機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取</p><p><b>　　誠(chéng)信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)

2、下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日 </p><p>　　基于視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取</p><p>　　摘要：隨著科技的飛速發(fā)展，人類對(duì)機(jī)器的智能化程度要求也越來越高。隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷進(jìn)步和被引入機(jī)器人領(lǐng)域，機(jī)器人開始具備自己的

3、“眼睛”。不但擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，而且提高了其智能化程度。本文研究的目的是對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，將機(jī)器視覺技術(shù)引入原有的工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，如本次研究所采用的七軸機(jī)械臂，利用機(jī)器視覺技術(shù)獲取工件及其周圍環(huán)境的信息，識(shí)別出所要操作的目標(biāo)工件，并能做出決策來引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人完成對(duì)工件的抓取和放置等操作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：七軸機(jī)械臂，機(jī)器視覺，智能抓取，視覺識(shí)別</p><p>

4、　　Seven axis manipulator intelligent grasping based on visual identification</p><p>　　Abstract：With the rapid development of science and technology, human intelligence of machines are increasingly high requi

5、rements. With the development of machine vision technology was introduced into the field of robot and robot, which possesses its own "eyes". Not only expanded the scope of its application, but also improves the

6、 intelligent level of. The purpose of this study is to develop the design of industrial robot control system, the machine vision technology into the field of industrial </p><p>　　Keywords: seven axismanipula

7、tor,machine vision,intelligent,visual recognition</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂應(yīng)用背景1</p><p>　　1.1.1七軸機(jī)械臂的發(fā)

8、展歷程1</p><p>　　1.1.2視覺識(shí)別的發(fā)展歷程2</p><p>　　1.2應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向3</p><p>　　1.2.1七軸機(jī)械臂的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向3</p><p>　　1.2.2機(jī)器視覺的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向4</p><p>　　2視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取控制系統(tǒng)介紹7<

9、/p><p>　　2.1七軸機(jī)械臂系統(tǒng)簡(jiǎn)介7</p><p>　　2.2機(jī)器視覺系統(tǒng)簡(jiǎn)介11</p><p>　　2.3七軸機(jī)械臂及機(jī)器視覺等開發(fā)工具的選擇16</p><p>　　3基于視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取的分析與設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.1系統(tǒng)的總體功能需求18</p><

10、p>　　3.2控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)原理19</p><p>　　4基于視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取的實(shí)現(xiàn)20</p><p>　　4.1視覺識(shí)別系統(tǒng)的軟件搭建20</p><p>　　4.2七軸機(jī)械臂的3D軟件搭建25</p><p><b>　　4.3小結(jié)28</b></p><p>

11、;　　5全文總結(jié)和展望30</p><p>　　5.1全文總結(jié)30</p><p>　　5.2下一步工作展望30</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　致謝33</b></p><p><b>　　附 錄34&l

12、t;/b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂應(yīng)用背景</p><p>　　1.1.1七軸機(jī)械臂的發(fā)展歷程</p><p>　　機(jī)器人是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器，是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備，是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。機(jī)械手臂是在早期

13、就有的古機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，我國(guó)古代的機(jī)關(guān)人制造者是最早研究有關(guān)機(jī)械手臂、關(guān)節(jié)活動(dòng)等問題的?，F(xiàn)在機(jī)械手臂的研究始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問世，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國(guó)于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手臂，1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手臂。</p>

14、<p>　　1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)鉚釘機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是；機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁快的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年，美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一

15、種叫Vewrsatran的機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十世紀(jì)初的機(jī)械手，是后來國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。</p>

16、;<p>　　目前，機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)節(jié)。</p>

17、<p>　　20世紀(jì)90年代初及其以前，主要是以模擬設(shè)備為主的閉路系統(tǒng)，稱為第一代視頻監(jiān)控系統(tǒng)，即模擬圖像監(jiān)控系統(tǒng)。典型的模擬監(jiān)控系統(tǒng)一般由圖像攝影部分(模擬攝像機(jī)、鏡頭，云臺(tái)、麥克風(fēng)等)、圖像傳輸部分(電纜、光纜、射頻)、視頻控制部分(操作鍵盤、視頻分配器、視頻矩陣切換器、云臺(tái)控制器、字符疊加器等)和顯示記錄部分(視頻矩陣，監(jiān)控器，錄像機(jī)等組成)組成。最簡(jiǎn)單的監(jiān)控系統(tǒng)是由一架攝像機(jī)和一臺(tái)監(jiān)視器組成，中間用傳輸線連接。<

