圖像處理技術在機器人視覺系統(tǒng)中的運用

1、 機器人視覺系統(tǒng)的概念與應用機器人視覺系統(tǒng)的概念與應用 基于圖像處理的機器人視覺系統(tǒng)基于圖像處理的機器人視覺系統(tǒng) 機器人視覺系統(tǒng)研究概況機器人視覺系統(tǒng)研究概況 機器人視覺系統(tǒng)機器人視覺系統(tǒng)是：機器人通過其是：機器人通過其感知工作環(huán)境中信息感知工作環(huán)境中信息 或者其感興趣信息，并記錄這些信息作為決策依據(jù)，對之進或者其感興趣信息，并記錄這些信息作為決策依據(jù)，對之進 行分析行分析的系統(tǒng)的系統(tǒng)。機器人視覺。機器人視覺系統(tǒng)系統(tǒng)目前在機器人目前在機器人系統(tǒng)中系統(tǒng)中的主要的主要 應用有：提供描述場景的數(shù)據(jù)、控制所需的目標位置方位或應用有：提供描述場景的數(shù)據(jù)、控制所需的目標位置方位或 運動等數(shù)據(jù)，運動等數(shù)據(jù)，

2、常見的視覺系統(tǒng)常見的視覺系統(tǒng)如視覺搜索定位系統(tǒng)，視覺跟如視覺搜索定位系統(tǒng)，視覺跟 蹤系統(tǒng)等。蹤系統(tǒng)等。 用視覺進行產品檢驗用視覺進行產品檢驗, , 代替人的目檢代替人的目檢 輔助機器人輔助機器人完成分類、完成分類、 搬運和裝配任務搬運和裝配任務 為移動機器人進行導為移動機器人進行導 航航 我們我們以機器人測距為例，來比較不同方法以機器人測距為例，來比較不同方法： 微波雷達測距微波雷達測距: :性能相對穩(wěn)定性能相對穩(wěn)定但成本高，而且但成本高，而且空間空間 的覆蓋面積有限的覆蓋面積有限, ,彼此之間有可能會產生一些電磁干彼此之間有可能會產生一些電磁干 擾擾。 2.2.激光雷達測距激光雷達測距: :

3、測量的精度比較高、量程較長、測測量的精度比較高、量程較長、測 量時間短量時間短；但是；但是激光雷達的耗能大、造價高、容易傷激光雷達的耗能大、造價高、容易傷 害人的眼睛害人的眼睛。 3.3.超聲波測距超聲波測距: :原理簡單且成本低原理簡單且成本低, ,但是超聲波傳輸速但是超聲波傳輸速 度易受到天氣的影響度易受到天氣的影響, ,致使得到的距離信息有很大差致使得到的距離信息有很大差 異性。異性。 4.4.基于圖像處理的視覺測距基于圖像處理的視覺測距: :通過通過圖像處理算法及攝像圖像處理算法及攝像 機模型機模型, ,計算目標物體與機器人的距離信息。這種方法計算目標物體與機器人的距離信息。這種方法

4、具有噪聲低、尺寸小、功耗小、質量輕、動態(tài)范圍大具有噪聲低、尺寸小、功耗小、質量輕、動態(tài)范圍大 等優(yōu)越特性。等優(yōu)越特性。 從上面我們不難看出，在機器人視覺系統(tǒng)的某些運從上面我們不難看出，在機器人視覺系統(tǒng)的某些運 用中，基于圖像處理的方法具有明顯的優(yōu)勢。用中，基于圖像處理的方法具有明顯的優(yōu)勢。 機器人視覺系統(tǒng)從功能上主要包括數(shù)字圖像的獲取、圖像機器人視覺系統(tǒng)從功能上主要包括數(shù)字圖像的獲取、圖像 的預處理、特征提取和圖像識別幾部分。的預處理、特征提取和圖像識別幾部分。 圖像分割圖像分割 圖像識別圖像識別 運動目標檢測與追蹤運動目標檢測與追蹤 圖像分割圖像分割 1 1、基于閾值的分割算法、基于閾值的分

5、割算法 迭代式閾值法，雙峰閾值法，迭代式閾值法，雙峰閾值法， 直方圖閾值法，自適應閾值法直方圖閾值法，自適應閾值法 等等 2 2、基于邊緣的分割算法、基于邊緣的分割算法 常見的邊緣檢測算子有：常見的邊緣檢測算子有： RobertRobert算子，算子，LaplacianLaplacian算子算子 ，SobelSobel算子，算子，CannyCanny算子等算子等 。 3 3、基于區(qū)域的分割算法、基于區(qū)域的分割算法 該方法對噪聲具有一定的抗干該方法對噪聲具有一定的抗干 擾能力，擾能力，但是但是區(qū)域特性的選取區(qū)域特性的選取 比較困難比較困難 B. B. 圖像識別圖像識別 1.1.基于基于目標幾何模

