智能机器人视觉传感器的技术和应用

电机控制设计加油站 2019-06-11 13073

描述

一种新型的工业机器人已经走到行业的前沿，他们的主要特点是能够安全地协助人类工作。在网上有很多人谈论它们，但你认真了解过它吗？

在2008年，很多人爱它们只是处于好奇心。在2012年，机器人被视为时尚。但在2013年，一大批竞争对手开始了他们的机器人时代，并进入了人工智能战场。机器人成为最热门的话题之一，也是许多媒体一直关注的焦点，现在，很多人会说，机器人是我们的未来。一系列机器人进入制造业。

关于机器人视觉传感器传感技术是现金机器人的三大要素（感知、决策和动作）之一，工业机器人根据完成的任务不同，配置的传感器类型和规格也不同。通常根据用途的不同，机器人传感器可以分为两大类：用于检测机器人自身状态的内部传感器和用于检测机器人相关环境参数的外部传感器。今天分享的内容是，机器人外部传感器中的---视觉传感器，也就是机器人的“眼镜”。

机器人有“眼睛”，这对于我们来说，是非常重要的。人类从外界获得的东西大多数是由眼镜得到的，人类视觉细胞的数量是人类听觉细胞数量的三千多倍，是皮肤感觉细胞的100多倍。如果要赋予机器人较高级的智能，机器人必须通过视觉系统更多的获取周围世界的信息。例：机器人视觉的典型应用：焊接机器人用视觉系统进行作业定位视觉系统导引机器人进行喷涂作业搬运机器人用视觉系统导引电磁吸盘抓取工件

机器人的视觉必须能理解三维空间的信息，即机器人的视觉与文字识别或者图像识别是有区别的，需要进行三维图像的处理。因为视觉传感器只能得到二维图像，从不同角度上看同一物体，得到的图像也不同；光源的位置不同，得到的图像的明暗程度与分布也不同。为此，人们采取了很多措施来解决这个问题，并且为了减轻视觉系统的负担，尽可能地完善外部环境条件，加强视觉系统本身的功能和使用较好的方法进行信息处理。1、视频摄像头2、光电转换器件（CCD传感器、MOS图像传感器）3、PSD传感器4、形状识别传感器5、工业机器人视觉系统（工业机器人视觉系统的基本原理、利用视觉识别抓取工件的工业机器人系统）

机器人的“眼睛”实际上“看不到”任何东西。只是机器人被嵌入了视觉传感器。能够扫描周围环境，判断是否有障碍物。遇到人类或障碍物的时候机器人能够减速或停止。随着越来越多的机器人进入工厂车间，它的安全问题仍然是一个主要关注问题。机器人和安全相辅相成。你不能在没有减轻伤害风险的情况下进行人机协作。如果您的机器人正在操纵锋利的对象，那么在没有采取保护性安全措施的情况下，其旁边有一个人是不安全的。另一种情况是机器人是否正在处理重物，如果物体掉落或以特定速度成为射弹，则会造成伤害。为了让人们在这些机器人周围感到安全，我们需要了解机器人接下来要做什么。低成本，自动化是真正的机器人。工厂通过添加机器人，使工厂能够以相同数量的人实现更高的产出，以最低的成本，达到最高的生产效率。结合机器人与自主移动机器人，增强现实，可穿戴设备和其他先进技术，以配备智能，数字化工厂，你有一个娱乐的前进的自动化制造的未来。未来，机器人将与人类团队携手合作，共同提高效率和生产力。

一、视觉传感器概述

视觉传感技术是传感技术七大类中的一个，视觉传感器是指：通过对摄像机拍摄到的图像进行图像处理，来计算对象物的特征量（面积、重心、长度、位置等），并输出数据和判断结果的传感器。

二、分类

1、3D视觉传感技术

3D视觉传感器具有广泛的用途，比如多媒体手机、网络摄像、数码相机、机器人视觉导航、汽车安全系统、生物医学像素分析、人机界面、虚拟现实、监控、工业检测、无线远距离传感、显微镜技术、天文观察、海洋自主导航、科学仪器等等。这些不同的应用均是基于3D视觉图像传感器技术。特别是3D影像技术在工业控制、汽车自主导航中具有急迫的应用。

2、智能视觉传感技术

智能视觉传感技术下的智能视觉传感器也称智能相机，是近年来机器视觉领域发展最快的一项新技术。智能相机是一个兼具图像采集、图像处理和信息传递功能的小型机器视觉系统，是一种嵌入式计算机视觉系统。它将图像传感器、数字处理器、通讯模块和其他外设集成到一个单一的相机内，由于这种一体化的设计，可降低系统的复杂度，并提高可靠性。同时系统尺寸大大缩小，拓宽了视觉技术的应用领域。

