機(jī)器視覺基本上是利用光學(xué)的、非接觸式的傳感器來自動地接收和解釋一個真實場景的圖像,以便獲得信息來控制機(jī)器或工藝流程。視覺系統(tǒng)可以獨立地應(yīng)用,比如作為檢測工具或者自動控制系統(tǒng)中的一個部件。最初的視覺系統(tǒng)與其他大多數(shù)自動控制設(shè)備一樣,昂貴且難以使用。近幾年,它們的成本大大降低,識別能力也顯著提高,使用起來更容易。因此,視覺的應(yīng)用呈指數(shù)增加,并且已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于許多自動化系統(tǒng)和加工工藝中。

必須注意的是,機(jī)器視覺現(xiàn)在在許多方面還確實比不上人類的視覺能力。因此,任何視覺應(yīng)用都必須經(jīng)過仔細(xì)考量。機(jī)器視覺是連續(xù)的、不知疲倦的,許多視覺設(shè)備能在可見光譜之外工作,還能在惡劣的環(huán)境中工作,精確地執(zhí)行預(yù)設(shè)定的程序。人類視覺與之相反,有更高的圖像分辨率,能夠快速地解釋復(fù)雜的感官信息,具有高度的適應(yīng)性,但是它被約束在可見光譜范圍之內(nèi),容易疲勞,且是主觀的。

機(jī)器視覺適用于工件識別、尋找位置、檢測和測量。因此,它被應(yīng)用于高速生產(chǎn)線上的監(jiān)測、微觀監(jiān)測和閉環(huán)流程控制等各種生產(chǎn)環(huán)境,包括潔凈空間和危險環(huán)境。同時也可以應(yīng)用于精確的非接觸測量和機(jī)器人引導(dǎo)。這里,不講述所有這些應(yīng)用,而是重點討論與機(jī)器人系統(tǒng)有關(guān)的視覺應(yīng)用問題。視覺在機(jī)器人系統(tǒng)中的主要應(yīng)用是引導(dǎo),既有工件的拾取和追蹤、工件有無的檢查和缺陷識別,也有工件識別,包括光學(xué)特性鑒定和條碼讀取。這些將在后面詳細(xì)討論。

首先,值得介紹簡單視覺系統(tǒng)的主要元件和操作。典型的視覺系統(tǒng)包括照相機(jī)、照明設(shè)備、處理硬件和軟件。軟件專門用于視覺系統(tǒng)并針對特定的應(yīng)用進(jìn)行圖像分析。在視覺系統(tǒng)中,有3個主要的操作:第一,獲取圖像;第二,處理或修改圖像數(shù)據(jù);第三,提取所需要的信息。每一個操作都會對它的下一操作產(chǎn)生影響。例如,首次操作中采用外部光源照明方法可以大大簡化圖像的捕捉,而圖像的捕捉會減少所需的處理,并使之更方便地提取所需信息。

可供挑選的照相機(jī)有很多種,其關(guān)鍵參數(shù)是分辨率、視場、景深和焦距。焦距決定了照相機(jī)提供的聚焦圖像的標(biāo)稱距離。景深是指焦點前后像的清晰范圍。視場決定了在焦距長度上成像的大小。分辨率是圖像分成的單獨小格的數(shù)量,它決定了可分辨的最小度量或特征。

照明設(shè)備是最重要的。有許多不同的技術(shù)可供選擇,包括來自正前方、后方或物體一側(cè)的直射和漫射照明,以及結(jié)構(gòu)光和偏振光的照明。環(huán)境照明的影響包括:日光、工廠照明和任何其他可能的光源。特別地,環(huán)境光線的改變必須不能影響視覺系統(tǒng)的操作。視覺系統(tǒng)照明的目的有兩方面:一是突出物體的重要特征,二是去除環(huán)境光線改變造成的任何可能的影響。