18、;/p><p>　　第一代系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單。但是，其缺點(diǎn)非常明顯[3]：它采用同軸電纜傳輸，傳輸距離近，布線復(fù)雜，設(shè)備、材料費(fèi)用高，施工困難；另外，由于視頻圖像是模擬的，圖像數(shù)據(jù)量大，錄像時(shí)間短，而長(zhǎng)時(shí)間錄像時(shí)錄像機(jī)存儲(chǔ)丟失的信息多、由于模擬信號(hào)很容易受到干擾，導(dǎo)致圖像質(zhì)量差；其順序存儲(chǔ)的方式又使得查詢速度慢；擴(kuò)展能力差，如果要新增監(jiān)控點(diǎn)，往往是牽一發(fā)而動(dòng)全身，新的設(shè)備很難添加到原有的系統(tǒng)中。</p

19、><p>　　1.1.2視覺識(shí)別的發(fā)展歷程</p><p>　　機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分 CMOS 和CCD 兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。</p>

20、;<p>　　國(guó)外機(jī)器視覺發(fā)展的起點(diǎn)難以準(zhǔn)確考證，其大致的發(fā)展歷程是：20世紀(jì)50年代提出機(jī)器視覺概念，20世紀(jì)70年代真正開始發(fā)展，20世紀(jì)80年代進(jìn)入發(fā)展正軌，20世紀(jì)90年代發(fā)展趨于成熟，20世紀(jì)90年代后高速發(fā)展。在機(jī)器視覺發(fā)展的歷程中，有三個(gè)明顯的標(biāo)志點(diǎn)，一是機(jī)器視覺的最先應(yīng)用來自“機(jī)器人”的研制，也就是說，機(jī)器視覺首先是在機(jī)器人的研究中發(fā)展起來的；二是20世紀(jì)70年代CCD圖像傳感器的出現(xiàn)，CCD攝像機(jī)代替硅靶

21、攝像是機(jī)器視覺發(fā)展歷程中的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)；三是20世紀(jì)80年代CPU、DSP等圖像處理硬件技術(shù)的飛速進(jìn)步，為機(jī)器視覺的發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。</p><p>　　國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺發(fā)展的大致歷程:中國(guó)正在成為世紀(jì)機(jī)器視覺發(fā)展最活躍的地區(qū)之一，其中最主要的原因是中國(guó)已經(jīng)成為全球的加工中心，許許多多先進(jìn)生產(chǎn)線已經(jīng)或正在遷移至中國(guó)，伴隨這些先進(jìn)生產(chǎn)線的遷移，許多具有國(guó)際先進(jìn)水平的機(jī)器視覺系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入中國(guó)，對(duì)這些機(jī)器視覺系統(tǒng)的維

22、護(hù)和提升而產(chǎn)生的市場(chǎng)需求也將國(guó)際機(jī)器視覺企業(yè)吸引而至，國(guó)內(nèi)的機(jī)器視覺企業(yè)在與國(guó)際機(jī)器視覺企業(yè)的學(xué)習(xí)與競(jìng)爭(zhēng)中不斷成長(zhǎng)。</p><p>　　1.2應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向</p><p>　　1.2.1七軸機(jī)械臂的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向</p><p>　　機(jī)器人是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器，是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備。機(jī)器人按技術(shù)層次分為：固定程序控制機(jī)器人、示教再現(xiàn)機(jī)器

23、人和智能機(jī)器人等。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和日益普及，機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)和控制也變得越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)方法已經(jīng)逐漸顯示出了制約機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展的弊端，為此，研究者們尋求機(jī)器人模塊化和組件化設(shè)計(jì)新方法，機(jī)器人結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三維一體化，由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)，國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。</p><p>　　本設(shè)計(jì)所使用的機(jī)器人為

24、7自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人，其軸線相互平行或垂直，能夠在空間內(nèi)進(jìn)行定位，采用國(guó)外進(jìn)口的高精度伺服電機(jī)、內(nèi)置32位的ARM處理器，12位非接觸式約對(duì)編碼器精確采集位置信息，尺寸小、重量輕、精度高；控制軟件采用高校最流行的編程語(yǔ)言MATLAB實(shí)現(xiàn)，采用可視化設(shè)計(jì)，控制簡(jiǎn)單，編程方便，尤其是MATLAB本身搜獨(dú)有的強(qiáng)大的計(jì)算能力，對(duì)機(jī)器人控制的算法研究具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。7軸智能化機(jī)器人手臂與MATLAB的完美結(jié)合，是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想平臺(tái)

