基于单目视觉的工业机器人定位系统设计

黄敏高



摘 要: 在工业化生产流程中,工业机器人能准确识别并抓取目标工件的状态、位置信息,收集反馈给控制系统处理以修正加工程序参量,从而实现制造工艺的高度自动化及精加工。以视觉定位和图像信息收集、处理的工业机器人为对象基准,设计了一套单目视觉定位系统。系统引入了静态图像收集算法、图像信息模块测量和三维空间匹配测量算法,通过工业试验得出测量数据。误差分析结果表明,基于单目视觉的机器人定位系统符合加工自动化的信息数据要求,能实现工件参数和空间姿态间的匹配,辅助提升生产的自动化程度。
关键词: 单目视觉; 机器人定位系统; 图像识别; 工件位姿测量
中图分类号: TN953+.7?34; TP242 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2017)18?0114?03
Design of monocular vision positioning system for industrial robot
HUANG Mingao
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Changzhou Vocational Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, China)
Abstract: In the industrial production process, industrial robots can accurately identify and grasp the status and location information of the target workpiece and feed the information back to the control system for modifying the processing procedure parameters to realize high automation and finish machining of the manufacturing process. In this paper, a set of monocular vision positioning system is designed by taking industrial robots used for visual positioning and image information collection and processing as the object of reference. The static image collection algorithm, the image information module measurement algorithm, and the 3D spatial matching measurement algorithm are introduced in the system to obtain the measured data from the industrial experiment. The error analysis result shows that the robot positioning system based on monocular vision can meet the information data requirement of processing automation and realize the matching between workpiece parameters and spatial attitudes to improve the degree of automation in production.
Keywords: monocular vision; robot positioning system; image recognition; position and attitude measurement of workpiece
0 引 言
在工業化生产流程中,机器系统的运用是决定生产效率和自动化程度的重要技术手段,而视觉定位技术是机器人领域下的重要拓展工程和新模块,具备极高的科技水平与开发潜能。将定位技术结合机械工程理论,再辅助光学成像和电子图片处理技术应用到大型机械生产中,可快速、精确地实现对目标工件的定位,并抓取目标位姿数据和尺寸参数[1]。系统具备高效、多端兼容、易操作和远距非接触的工程特性和优势,在现代电子制造行业中具备相当广泛的应用前景。但缺点是基于单目视觉测距的定位技术定位特征点较少,数学建模的运算量较大,精确定位成为亟待解决的问题。本文基于上述情况,提出了一种全新的嵌入式单目定位识别方法,围绕工程需求设计出一套集成度高、计算性能卓越、精准测量的机器人单目定位系统。
1 单目视觉定位系统构建
1.1 建立图像数据采集平台
在采集平台构建过程中,为了保证目标空间范围内各项数据参数的准确测量,通常采取顶端竖直投影来采集图像信息,并在两侧翼辅助光源以提升图像质量,如图1所示。
1.2 参数测量模块
首先,本机定位系统设计采用三星S3C2440型CPU。该型号芯片处理速度快,硬件性能出色,体积小巧,并设有专门的Camera?Interface接口,支持8位数字视频输入和转化,可直接实现图像传感器数据的转码使用[2]。
其次,在图像抓取和图形生成部分,采取OV公司的专业CMOS传感器OV3640。该传感器在2K图像质量下,可保持15帧的稳定秒读速度,并支持多种格式转化和多项图形处理功能。
最后,拍摄镜头选择焦距纵深度高、景深可调的防畸变光学镜头。在位姿测量和器件参数抓取过程中,实现高精度的细节保真,从而提升定位精度,降低工程差耗。将上述部件集成于一块微型电路板上,按照图2布局焊接,即可实现图像信息的数据和数字信号的转化、放大、传输、处理及存储、读取过程。经过数学分析模块运算,可得到目标工件的准确位姿和各项参数,进而实现机器人的空间精确定位与运动操控[3]。
4 系统调试和误差分析
基于工程运用实践需求,在系统设计的后期,需要進行系统调试和程序修正以补全算法漏洞,同时提升功能性和实用性。而基于单目视觉的工业机器人系统要保证高精度的目标空间位姿和物理参数的识别。因此,在调试校正过程中,需关注以下几方面的测试数据异常。
(1) 图形传感器部分的镜头光心处于坐标系群中平面坐标的原点位置,偏差不可超过标度的两倍,否则需要重新设定目标初始坐标值,并重新抓取目标各项图像数据。
(2) 传感器的识别靶面尺寸精度必须和数据采集的光学镜头的尺寸相同,否则在图像信息传递和处理过程中,会产生信息点丢失的现象。外在特征表现为肉眼可见的黑影或缺失。
(3) 注意控制光学镜头下目标的环境光线强度,过强或过弱的光线会对采集图像的信息点数量造成影响,进一步影响到软件系统的二值化分析,所以需要动态调整辅助光源强度。
在实验像素点分析中,分别采用不同的摄像高度进行数据采集,以分析高度对系统的误差影响。该实验分析结果如表1所示。
表1 高度可调的对应采集数据
此外,在对目标的位姿测量中,调整镜头角度进行多点测量,得出实验数据如表2所示。
表2 多角度图像处理分析结果
通过表1、表2的结果可知,系统在高度和偏移角度的人工操作误差下,数据波动均小于5 mm,坐标偏移均小于0.5°。综合实验结果表明,此系统具备较高的操作精度与稳定性,且在工业生产中具备较强的可行性。
5 结 语
本文基于单目视觉的工业机器人定位特性,选用S3C2440处理芯片和OV3640型传感器,设计构架了一种算法精简、定位精度较高的软硬件结合系统。将这套系统投入到机器人配置中,将大幅提升生产过程中工业机器人对工件识别的精度,提高操作准确性和流水线工作效率,具有极高的推广及研发价值。
参考文献
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