ku2000,年轻的妈妈韩国

隨著攝像設(shè)備性能價格比和計算機(jī)信息處理速度的提高,以及有關(guān)理論的日益完善,視覺伺服已具備實際應(yīng)用的技術(shù)條件,相關(guān)的技術(shù)問題也成為當(dāng)前研究的熱點。

所謂機(jī)器視覺,美國制造工程師協(xié)會機(jī)器視覺分會和美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會的自動化視覺分會給出的定義是:“機(jī)器視覺是通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖像,以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運動的裝置。”

機(jī)器視覺作為與人眼類似的機(jī)器仿生系統(tǒng),從廣義角度凡是通過光學(xué)裝置獲取真實物體的信息以及對相關(guān)信息的處理與執(zhí)行都是機(jī)器視覺,這就包括了可見視覺以及非可見視覺,甚至包括人類視覺不能直接觀察到的、物體內(nèi)部信息的獲取與處理等。

視覺伺服的定義

人類對于外部的信息獲取大部分是通過眼睛獲得的,千百年來人類一直夢想著能夠制造出智能機(jī)器,這種智能機(jī)器首先具有人眼的功能,可以對外部世界進(jìn)行認(rèn)識和理解。人腦中有很多組織參與了視覺信息的處理,因而能夠輕易的處理許多視覺問題,可是視覺認(rèn)知作為一個過程,人類卻知道的很少,從而造成了對智能機(jī)器的夢想一直難以實現(xiàn)。隨著照相機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn),具有視覺功能的智能機(jī)器開始被人類制造出來,逐步形成了機(jī)器視覺學(xué)科和產(chǎn)業(yè)。所謂機(jī)器視覺,美國制造工程師協(xié)會機(jī)器視覺分會和美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會的自動化視覺分會給出的定義是:

“機(jī)器視覺是通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖像,以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運動的裝置。”

機(jī)器人視覺發(fā)展歷程

上個世紀(jì)60年代,由于機(jī)器人和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,人們開始研究具有視覺功能的機(jī)器人。但在這些研究中,機(jī)器人的視覺與機(jī)器人的動作,嚴(yán)格上講是開環(huán)的。機(jī)器人的視覺系統(tǒng)通過圖像處理,得到目標(biāo)位姿,然后根據(jù)目標(biāo)位姿,計算出機(jī)器運動的位姿,在整個過程中,視覺系統(tǒng)一次性地“提供”信息,然后就不參與過程了。在1973年,有人將視覺系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng),在這一時期把這一過程稱作視覺反饋（visualfeedback）。直到1979年,hill和park提出了“視覺伺服”（visualservo）概念。很明顯,視覺反饋的含義只是從視覺信息中提取反饋信號,而視覺伺服則是包括了從視覺信號處理,到機(jī)器人控制的全過程,所以視覺伺服比視覺反饋能更全面地反映機(jī)器人視覺和控制的有關(guān)研究內(nèi)容。

上個世紀(jì)80年以來,隨著計算機(jī)技術(shù)和攝像設(shè)備的發(fā)展,機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)的技術(shù)問題吸引了眾多研究人員的注意。在過去的幾年里,機(jī)器人視覺伺服無論是在理論上還是在應(yīng)用方面都取得了很大進(jìn)展。在許多學(xué)術(shù)會議上,視覺伺服技術(shù)經(jīng)常列為會議的一個專題。視覺伺服已逐漸發(fā)展為跨機(jī)器人、自動控制和圖像處理等技術(shù)領(lǐng)域的一門獨立技術(shù)。

機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)分類

目前,機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)有以下幾種分類方式:

按照攝像機(jī)的數(shù)目的不同,可分為單目視覺伺服系統(tǒng)、雙目視覺伺服系統(tǒng)以及多目視覺伺服系統(tǒng)

單目視覺系統(tǒng)只能得到二維平面圖像,無法直接得到目標(biāo)的深度信息;多目視覺伺服系統(tǒng)可以獲取目標(biāo)多方向的圖像,得到的信息豐富,但圖像的信息處理量大,且攝像機(jī)越多越難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)前的視覺伺服系統(tǒng)主要采用雙目視覺。

按照攝像機(jī)放置位置的不同,可以分為手眼系統(tǒng)（eyeinhand）和固定攝像機(jī)系統(tǒng)（eyetohand或standalone）

在理論上手眼系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制,但對系統(tǒng)的標(biāo)定誤差和機(jī)器人運動誤差敏感;固定攝像機(jī)系統(tǒng)對機(jī)器人的運動學(xué)誤差不敏感,但同等情況下得到的目標(biāo)位姿信息的精度不如手眼系統(tǒng),所以控制精度相對也低。

按照機(jī)器人的空間位置或圖像特征,視覺伺服系統(tǒng)分為基于位置的視覺伺服系統(tǒng)和基于圖像的視覺伺服系統(tǒng)

在基于位置的視覺伺服系統(tǒng)中,對圖像進(jìn)行處理后計算出目標(biāo)相對于攝像機(jī)和機(jī)器人的位姿,所以這就要求對攝像機(jī)、目標(biāo)和機(jī)器人的模型進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)精度影響控制精度,這是這種方法的難點?？刂茣r將需要變化的位姿轉(zhuǎn)化成機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度,由關(guān)節(jié)控制器來控制機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。

在基于圖像的視覺伺服系統(tǒng)中,控制誤差信息來自于目標(biāo)圖像特征與期望圖像特征之間的差異。對于這種控制方法,關(guān)鍵的問題是如何建立反映圖像差異變化與機(jī)器手位姿速度變化之間關(guān)系的圖像雅可比矩陣;另外一個問題是,圖像是二維的,計算圖像雅可比矩陣需要估計目標(biāo)深度（三維信息）,而深度估計一直是計算機(jī)視覺中的難點。

雅可比矩陣的計算方法有公式推導(dǎo)法、標(biāo)定法、估計方法以及學(xué)習(xí)方法等,前者可以根據(jù)模型推導(dǎo)或標(biāo)定得到,后者可以在線估計,學(xué)習(xí)方法主要利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

按照采用閉環(huán)關(guān)節(jié)控制器的機(jī)器人,視覺伺服系統(tǒng)分為動態(tài)觀察-移動系統(tǒng)和直接視覺伺服。