田鑫，施成章，朱學(xué)軍

　　（寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

　　摘要：機器人通過視覺對工件位置信息進行分析處理，完成相應(yīng)搬運任務(wù)已成為機器人應(yīng)用的主要發(fā)展方向。本文主要針對立體倉儲系統(tǒng)中基于視覺定位的物料搬運應(yīng)用進行研究。系統(tǒng)中采用智能相機Vision Hawk對目標(biāo)進行視覺定位，運用攝像機標(biāo)定技術(shù)實現(xiàn)相機—機器人坐標(biāo)系的標(biāo)定，通過控制軟件Workvisual來完成機器人的運動控制和軌跡規(guī)劃，進而實現(xiàn)機器人對多種類型工件的識別、定位及搬運。

　　關(guān)鍵詞：視覺定位；搬運；攝像機標(biāo)定；運動控制

0引言

　　近年來，視覺引導(dǎo)與定位技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)機器人獲得環(huán)境信息的主要手段，它可以實現(xiàn)工業(yè)機器人在實際應(yīng)用中的自主判斷能力，使機器人應(yīng)用的靈活性和工作質(zhì)量大大提高。隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，機器視覺系統(tǒng)這一新興技術(shù)也進入到日常的生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中。機器人視覺廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，主要集中在電子行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、航天、測量等行業(yè)，并取得了很多成就。目前視覺應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，許多工業(yè)生產(chǎn)線上都已經(jīng)投入使用［1］。主要應(yīng)用如破損檢測、條形碼讀取、位置檢測等。視覺還可分為單目視覺和雙目視覺，單目視覺就是對二維平面進行視覺檢測，這樣對于立體空間的檢測就受到限制；而雙目視覺則是對立體三維空間的檢測，因此應(yīng)用范圍更加廣泛。本文中的應(yīng)用主要是在平面內(nèi)的檢測，因此單目視覺就能夠滿足需要［2］。

　　智能化立體倉儲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成有立體存取倉庫、AGV小車、基于視覺搬運機械手等幾部分，這里主要對基于視覺的機械手搬運應(yīng)用進行研究。采用視覺定位機器人對七巧板（模擬需要搬運的工件）進行拆分和組合，本文將對這一部分的應(yīng)用做一些簡單的說明。

1結(jié)構(gòu)組成

　　圖1可視化搬運系統(tǒng)組成如圖1所示，視覺搬運系統(tǒng)是由機器手臂、控制柜、智能相機、吸盤、拆分臺、運輸臺、組合臺幾部分組成。其中，機械手為KUKA機械手，攝像頭采用VisionHawk智能相機，兩者相互組合形成機器人可視化系統(tǒng)，用來完成工件的定位和搬運，保證在搬運過程中，機器人吸盤能夠準(zhǔn)確吸取工件［34］。

2視覺定位原理

　　2.1視覺工作流程

　　KUKA機械手與Vision Hawk智能相機組成可視化搬運系統(tǒng)，其工作基本流程如下［5］：（1）系統(tǒng)開始運行，通過相機進行圖像采集；（2）利用應(yīng)用軟件Visionscape對目標(biāo)圖像進行對比分析和處理；（3）通過像素網(wǎng)格劃分對目標(biāo)圖像的具體位置進行定位運算；（4）將所得圖像坐標(biāo)利用Visionscape軟件進行轉(zhuǎn)換運算，即圖像坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對七巧板所在實際位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的輸出。

　　2.2攝像機標(biāo)定方法

　　計算機視覺的基本任務(wù)之一是從攝像機獲取的圖像信息出發(fā)計算空間物體的幾何信息，并由此重建和識別物體。空間物體表面某點的幾何位置與其在圖像中對應(yīng)點之間的相互關(guān)系是由攝像機成像的幾何模型決定的，這些幾何模型參數(shù)就是攝像機參數(shù)。在大多數(shù)條件下，這些參數(shù)必須通過實驗與計算才能得到，這個過程被稱為攝像機標(biāo)定［6］。

　　通過攝像機標(biāo)定，可以實現(xiàn)空間中各個坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換，從而得到所采集目標(biāo)圖像在實際空間中的坐標(biāo)，實現(xiàn)視覺定位。下面將簡單對攝像機標(biāo)定方法進行說明。

　　在視覺系統(tǒng)中，常用到的坐標(biāo)系有相機坐標(biāo)系Oc—XcYcZc；世界坐標(biāo)系Ow—XwYwZw；圖像坐標(biāo)系，包括圖像物理坐標(biāo)系o—xy和圖像像素坐標(biāo)系o—uv。坐標(biāo)系之間存在相對應(yīng)的關(guān)系，需要通過計算來實現(xiàn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)靈活、準(zhǔn)確地定位，進而實現(xiàn)對目標(biāo)工件的吸取。