25、。它具有高度的能動(dòng)性和靈活性，具有廣闊的開闊空間，是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想對(duì)象。</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)包括機(jī)器人1臺(tái)、實(shí)驗(yàn)附件和機(jī)器人控制軟件1套。</p><p>　　機(jī)器人采用串聯(lián)式開鏈結(jié)構(gòu)，即機(jī)器人各連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)連接，各關(guān)節(jié)軸線相互平行或垂直。連桿的一端裝在固定的支座上，另一端處于自由狀態(tài)，可安裝各種工具以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)。關(guān)節(jié)的作用是使相互聯(lián)接的兩個(gè)

26、連桿產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　機(jī)器人各關(guān)節(jié)采用國(guó)外進(jìn)口的高精度舵機(jī)，該舵機(jī)內(nèi)置一個(gè)32位的高速處理器，重量?jī)H為72克，尺寸僅為尺寸：35.6mm×50.6mm×35.5mm，能夠反饋位置、負(fù)載、溫度、電壓等。與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸采用高速的串行總線進(jìn)行連接，通過高達(dá)4M的虛擬串口與控制軟件進(jìn)行通信，在MATLAB環(huán)境下，使用簡(jiǎn)單的命令就可以直接控制機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)。</p>

27、<p>　　EF-IRC-I機(jī)器人手臂是一種由一套具有各種尺寸和性能特征的可交替的模塊組成的，能夠被裝配成各種不同構(gòu)型的機(jī)器人。EF-IRC-I機(jī)器人手臂為串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人，串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域在汽車、焊接、碼垛等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)機(jī)器人類型，而模塊化機(jī)器人正是體現(xiàn)工業(yè)串聯(lián)機(jī)器人的特征與功能。</p><p>　　EF-IRC-I機(jī)器人手臂是一種典型的工業(yè)機(jī)器人，在自動(dòng)搬運(yùn)、焊接、噴涂、

28、裝配等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。模塊化設(shè)計(jì)方法在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都體現(xiàn)了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，模塊化具有獨(dú)立性、功能性、成組性的優(yōu)點(diǎn)，其組合具備很強(qiáng)的目的性、靈活性、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，模塊接口在互換性的基礎(chǔ)上兼顧界面穩(wěn)定性與參數(shù)的一致性，模塊化設(shè)計(jì)能減少工作量、縮短研制周期減少生產(chǎn)成本以及改善系統(tǒng)，易于維護(hù)，因此模塊化設(shè)計(jì)方法在機(jī)器人技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用并取得很好的效果。</p><p>　　1.2.2機(jī)器視覺的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方

29、向</p><p>　　在國(guó)外,機(jī)器視覺的應(yīng)用普及主要是體現(xiàn)在半導(dǎo)體及電子行業(yè)，其中大概40%-50%都集中在半導(dǎo)體行業(yè)。具體如PCB印刷電路：各類生產(chǎn)印刷電路板組裝技術(shù)、設(shè)備；單、雙面、多層線路板，覆銅板及所需的材料及輔料；輔助設(shè)施以及耗材、油墨、藥水藥劑、配件；電子封裝技術(shù)與設(shè)備；絲網(wǎng)印刷設(shè)備以及絲網(wǎng)周邊材料等。SMT表面貼裝；SMT工藝與設(shè)備、焊接設(shè)備、測(cè)試儀器、返修設(shè)備及各種輔助工具及配件、SMT材料、貼

30、片劑、膠貼劑、焊劑、焊料及防氧化油、焊膏、清洗劑等、波峰焊機(jī)及自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備。電子生產(chǎn)加工設(shè)備：電子元件制造設(shè)備、半導(dǎo)體及集成電路制造設(shè)備、元器件成型設(shè)備、電子工模具。機(jī)器視覺系統(tǒng)還在質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且其產(chǎn)品在應(yīng)用中占據(jù)著舉足輕重的地位。除此之外，機(jī)器視覺還應(yīng)用與其他各個(gè)領(lǐng)域。</p><p>　　而在中國(guó)，以上行業(yè)本身就屬于新興的領(lǐng)域，再加之機(jī)器視覺產(chǎn)品技術(shù)的普及不夠，導(dǎo)致以上各

