn)行處理,，得到圖像的邊緣特征,，處理后的圖像如圖3所示，最終求得圖形位置坐標(biāo),。
3.4 機(jī)器人運(yùn)行控制
獲取機(jī)器人坐標(biāo)點(diǎn)后,，計(jì)算機(jī)根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)信息，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)決策,，產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制指令,，并通過(guò)Motocom32軟件提供的庫(kù)函數(shù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)特征點(diǎn)的自動(dòng)定位,，控制機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的操作,，完成作業(yè)軌跡。機(jī)器人實(shí)時(shí)控制的流程圖如圖4所示,。
視覺(jué)機(jī)器人作業(yè)路徑規(guī)劃系統(tǒng)把CCD獲取的作業(yè)路徑圖像信息轉(zhuǎn)化為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制指令,，使機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)。為驗(yàn)證這一“轉(zhuǎn)化”,，以機(jī)器人的連續(xù)切割作業(yè)為例,，將其付諸實(shí)施。具體實(shí)施方案如下：以平板玻璃臺(tái)面作為切割對(duì)象，以白板筆當(dāng)作割槍?zhuān)詸C(jī)器人繪制曲線(xiàn)的過(guò)程來(lái)模擬實(shí)際切割作業(yè)過(guò)程,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
由圖5可以看出,，該方案重復(fù)精度高,，誤差較小，能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)的需求,，同時(shí)也提高了系統(tǒng)自動(dòng)化程度,，節(jié)省了人力物力。
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