6、型目標幾何模型( (即即CADCAD模模 型型) )的方法的方法 2.2.基于目標的實際外觀效果基于目標的實際外觀效果 的方法的方法: :諸如直方圖法諸如直方圖法, ,特征特征 空間法等空間法等 3.3.基于局部特征不變量的基于局部特征不變量的方法方法: 在在描述圖像局部區(qū)域和處理外來描述圖像局部區(qū)域和處理外來 噪音方面噪音方面有著有著優(yōu)良特性優(yōu)良特性 C.C.運動目標檢測與追蹤運動目標檢測與追蹤 一類是一類是采用雙目立體視覺技術，例如美國研究的機遇號與勇氣號這兩個采用雙目立體視覺技術，例如美國研究的機遇號與勇氣號這兩個 火星探測車火星探測車, ,對障礙物的檢測主要是基于立體視覺的方法；對障礙

7、物的檢測主要是基于立體視覺的方法； C.C.運動目標檢測與追蹤運動目標檢測與追蹤 另一類方法是采用單目視覺系統(tǒng)采集圖像，再根據(jù)一定算法進行運動目標檢測，運動目標另一類方法是采用單目視覺系統(tǒng)采集圖像，再根據(jù)一定算法進行運動目標檢測，運動目標 檢測算法有很多檢測算法有很多, ,主要包括了背景差分法、幀間差分法和光流法等。；主要包括了背景差分法、幀間差分法和光流法等。； 1.1.光流法光流法2.2.背景差分法背景差分法3.3.幀間差分法幀間差分法 目前，美國、日本等國家在機器人視覺領域的研究處于領先地位。美國麻省理工學目前，美國、日本等國家在機器人視覺領域的研究處于領先地位。美國麻省理工學 院的院的

8、MargrittMargritt實現(xiàn)了基于路標的移動機器人定位。日本學者實現(xiàn)了基于路標的移動機器人定位。日本學者S.MurakamiS.Murakami等研究的弧焊機器等研究的弧焊機器 人焊縫跟蹤控制系統(tǒng)，采用了視覺傳感器并用神經網絡進行圖像處理以獲得焊縫的形狀數(shù)人焊縫跟蹤控制系統(tǒng)，采用了視覺傳感器并用神經網絡進行圖像處理以獲得焊縫的形狀數(shù) 據(jù)，進行焊縫跟蹤。據(jù)，進行焊縫跟蹤。NagataNagata和和KonishiKonishi將機器人視覺伺服技術和遺傳算法相結合，實現(xiàn)對將機器人視覺伺服技術和遺傳算法相結合，實現(xiàn)對 機器人的控制。瑞士的機器人的控制。瑞士的Alain CodoureyAla

9、in Codourey對微機器人的視覺進行了研究。澳大利亞對微機器人的視覺進行了研究。澳大利亞WesternWestern 大學研制了大學研制了AustraliaAustralias Telerobots Telerobot機器人，它是一個具有視覺系統(tǒng)的六自由度工業(yè)機器機器人，它是一個具有視覺系統(tǒng)的六自由度工業(yè)機器 人，通過不斷更新的圖像進行操作。人，通過不斷更新的圖像進行操作。 上圖分別為麻省理工學院的獵豹機器人和日本安川電機公司開發(fā)的弧焊機器人，均采上圖分別為麻省理工學院的獵豹機器人和日本安川電機公司開發(fā)的弧焊機器人，均采 用了先進的機器人視覺系統(tǒng)設計技術以及圖像處理技術。用了先進的機器人

10、視覺系統(tǒng)設計技術以及圖像處理技術。 國內很多高校在機器國內很多高校在機器人人視覺領域也進行了大量研究。華中科技大學彭剛視覺領域也進行了大量研究。華中科技大學彭剛 利用機器視覺和超聲測距對運動的目標進行跟蹤和抓取。北京航空航天大學利用機器視覺和超聲測距對運動的目標進行跟蹤和抓取。北京航空航天大學 孟偲利用手眼視覺系統(tǒng)的測量與定位，判斷是否可抓持目標物體。東南大學孟偲利用手眼視覺系統(tǒng)的測量與定位，判斷是否可抓持目標物體。東南大學 席文明在焊接中引入了一種視覺引導的機器人。華中理工大學劉延林通過基席文明在焊接中引入了一種視覺引導的機器人。華中理工大學劉延林通過基 于機器視覺的方法獲得毛坯的圖像來識別毛坯。華中科技大學王敏利用超聲于機器視覺的方法獲得毛坯的圖像來識別毛坯。華中科技大學王敏利用超聲 測量與機器視覺相結合的方法，對待裝配工件進行識別和空間定位。測量與機器視覺相結合的方法，對待裝配工件進行識別和空間定位。 目前國內外機器人視覺系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面目前國內外機器人視覺系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面: : (l)(l)提高視覺系統(tǒng)的速度