31、行業(yè)的應(yīng)用幾乎空白，即便是有，也只是低端方面的應(yīng)用。目前在我國(guó)，隨著配套基礎(chǔ)建設(shè)的完善，技術(shù)、資金的積累，各行各業(yè)對(duì)采用圖像和機(jī)器視覺技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化、智能化需求考試廣泛出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)有關(guān)大專院校、研究所和企業(yè)近兩年在圖像和機(jī)器視覺技術(shù)領(lǐng)域驚醒了積極思索和大膽的嘗試，逐步開始了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，其主要應(yīng)用與制藥、印刷、礦泉水瓶蓋檢測(cè)等領(lǐng)域。這些應(yīng)用大多集中在如藥品檢測(cè)分裝、印刷色彩檢測(cè)等。真正高端的應(yīng)用還很少，因此，以上相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用空間還比

32、較大。當(dāng)然，其他領(lǐng)域如指紋檢測(cè)等等領(lǐng)域也有著很好的發(fā)展空間。</p><p>　　在機(jī)器視覺賴以普及發(fā)展的諸多因素中，有技術(shù)層面的，也有商業(yè)層面的，但制造業(yè)的需求是決定性的。制造業(yè)的發(fā)展，帶來了對(duì)機(jī)器視覺需求的提升；也決定了機(jī)器視覺將由過去的單純采集、分析、傳遞數(shù)據(jù)，判斷動(dòng)作，逐漸朝著開放性的方向發(fā)展，這一趨勢(shì)也預(yù)示著機(jī)器視覺將與自動(dòng)化更進(jìn)一步的融合。</p><p>　　需求決定產(chǎn)品，只

33、有滿足需求的產(chǎn)品才有生存的空間，這是不變的規(guī)律。機(jī)器視覺也是如此。</p><p>　　未來中國(guó)的機(jī)器視覺發(fā)展主要表現(xiàn)為以下一些特性：</p><p>　　(1)隨著產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對(duì)機(jī)器視覺的需求將呈上升趨勢(shì)</p><p>　　機(jī)器視覺發(fā)展空間較大的部分在半導(dǎo)體和電子行業(yè)，而據(jù)我國(guó)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球集成電路產(chǎn)業(yè)復(fù)蘇跡象明顯；與此同時(shí)，全球經(jīng)濟(jì)衰退使我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)獲取

34、了市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)、人才固流等因素；國(guó)家加大對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)這一戰(zhàn)略領(lǐng)域的規(guī)劃力度，“信息化帶動(dòng)工業(yè)化”，走“新興工業(yè)化道路”為集成電路產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的發(fā)展機(jī)遇，特別是高端產(chǎn)品和創(chuàng)新產(chǎn)品市場(chǎng)孔家巨大，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、國(guó)家戰(zhàn)略領(lǐng)域、3C應(yīng)用領(lǐng)域、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)類應(yīng)用領(lǐng)域成為集成電路產(chǎn)業(yè)未來幾年的重點(diǎn)投資領(lǐng)域。</p><p>　　此外，中國(guó)已經(jīng)成為全球集成電路的一個(gè)重要需求市場(chǎng)。中國(guó)的半導(dǎo)體和電子市場(chǎng)已初具規(guī)模，而如此強(qiáng)大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將

35、需要更高質(zhì)量的技術(shù)做后盾。同時(shí)他對(duì)于產(chǎn)品的高質(zhì)量、高集成度的要求也將越來越高。恰巧，機(jī)器視覺也能幫助他們解決以上問題，因此該行業(yè)將是機(jī)器視覺最好的用武之地。同時(shí)，對(duì)于機(jī)器視覺的需求也蒸蒸日上。</p><p>　　（2）統(tǒng)一開放的標(biāo)準(zhǔn)是機(jī)器視覺發(fā)展的原動(dòng)力</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)有近數(shù)家機(jī)器視覺產(chǎn)品廠商，與國(guó)外機(jī)器視覺產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品最大的差距并不單純是在技術(shù)上，而且還包括品牌和只

36、是產(chǎn)權(quán)上；另一現(xiàn)狀是目前國(guó)內(nèi)的機(jī)器視覺產(chǎn)品主要以代理國(guó)外品牌為主，以此來逐漸朝著自助研發(fā)產(chǎn)品的路線靠近，起步較晚。未來機(jī)器視覺產(chǎn)品的好壞不能夠通過單一因素來衡量，應(yīng)該逐漸按照國(guó)際化的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)判定，隨著中國(guó)自動(dòng)化的逐漸開放，將帶領(lǐng)其相關(guān)的產(chǎn)品技術(shù)也逐漸開放。因此，依靠封閉的技術(shù)難以促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展，只有形成統(tǒng)一而開放的標(biāo)準(zhǔn)才能讓更多的廠商在相同的平臺(tái)上開發(fā)產(chǎn)品，這也是促進(jìn)中國(guó)機(jī)器視覺抄國(guó)際化水平發(fā)展的原動(dòng)力。</p>&l

