基于機(jī)器視覺的工件智能抓取技術(shù)研究

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1、基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人工件搬運(yùn)技術(shù)研究1.1研究背景自19世紀(jì)60年代問世以來，工業(yè)機(jī)器人不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也逐漸成熟。目前，全世界已擁有100多萬臺工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用在焊接、搬運(yùn)、裝配、噴涂、修邊、拾料、包裝、堆垛和上下料等單調(diào)或復(fù)雜的作業(yè)中，為企業(yè)節(jié)約了大量的勞動成本，大大提高了勞動生產(chǎn)率。工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人，它在穩(wěn)定產(chǎn)品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率和改善勞動條件等方面有著十分重要的作用，它的應(yīng)用能夠使企業(yè)大大縮短新產(chǎn)品的換產(chǎn)周期和節(jié)約勞動成本，從而提高了產(chǎn)品的市場競爭力。隨著當(dāng)代工業(yè)革命深入發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)日益趨向自動化，工業(yè)機(jī)器

2、人技術(shù)也正朝著智能、柔性的方向發(fā)展。許多發(fā)達(dá)國家對于智能工業(yè)機(jī)器人的研究都較為重視，我國也早已將其納入國家高科技發(fā)展規(guī)劃。國家層面的重視也必將給工業(yè)機(jī)器人技術(shù)帶來新的跨越式發(fā)展，機(jī)器人的發(fā)展也必將對社會經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力的發(fā)產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響1.2研究目的和意義對于工作在自動化生產(chǎn)線上或柔性制造系統(tǒng)中的工業(yè)機(jī)器人來說，其完成最多的一類操作是“抓取—放置”動作，比如流水線上的工件搬運(yùn)、裝配以及各工位之間的工件轉(zhuǎn)移和上下料。機(jī)器人要完成這類操作是經(jīng)過復(fù)雜計算的：首先，機(jī)器人必須知道怎么抓，其次機(jī)器人應(yīng)該知道怎么放；同時在這個過程還要伴隨著機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析的過程。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人完成這類操作，必須經(jīng)過

3、精確的逐點示教后，才能一步一步的按照固定程序執(zhí)行。在這個過程中，工件相對于機(jī)器人的初始位姿（位置和姿態(tài)）和終止位姿是事先規(guī)定的，但很多情況下，特別是流水線場合，工件的位姿常常是不固定的。這就導(dǎo)致實際目標(biāo)工件的位姿與理想工件位姿總是有偏差的，這種偏差哪怕很小都會導(dǎo)致機(jī)器人操作任務(wù)的失敗。這種由于環(huán)境的變化而導(dǎo)致機(jī)器人不能很好地完成任務(wù)的情況極大地限制了機(jī)器人的實際應(yīng)用。這就要求工業(yè)機(jī)器人具備一定的環(huán)境適應(yīng)能力，即工業(yè)機(jī)器人智能化。智能工業(yè)機(jī)器人的智能特征在于它具有與外部世界、對象、環(huán)境和人相互協(xié)調(diào)的工作機(jī)能，具體表現(xiàn)在機(jī)器視覺、接近覺、觸覺和力覺等方面。機(jī)器視覺是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷

4、的，其本質(zhì)是使計算機(jī)具有認(rèn)知周圍環(huán)境信息的能力。這種能力不僅使機(jī)器能感知周圍物體的形狀、位置、姿態(tài)、運(yùn)動等等信息，而且能相應(yīng)地對這些信息進(jìn)行描述、理解和識別。將機(jī)器視覺與機(jī)器人結(jié)合到一起，也就產(chǎn)生了機(jī)器人視覺。機(jī)器人視覺技術(shù)是用來模擬人類視覺，使機(jī)器人通過獲取視覺信息從而對操作環(huán)境進(jìn)行判別，給機(jī)器人賦予更強(qiáng)大的應(yīng)對能力，大大增強(qiáng)了機(jī)器人的柔性。因而基于視覺引導(dǎo)的機(jī)器人擁有著廣闊的發(fā)展空間，具有重要的科研和應(yīng)用價值。1.3國內(nèi)外現(xiàn)狀目前，機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)從最初的實驗室階段逐漸走向成熟，并且在工業(yè)生產(chǎn)線上已經(jīng)有實際應(yīng)用。德國、日本、美國和韓國處在智能工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用研究的前沿。日本從最初的模

5、仿到現(xiàn)在的獨(dú)創(chuàng)，找到了自己的技術(shù)創(chuàng)新之路。德國西門子公司也緊跟著時代的步伐，將機(jī)器視覺滲透到各個領(lǐng)域，應(yīng)用到汽車發(fā)動機(jī)裝配，生產(chǎn)線工件分揀等領(lǐng)域。美國更是機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)源地，其機(jī)器視覺廣泛應(yīng)用在工業(yè)和軍事上，機(jī)械手經(jīng)銷商，包括Fanuc公司，Motman公司和Staubli公司都推出了“揀選”系統(tǒng)。如圖1.1所示，日本川崎設(shè)計的工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用在基于視覺系統(tǒng)的大型物品裝卸、樹脂成形機(jī)械抓取和汽車車門的邊角打磨工程等領(lǐng)域。這種機(jī)器人可以結(jié)合具體的實際應(yīng)用和目標(biāo)方法，配置不同的選裝件和相關(guān)參數(shù)，能夠適應(yīng)各種應(yīng)用場合。通過使用機(jī)器人內(nèi)部搭載標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人語言，它還可以實現(xiàn)高性能的動作控制和時

6、序控制。圖1.1基于視覺系統(tǒng)的大型物品裝卸圖1.2所示的是美國普渡大學(xué)研究的一種基于視覺控制的Bin-picking系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以從多種零件中分揀出圓形零件，它是通過簡單的圓弧邊界特征來識別圓形零件的。圖1.3所示的是瑞典ABB公司最新推出的第二代拾取機(jī)器人FlexPickerIRB360，該機(jī)器人擁有有效載荷大、操作速度快、簡單有效等優(yōu)點，能夠在2D視覺的幫助下，以高達(dá)2次/秒的速度撿取傳送帶上的物品?？偟膩碚f，美國、日本、歐洲一些發(fā)達(dá)國家在機(jī)器人視覺技術(shù)有著豐富的經(jīng)驗，已經(jīng)開發(fā)出多款成熟產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在微裝配、空間和軍事領(lǐng)域。圖1.2Bin-Picking機(jī)器人圖1.3ABBFlex

7、-Picker機(jī)器人我國對工業(yè)機(jī)器人的研究起步較晚，從90年代初期起，我國在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域才取得一定的進(jìn)展。隨著近幾年科技的進(jìn)步，我國在這方面發(fā)展迅速，取得了不少科研成果，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制理論不斷得到創(chuàng)新，生產(chǎn)制造工藝也逐漸成熟，不斷有自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)器人產(chǎn)品相繼問世，此外還相繼建立了20多個機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，實施了100多項機(jī)器人應(yīng)用工程，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)不斷壯大和發(fā)展。新松機(jī)器人自動化股份有限公司研制機(jī)器人是擁有自主知識