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基于视觉的机械臂目标抓取研究
作者：吴远重
来源：《科学与信息化》2018年第30期
摘 要 现有的工业机器人通常根据设定好的位置进行工作，一旦位置发生变化便无法继续工作，必须对其重新进行编程设定。为了满足快速发展的市场需求，一种结合视觉传感器的工业机器人应运而生，该机器人通过视觉传感器获得被加工零件图像，对图像数据处理后获得零件的相关信息并进行工作，从而可大大降低更改生产流程所造成的损失。鉴于此，本文就基于视觉的机械臂目标抓取展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。 关键词 工业机器人；视觉；目标抓取；机械臂 1 双目视觉标定原理与手眼标定
双目视觉的研究主要是模拟人眼的视觉原理，利用三角法对目标定位，获取深度信息进行三维重建等。相机是双目视觉获取外界信息最基本的设备，目标定位需要通过相机采集的图像信息识别出目标物体并确定实际位置，即在世界坐标系下的坐标。而通过图像信息求解目标位置的过程中，需要知道相机的内､外参数。相机的内参数是指镜头的焦距､畸变参数，CCD芯片的中心位置等；相机的外参数是指靶标相对于相机的位置和方向，其中，在双目视觉中不仅要确定左右相机的内外参数，还必须确定两个相机之间的位置和方向关系[1]。 2 目标识别与图像处理 2.1 图像滤波
图像滤波的目的是消除或者抑制图像中的噪声，减小噪声对后续图像处理的影响。噪声的产生有很多种，可能由于图像在传输过程中，信号干扰造成，也可能由于相机自身的原因造成，或者拍摄过程中有抖动等等。图像滤波最常见的有，均值滤波，中值滤波，高斯滤波。 2.2 边缘提取
为了对目标进行识别，要对滤波后的图像进行边缘提取，为之后的特征提取做准备，边缘提取是数字图像处理和机器视觉中的基本问题。对图像进行边缘提取的好处是，可以使用边缘特征来代表整个图像，这样做可以极大地减少内存中的数据量，并且去除了图像中认为和本次应用无关的一些其他特征，只保留对本次应用有用的图像的本质结构特征。边缘属于图像的高频信息，是灰度值发生跳变的位置。图像可以看作是关于像素坐标（（x，y）的二元函数，数字图像是二元离散函数。
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2.3 轮廓提取
边缘检测只是将边缘信息提取出来，但是并没有把构成边缘的像素点组成一个整体，也就是构成一个集合。为了方便之后的椭圆拟合，提高效率，在进行拟合之前，先将采集到的边缘，都连接起来，构成一个个的集合，这样在进行椭圆拟合等操作时，就可以针对每一个集合单独进行，减小了其他集合对拟合效果的干扰。轮廓一般是图像中一系列的点构成的，可以是构成边缘的一组点，也可以图像中某些特征，如一条曲线。轮廓可以是封闭的，也可以是断开的，封闭的轮廓是某个区域的边缘，断开的轮廓可能是图像中的某些特征，如手写字符，手写文字的线条等。 2.4 特征的提取
某一类对象区别于其他类对象的相应特点称为特征，在机器视觉中，每一幅图像都有其独有的特征，如颜色､边缘､纹理和亮度等，利用这些特征可以表示一个特定的图像信息。图像特征一般是描述物体的形状特征和描述物体表面颜色或者灰度变化的纹理特征，实验中主要针对物体的形状特征和颜色特征进行识别提取[2]。 3 机械臂目标定位与抓取实验系统 3.1 ABB机械臂
实验中使用的机械臂是ABB公司生产的IRB1600-X/1.2。目前中国所使用的机械臂主要都是来自进口，这些机械臂在中国基本由ABB，KUKA，FANUC，YASKAWA四家公司所独占。ABB公司除了提供工业机械臂之外，还生产控制柜，提供机械臂软件，例如仿真软件Robot Studio，在该软件里面可以对各种ABB的机械臂进行建模､仿真，还可以模拟流水线系统。
IRB1600-X/1.2相比于其他的机械臂动作更加敏捷，功率强劲，主要用于弧焊、物料搬运、机械管理、包装等应用领域。该机械臂安装形式灵活，使用于各种环境场合，可采用壁挂式、支架式、倒置或者倾斜式安装，甚至可以安装在设备内部。在功耗方面，由于使用了低摩擦齿轮，True Move和Quick Move避免了不必要的动作，因此IRB1600-X/1.2机械臂相比于其他型号功耗更低。IRB1600-X/1.2机械臂的最大负载为6kg，工作范围最远到达距离为：1.2m，运动精度达到±0.05～±0.2mmoIRB1600-X/1.2机械臂是六轴机械臂，各个关节轴的位置如图5-1所示，并且每个转轴都带有一个西门子公司生产的交流伺服电机。 3.2 机械臂控制柜
实验中使用的ABB控制柜是IRCS控制柜，它是ABB第五代机械臂控制柜。它的True Move､运动控制技术和Quick Move是速度､精度､周期时间､可编程性以及和外部设备同步
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性等机械臂性能指标的重要保证[3]。IRCS体积小，但是有出色的路径控制能力､人性化的示教器编程软件､简洁灵活的RAPID语言､强大的通信能力。并且设置了单相电源输入､外置式信号接头以及内置式可扩展16路I/O系统，简化了调试步骤，通过TCP/IP通信协议还支持Robot Studio离线编程，可以在线监视运行状态。机械臂的控制柜设计有多个外部接口，方便了与外部设备的通信，适用于工业环境。带有多个总线接口，如CAN总线，PROFIBUS总线。实验中上位机和机械臂的通信就是通过控制柜的以太网接口，利用TCP/IP协议进行数据传输。控制柜还有多个v0端口，外部信号可以通过v0端口发送给机械臂。传送带装置的PLC控制器可以和机械臂的控制柜通过vo端口连接在一起，进行简单的传送带运动与停止的控制。
3.3 双目视觉系统
和人眼观察物体的原理类似，如果要确定物体的在世界中的位置和姿态，就需要使用两个相机，就和人的两个眼睛一样。可以通过主动三角法求出在两个相机视野范围相交叉部分的物体的位置，但是最终定位的精度和所选用的硬件有关，硬件选择的好坏直接影响到整个系统的精度。恰当的硬件配置可以提高运算速度､坐标精度､提高系统的稳定性。双目视觉系统由两个相机和定焦镜头安装在自制的架子上组成[4]。 4 结束语
由于机械臂是一种复杂的机械运动装置，在工业现场长期运行的过程中会受到温度和湿度变化等等一些无法避免的影响，这都会对机械臂的定位精度和运行轨迹的精度造成影响，从而导致检测识别和抓取的误差，所以对于如何进行机械臂的标定需要进一步的研究。 参考文献
[1] 唐政.基于视觉的机械臂设计与实现[D].大连：大连理工大学，2017.
[2] 马璧.基于视觉伺服的机械臂系统及控制方法研究[D].徐州：中国矿业大学，2017. [3] 陈琨.基于机器视觉的在线PE瓶检测与分拣系统设计与实现[D].杭州：浙江工业大学，2016.
[4] 夏菠.基于双目视觉的动态目标定位与抓取研究[D].成都：西南科技大学，2016.