37、t;p>　?。?）基于嵌入式的產(chǎn)品獎(jiǎng)取代板卡式產(chǎn)品</p><p>　　從產(chǎn)品本身看，機(jī)器視覺會(huì)越來越依靠PC技術(shù)，并且與數(shù)據(jù)采集等其他控制和測(cè)量的集成會(huì)更加緊密。且基于嵌入式的產(chǎn)品獎(jiǎng)逐漸取代板卡式產(chǎn)品，這是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。主要原因是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，尤其是其具備低耗技術(shù)的特點(diǎn)得到了人們的重視。另外，嵌入式操作系統(tǒng)絕大部分是以C語(yǔ)言為基礎(chǔ)的，因此使用C高

38、級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是一項(xiàng)帶有基礎(chǔ)性的工作，使用高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)是可以提高工作效率，縮短開發(fā)周期，更主要的是開發(fā)出的產(chǎn)品可靠性高，可維護(hù)性好，便于不斷完善和升級(jí)換代等。因此嵌入式產(chǎn)品將會(huì)取代板卡式產(chǎn)品。</p><p>　?。?）標(biāo)準(zhǔn)化、一體化解決方案也將是機(jī)器視覺的必經(jīng)之路</p><p>　　另外，由于機(jī)器視覺是自動(dòng)化的一部分，沒有自動(dòng)化就不會(huì)有機(jī)器視覺，機(jī)器視覺軟硬件產(chǎn)品正成為協(xié)作

39、生產(chǎn)制造過程中不同階段的核心系統(tǒng)，無論是用戶還是硬件供應(yīng)商都將機(jī)器視覺產(chǎn)品作為生產(chǎn)線上信息收集的工具，這就要求機(jī)器視覺產(chǎn)品大量采用“標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)”，直觀的說就是要隨著自動(dòng)化的開放而逐漸開放，可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行為此開發(fā)。當(dāng)今，自動(dòng)化企業(yè)正在倡導(dǎo)軟硬一體化解決方案，機(jī)器視覺的廠商在未來5-6年內(nèi)也應(yīng)該不單純只提供產(chǎn)品的供應(yīng)商，二是逐漸向一體化解決方案的系統(tǒng)集成商邁進(jìn)。</p><p><b>　　1.3設(shè)

40、計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)安排如下：</p><p>　　（1）利用機(jī)器視覺軟件hexsight對(duì)圖像進(jìn)行采集和處理，識(shí)別和定位物塊的位置。</p><p>　?。?）利用CytonViewer軟件對(duì)七軸機(jī)械臂進(jìn)行3D仿真。</p><p>　　（3）通過編程實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂坐標(biāo)系和工業(yè)相機(jī)所拍攝的圖像坐標(biāo)系之

41、間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)七軸機(jī)械臂對(duì)物塊的智能抓取。</p><p>　　2視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取控制系統(tǒng)介紹</p><p>　　2.1七軸機(jī)械臂系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　?。?）EF-IRC-I機(jī)器人手臂介紹</p><p>　　表2.1 七軸機(jī)械臂參考系數(shù)</p><p>　　EF-IRC-I機(jī)器人手臂是機(jī)器人

42、研發(fā)的最新成果，它是一種創(chuàng)新的具有7自由度機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)。由7個(gè)基本模塊組成，模塊從1到7關(guān)節(jié)逐節(jié)組合。每一個(gè)模塊單獨(dú)可以控制運(yùn)行，7個(gè)模塊組合之后構(gòu)成工業(yè)串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人形式。EF-IRC-I機(jī)器人手臂整體末端安裝手抓，進(jìn)行取放工作、裝配操作等任務(wù)。EF-IRC-I機(jī)器人手臂的杰出設(shè)計(jì)是利用多自由度結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的優(yōu)越性，使手臂能夠在三維立體空間內(nèi)做出各種類似人類手臂的彎曲、伸展動(dòng)作，進(jìn)而避開障礙物并完成規(guī)定的任務(wù)。EF-IRC-I機(jī)器人手

43、臂的各個(gè)關(guān)節(jié)可獨(dú)立控制以確保手臂運(yùn)動(dòng)的流暢性、快速性、精確性及可重復(fù)性。</p><p>　?。?）EF-IRC-I機(jī)器人手臂系統(tǒng)特色</p><p>　?、?開發(fā)式驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行器結(jié)構(gòu)</p><p>　　EF-IRC-I機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)采用高品質(zhì)PMDC伺服齒輪減速馬達(dá)組成。PMDC伺服齒輪減速馬達(dá)具有高性能、高精度、高扭矩特點(diǎn)的同時(shí)還具備能夠?qū)崟r(shí)反饋電機(jī)位置、速度、