智能视觉传感器的易学、易用、易维护、安装方便，可在短期内构建起可靠而有效的视觉检测系统等优点使得这项技术得到飞速的发展。

三、视觉传感技术的实现基础

视觉传感器的图像采集单元主要由CCD/CMOS像机、光学系统、照明系统和图像采集卡组成，将光学影像转换成数字图像，传递给图像处理单元。通常使用的图像传感器件主要有CCD图像传感器和CMOS图像传感器两种。下面将介绍两种传感器的实现原理及优缺点。

四、视觉传感技术的应用

1、汽车车身视觉检测系统

车身成型是汽车制造的关键工序之一，对车身的各项指标要求严格，需对车身进行100%的检测。传统的车身检测方法是利用三坐标测量机，其操作复杂，速度慢，工期长，只能进行抽检。

通常，车身的关键尺寸主要是挡风玻璃尺寸、车门安装处棱边位置、定位孔位置等。因此视觉传感器分布于这些位置附近，测量其相应的棱边、孔、表面的空间位置尺寸。在生产线上设计测量工位，车身定位后，置于一框架内，框架由纵横分布的金属柱、杆构成，可根据需要在框架上灵活安装视觉传感器。根据测量点的数量可安装相应数量的视觉传感器，（通常情况下每个视觉传感器测量一个被测点），根据不同形式的传感器包括双目立体视觉传感器、轮廓传感器等多种类型。测量系统工作过程为：由生产线运送车身到测量工位进行准确定位，然后传感器按要求顺序开始工作，计算机采集检测点图像并进行处理，计算出被测点的空间三维坐标，计算值与标准值比对，得出检测结果，并将车身送出测量工位。

2、钢管直线度、截面尺寸在线视觉测量系统

在工业生产中，无缝钢管是一类重要的工业产品，而它的质量参数则是制造的重要数据，其中钢管的直线度及截面积是主要的几何参数，是控制无缝钢管制造质量的关键，但由于以下原因使得参数的测量成为难题：（1）、无缝钢管采取非接触式测量，且制造现场环境恶劣；（2）、无缝钢管的空间尺寸大，这也要求检测系统具备很大的测量空间。视觉传感技术的出现解决了上述问题，视觉传感技术采用的是非接触式测量且测量范围大。

测量系统由多个结构光传感器组成，传感器上结构光投射器投射的光平面和被测钢管相交，得到钢管截面圆周上的部分圆弧，传感器测量部分圆弧在空间中的位置。系统中每一个传感器实现一个截面上部分圆弧的测量，通过适当的数学方法，由圆弧拟合得到截面尺寸和截面圆心的空间位置，由截面圆心分布的空间包络，得到直线度参数。测量系统在计算机的控制下，可在数秒内完成测量，满足实时性要求。

3、三维形貌视觉测量

在三维形貌数字化测量技术是逆向工程和产品数字化设计、管理及制造的基础支撑技术。它所实现三维形貌数字化测量的机理是将视觉非接触、快速测量和最新的高分辨力数字成像技术相结合。由于所测量的物体多是大型、具有复杂表面的物体，测量通常分为局部三维信息获取和整体拼接两部分，先利用视觉扫描传感器对被测形貌各个局部区域进行测量，再采用拼接技术将各部分形貌进行拼接最终得到完整图像。

这项传感器的视觉扫描测头采用局域双目立体视觉测量原理设计。形貌整体拼接实质上是将所采集到的数据放到公共坐标上，这样就能得到整体的数据描述。通过高分辨率数码相机从测量空间的上方以不同的角度和位置对被测量进行数据收集，运用光束定向交汇平差原理得到控制点空间坐标并建立全局坐标系，最后通过各个坐标系进行关联、转换，完成数据拼接。

五、总结

视觉源于生物界获取外部环境信息的一种方式，是自然界生物获取信息的最有效手段，是生物智能的核心组成之一。人类80%的信息都是依靠视觉获取的，基于这一启发研究人员开始为机械安装“眼睛”使得机器跟人类一样通过“看”获取外界信息，由此诞生了一门新兴学科——计算机视觉，人们通过对生物视觉系统的研究从而模仿制作机器视觉系统，尽管与人类视觉系统相差很大，但是这对传感器技术而言是突破性的进步。视觉传感器技术的实质就是图像处理技术，通过截取物体表面的信号绘制成图像从而呈现在研究人员的面前。视觉传感技术的出现解决了其他传感器因场地大小限制或检测设备庞大而无法操作的问题，由此广受工业制造界的欢迎。

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