　　而通過攝像機標(biāo)定技術(shù)可實現(xiàn)圖像、相機、世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換［78］。其轉(zhuǎn)換計算關(guān)系如下：

　　世界坐標(biāo)系中一點P（Xw，Yw，Zw），(u,v)是P點的成像點p的實際圖像像素坐標(biāo)，單位是像素數(shù)(pixel)，f為焦距。P在圖像上的成像位置p的幾何關(guān)系如式(1)所示：

　　其中， (Xc，Yc，Zc)是P點在攝像機坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。(xu，yu)是p點的物理圖像坐標(biāo)，單位為mm。

　　圖像坐標(biāo)中圖像像素坐標(biāo)與圖像物理坐標(biāo)之間的關(guān)系如式(2)所示：

　　其中，sx，sy為圖像平面單位距離上的像素數(shù)(pixels/mm)，(u0，v0)為攝像機與圖像平面的交點，稱為主點坐標(biāo)。由式(1)、（2）可得：

　　其中，fu=fsx，fv=fsy，fu稱為圖像u軸的尺度因子，fv稱為圖像v軸的尺度因子。

　　令p為規(guī)一化的理想圖像坐標(biāo)，即相當(dāng)于假設(shè)攝像機焦距等于1，其中x=Xc/Zc，y=Yc/Zc，則有：

　　則圖像點的像素坐標(biāo)m與規(guī)一化坐標(biāo)p之間的關(guān)系以齊次坐標(biāo)表示為：

　　其中，K包含5個內(nèi)參數(shù)，它反映的是攝像機內(nèi)部的成像參數(shù)，所以稱為內(nèi)參數(shù)矩陣。

　　可以得到世界坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

　　其中，R和T分別為從世界坐標(biāo)系到攝像機坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移變換。由式(5)、(6)可得空間點的實際坐標(biāo)與像素坐標(biāo)之間的關(guān)系為：

　　其中M為3×4矩陣，稱為透視變換矩陣，M1只與攝像機內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，稱為攝像機內(nèi)部參數(shù)；M2只與攝像機對于世界坐標(biāo)系的方位有關(guān)，稱為攝像機外部參數(shù)。X為空間點在世界坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)。

　　以上換算過程是通過Visionscape軟件設(shè)置完成的，通過進行相應(yīng)的設(shè)置，實現(xiàn)采集圖像與目標(biāo)圖像的分析對比及坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，并將運算坐標(biāo)結(jié)果傳送至機械手，從而實現(xiàn)對工件的準(zhǔn)確定位、吸取和搬運［9］。

3搬運工作流程

　　AGV將出庫的托盤運送至拆分臺后，根據(jù)上位機發(fā)出的拆分指令，機械手將托盤上的七巧板拆分并依次放置在輸送臺的傳送帶上，這里每放置一個，放置位傳感器接收信號，步進電機就向前運動一段固定的距離，直到七巧板全部拆分完成，停止動作待命。而后根據(jù)上位機發(fā)送的組合指令，將傳送帶上的七巧板按照上位機事先預(yù)設(shè)的圖形在組合臺上進行擺放，這里從輸送臺上取走工件，每取走一個，提取位傳感器接收信號，步進電機就向前運動一段固定的距離，直到七個工件全部提取完成，停下等待指令。

　　在執(zhí)行操作前需要通過上位機對其搬運效果圖形進行選擇設(shè)定，設(shè)定完成后運行圖2預(yù)設(shè)圖形，視覺搬運系統(tǒng)將會按照上位機發(fā)出的預(yù)設(shè)圖形進行拆分組合，其預(yù)設(shè)圖形如圖2所示。

　　使用KUKA機械手完成吸取和搬運，通過WorkVisual控制軟件編程實現(xiàn)搬運的運動控制和軌跡規(guī)劃，其基本流程如下圖3所示。

　　最終實現(xiàn)的搬運效果如圖4所示，這里只是預(yù)設(shè)7種圖案中的一種搬運效果。前者為搬運操作前的狀態(tài)，后者為搬運完成后的狀態(tài)。

4結(jié)論

　　如今越來越多基于視覺應(yīng)用的機器人進入到生產(chǎn)工作中，而其中基于視覺的搬運機器人是視覺應(yīng)用的主要研究方向之一。本文研究的是一種基于單目相機的視覺搬運系統(tǒng)，利用坐標(biāo)系標(biāo)定方法實現(xiàn)圖像和空間坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換，快速準(zhǔn)確地得到目標(biāo)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在空間中對工件的視覺識別定位及搬運。系統(tǒng)可以應(yīng)用于高重復(fù)性的生產(chǎn)工作中，降低人工及工裝成本，使得自動化生產(chǎn)更具柔性以及智能化。目前這種基于視覺的搬運系統(tǒng)已在實際工業(yè)現(xiàn)場中得到應(yīng)用。

參考文獻

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