44、電壓和溫度等重要信息，便于7軸機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)高精度控制的最有閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。EF-IRC-I機(jī)器人手臂采用模塊化設(shè)計(jì)，組合拆裝方便。</p><p><b>　?、?靈活的電子控制</b></p><p>　　EF-IRC-I機(jī)器人手臂內(nèi)置有一個(gè)通道伺服控制器，除了用于控制7個(gè)自由度的操作外，多余的通道可以用來控制其他的末端設(shè)備。多通道伺服控制器可通過USB接口、由網(wǎng)絡(luò)

45、或無線網(wǎng)絡(luò)通訊接和PC進(jìn)行通訊以完成系統(tǒng)仿真及置配操作。整體控制靈活，方便二次開發(fā)。</p><p>　　③ 完善的教學(xué)開發(fā)環(huán)境</p><p>　　EF-IRC-I機(jī)器人手臂系統(tǒng)軟件包括一個(gè)3D（3維立體視覺）GUI（圖形學(xué)生接口）軟件包，XML列表軟件包及SDK軟件包。3D GUI軟件包給學(xué)生一個(gè)EF-IRC-I機(jī)器人手臂系統(tǒng)的3維立體圖形仿真環(huán)境。</p><p&

46、gt;<b>　　④ 教學(xué)特點(diǎn)</b></p><p>　　EF-IRC-I機(jī)器人手臂在原有技術(shù)上增設(shè)多種控制模式—軟件控制、編程控制、手動(dòng)控制，3D仿真，真正實(shí)現(xiàn)控制的多樣化，能夠熟練掌握其結(jié)構(gòu)、原理。</p><p>　　（3）EF-IRC-I七軸機(jī)設(shè)備說明</p><p>　　Energid七軸機(jī)械手臂由7個(gè)關(guān)節(jié)和一個(gè)抓手組成。實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)和

47、抓手功能的硬件是舵機(jī)，因此，Energid七軸機(jī)械臂有8個(gè)舵機(jī)。通過程序直接控制這8個(gè)舵機(jī)，可以讓機(jī)械手做出類似于人手的各個(gè)動(dòng)作。</p><p>　　① 7個(gè)關(guān)節(jié)的名稱、位置及動(dòng)作</p><p>　　下圖1為機(jī)械手臂七個(gè)關(guān)節(jié)的名稱、位置及動(dòng)作</p><p>　　下圖2為機(jī)械手臂各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸線以及尺寸（單位：mm）</p><p>　　圖

48、2.1 機(jī)械手臂七個(gè)關(guān)節(jié)的名稱、位置及動(dòng)作</p><p>　　圖2.2 機(jī)械手臂關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線以及尺寸（尺寸單位：mm毫米）</p><p><b>　?、?關(guān)鍵參數(shù)</b></p><p>　　機(jī)械手臂垂直最大長(zhǎng)度：53.4cm</p><p>　　機(jī)械手臂水平最大長(zhǎng)度：48cm</p><p&g

49、t;　　重復(fù)性位置精度：+/-0.5mm</p><p>　　手指最大張度：3.5cm</p><p><b>　　角度限制</b></p><p>　　表2.2 機(jī)械臂關(guān)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)</p><p><b>　　說明：</b></p><p>　　系數(shù)C=360÷4

50、096</p><p>　　系數(shù)R=2×π÷4096</p><p>　　2.2機(jī)器視覺系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　　機(jī)器人手臂視覺識(shí)別控制系統(tǒng)（GUI-SX-T），專門針對(duì)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開展機(jī)器視覺與7軸機(jī)器人手臂控制的教學(xué)和研究，提供包括圖像測(cè)量、檢測(cè)、定位、跟蹤識(shí)別等多個(gè)圖像處理庫(kù)函數(shù)，功能強(qiáng)大，可覆蓋工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)器視覺、智能交通、航空航天

51、等眾多圖像處理應(yīng)用領(lǐng)域，為用戶提供完整的機(jī)器視覺解決方案。</p><p>　　機(jī)器人手臂視覺識(shí)別控制系統(tǒng)包含兩個(gè)重要組成部分：HexSight 機(jī)器視覺軟件系統(tǒng)和EBF-561 數(shù)字圖像處理開發(fā)平臺(tái)。HexSight 機(jī)器視覺軟件系統(tǒng)與3D GUI 軟件開發(fā)包協(xié)同控制7 軸機(jī)器人手臂實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺識(shí)別的智能應(yīng)用。</p><p>　　本機(jī)器視覺教學(xué)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)可利用其提供的大量圖像處理