舉個例子,對于焊接引導(dǎo)系統(tǒng),視覺傳感器被直接安裝在焊槍的前面,在離焊縫僅25mm的地方對準(zhǔn)焊縫。為了使相機(jī)“看見”焊縫,激光產(chǎn)生的紅外線提供照明,安裝在相機(jī)前的濾光器篩除該激光波長之外的其他所有光線。來自焊接過程中的光線就這樣從相機(jī)接收的圖像中濾除,以便使相機(jī)“看見”焊縫。

背光源對工件定位和測量很有幫助,因為它將物體的圖像簡化為除去所有表面特征的陰影,因此簡化了視覺系統(tǒng)的任務(wù)。物體所處的背景對于區(qū)分工件也很重要。視覺的典型應(yīng)用就是當(dāng)機(jī)器人從傳送帶拾取工件時,提供工件位置和方向信息,例如把巧克力裝入盒子中。我們經(jīng)常使用白色的傳動帶,因為它的顏色與巧克力的顏色產(chǎn)生強(qiáng)烈的反差。

突出重要特征或從圖像中去除無關(guān)的信息,將使圖像處理的復(fù)雜度和時間顯著降低。此外,視覺操作的可靠性也會提高。如果環(huán)境光線改變帶來的影響可以消除,那么也會提高其可靠性。為了完全消除環(huán)境光線的影響,有必要把圖像操作放進(jìn)一個不透光的盒子中。

在機(jī)器人自動化系統(tǒng)中,視覺最廣泛地應(yīng)用在包裝上,尤其是在食品工業(yè)。產(chǎn)品常常散亂地放在傳送帶上,然后被輸送到機(jī)器人包裝工作站。圖像系統(tǒng)用來確定產(chǎn)品的位置,然后將這些信息反饋給機(jī)器人,讓它從傳送帶上拾取產(chǎn)品并將產(chǎn)品放入包裝盒中。這些是常見的傳送帶,因此,在輸入端需要由圖像系統(tǒng)在整個機(jī)器人單元內(nèi)一直跟蹤拾取點的位置。這些系統(tǒng)常常包括多個機(jī)器人,所以需要判斷由哪臺機(jī)器人完成拾取操作,以便平衡機(jī)器人之間的工作負(fù)擔(dān)。對于這些典型應(yīng)用,有一些標(biāo)準(zhǔn)的解決方法能使實施更簡便,性價比更高。

同樣的視覺系統(tǒng)也可以用于質(zhì)量控制。例如,通過檢查要封裝的巧克力的形狀來確保所有畸形的產(chǎn)品都被剔除。另一個例子是小薄餅的包裝。在包裝過程中,視覺還檢查小薄餅的顏色。顏色太深表示小薄餅火大了,太淺則火候不到。

在這兩種情況下,小薄餅都要被剔除。視覺系統(tǒng),尤其是用在裝配系統(tǒng)中的,用于對特征或工件檢查。檢查之前的操作是否成功,同時確保當(dāng)遇到不合適的工件時裝配能自動停止。

視覺也用于檢查手工裝載的夾具,檢查在下一個操作前所有工件是否被預(yù)先裝載,確保所有物品都在要求的位置上。雖然也可以通過在每個工件上安裝單獨的傳感器來實現(xiàn),但是視覺方法的性價比可能更高,尤其是當(dāng)有許多不同的工件使用同一個具時。

視覺還可以用來讀取標(biāo)簽上的字符或是提供產(chǎn)品標(biāo)識的條形碼。例如,碼垛系統(tǒng)可以利用視覺識別不同的盒子,確保它們放在正確的托盤上。在這種類型的大多數(shù)應(yīng)用中,條形碼閱讀器往往成本低廉,但是,有些情況下視覺系統(tǒng)更勝籌。

機(jī)器視覺通過提供導(dǎo)引、測量或質(zhì)量控制使應(yīng)用自動化運行成為可能。視覺系統(tǒng)的成本持續(xù)降低,同時使用便捷性和性能不斷提高。然而,視覺系統(tǒng)一定需要仔細(xì)調(diào)研,確保操作的可靠性。