52、和機(jī)器視覺算法進(jìn)行二次開發(fā)，無需復(fù)雜編程，就可搭建自己的機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)，解決現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中涉及的各種各樣視覺問題。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)開放，提供擴(kuò)展接口，也可添加自己的圖像處理優(yōu)異算法。</p><p>　　本機(jī)器視覺教學(xué)開發(fā)平臺(tái)提供多種圖像處理實(shí)驗(yàn)，如圖象分割、圖象融合、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖象測(cè)量、圖象處理、模式識(shí)別和人工智能、等實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)器視覺知識(shí)的深入理解和掌握，鍛煉學(xué)生的研究能力，創(chuàng)新思維以及獨(dú)立解決技

53、術(shù)難題的能力。</p><p>　　還可提供大量機(jī)器視覺項(xiàng)目應(yīng)用案例做為實(shí)驗(yàn)，為研究和學(xué)習(xí)提供了方便，通過實(shí)驗(yàn)操作，可學(xué)習(xí)到建立視覺應(yīng)用系統(tǒng)所需的各種硬件、方法及圖像處理技術(shù)，同時(shí)也對(duì)工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)線的產(chǎn)品視覺檢測(cè)、判定模擬過程有了深入的了解和掌握。</p><p>　　作為一套完整的機(jī)器視覺教學(xué)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)和機(jī)器視覺解決方案，使用者可利用其配套的工業(yè)相機(jī)、LED 光源、工業(yè)鏡頭、支架、算法

54、軟件等搭建自己的視覺處理系統(tǒng)原型，了解圖像采集設(shè)備等配件的應(yīng)用，包含以下組成部件：</p><p>　?。?） HexSight 機(jī)器視覺軟件系統(tǒng)</p><p>　　（2） EBF-561 數(shù)字圖像處理開發(fā)平臺(tái)</p><p>　?。?）工業(yè)相機(jī)1 個(gè)</p><p>　?。?）工業(yè)鏡頭1 個(gè)</p><p>　?。?/p>

55、5） 千兆以太網(wǎng)線1 條</p><p>　?。?） 工業(yè)LED 光源1 個(gè)</p><p>　　（7）工業(yè)光源控制器1 個(gè)</p><p><b>　?。?）工業(yè)臺(tái)架1</b></p><p>　　（1）HexSight 介紹</p><p>　　HexSight 是一款高性能的、綜合性的視覺軟

56、件開發(fā)包，它提供了穩(wěn)定、可靠及準(zhǔn)確定位和檢測(cè)零件的機(jī)器視覺底層函數(shù)。其功能強(qiáng)大的定位器工具能精確地識(shí)別和定位物體，不論其是否旋轉(zhuǎn)或大小比例發(fā)生變化。HexSight 即使在最惡劣的工作環(huán)境下都能提供可靠的檢測(cè)結(jié)果，呈現(xiàn)出非凡的性能。</p><p>　　HexSight 軟件包含一個(gè)完整的底層機(jī)器視覺函數(shù)庫(kù),程序員可用它來建構(gòu)完整的高性能2D 機(jī)器視覺系統(tǒng)，節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間。HexSight 可利用Visu

57、al Basic、Visual C++或Borland Dephi 平臺(tái)方便地進(jìn)行二次開發(fā)。</p><p>　?。?）HexSight 的應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　HexSight 作為7 軸機(jī)器人手臂配套——嵌入式機(jī)器視覺平臺(tái)，在PC 下運(yùn)行的機(jī)器視覺開放式平臺(tái)，短短幾年就實(shí)現(xiàn)了數(shù)千次的拷貝，從最開始應(yīng)用于元器件定位、機(jī)器人引導(dǎo)，逐步擴(kuò)展到精密測(cè)量、缺陷檢測(cè)、字符（含條碼、二維碼）

58、識(shí)別等相關(guān)領(lǐng)域，在Release4.0中將擴(kuò)展基于顏色的定位、測(cè)量和分析功能，使HexSight 已變成一個(gè)功能完善并且強(qiáng)大的視覺開發(fā)和應(yīng)用平臺(tái)。目前HexSight 已經(jīng)被廣泛汽車、電子、半導(dǎo)體、機(jī)械制造、食品、包裝、印刷、制藥、運(yùn)輸?shù)戎T多行業(yè)。</p><p>　?。?）HexSight 的定位技術(shù)</p><p>　　HexSight 的定位工具是根據(jù)幾何特征，采用最先進(jìn)的輪廓檢測(cè)技

59、術(shù)來識(shí)別對(duì)象和模式，增加了彩色邊 緣的定位，進(jìn)一步加強(qiáng)了HexSight 的定位精度。這一技術(shù)在圖像凌亂、亮度波動(dòng)、圖像模糊和對(duì)象重疊等方面有顯著效果。HexSight 能處理自由形狀的對(duì)象，并具有功能強(qiáng)大的去模糊算法。HexSight 快速,在一臺(tái)2GHz 的處理器上,一般零件尋找和定位不超過10ms，并可達(dá)到1/64 亞像素位置重復(fù)精度和1/20 度旋轉(zhuǎn)重復(fù)精度。此外HexSight 有豐富但易用的圖像標(biāo)定工具，而且它的定位器可以

60、方便嵌入到OEM 的產(chǎn)品中。</p><p>　?、?定位（Locator）</p><p>　　定位工具基于輪廓分析完成物體的定位，HexSight4.0 版本新加入通過顏色輪廓來增強(qiáng)定位能力。</p><p>　　a.強(qiáng)大的多重模板分析能力，可以區(qū)分高相似度的物體</p><p>　　b.同時(shí)識(shí)別多個(gè)物體，無論其方位、大小</p&g

61、t;<p>　　c.有效的處理局部遮蓋，圖像凌亂，對(duì)比度翻轉(zhuǎn)以及非線性光照等情況</p><p>　　d.很自然的使用顏色信息對(duì)彩色對(duì)象提取輪廓以加強(qiáng)檢測(cè)精度</p><p>　　e.內(nèi)建的色顏標(biāo)定保證了高準(zhǔn)確度以及可重復(fù)操作性</p><p>　　f.自動(dòng)構(gòu)建最優(yōu)化的物體模板，同時(shí)可以通過模板編輯界面方便的編輯客戶模板</p><

62、p>　　g.定位精度高達(dá)1/64 亞像素, 旋轉(zhuǎn)精度1/20 度, 以及大小比例1/10</p><p>　?、?檢測(cè)（Inspection）</p><p>　　檢測(cè)工具包括圖像處理，顏色匹配，斑點(diǎn)分析以及度量功能。每個(gè)工具通過定位工具調(diào)整興趣區(qū)域、被測(cè)物的比例和方向，這些方便建立生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制。</p><p>　　a.顏色匹配工具通過對(duì)圖像色彩的分

63、析可以快速找出與用戶定義顏色相同或靠近的圖像區(qū)域圖像處理算法按MMX/SSE/SSE2 指令集進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括數(shù)學(xué)運(yùn)算、賦值操作、邏輯運(yùn)算、圖像濾波、形態(tài)分析，清晰度評(píng)測(cè)以及直方圖分析等函數(shù)</p><p>　　b.測(cè)量功能包含邊緣、直線、弧度的各種幾何特征測(cè)量，以及各種組合尺寸的測(cè)量，并可以進(jìn)行任意曲線的擬合</p><p>　　c.斑點(diǎn)分析可提取被測(cè)對(duì)象的大量性質(zhì)，比如常規(guī)物理量

64、（面積，質(zhì)心），周長(zhǎng)（凹陷，凸起），重心（橢圓長(zhǎng)軸/短軸），外接、內(nèi)截矩形（尺寸，角度），鏈表（邊緣）以及拓?fù)涮卣鳎▋?nèi)孔）</p><p>　　d.所有檢測(cè)工具在成矩形的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)采用雙線性插值取樣，結(jié)合校正后的單位換算，得到精確的測(cè)量結(jié)果。</p><p>　?、?字符識(shí)別/條碼讀?。∣CR/Symbology）</p><p>　　HexSight 的字符識(shí)別/

65、條碼讀取工具提供分析能力極強(qiáng)的函數(shù)用于一維碼，二維碼和半導(dǎo)體字體的讀取。自動(dòng)定位和邏輯分析功能使之能夠快速確定代碼的位置和內(nèi)容。</p><p>　　a.支持讀取的一維碼包括：Code 39, 128, 93, UPC, PDF-417, Postnet, Codabar, BC 412,2，of5, and Pharmacode。</p><p>　　b.支持讀取的二維碼包括：ECC 0

66、00-140 and ECC 200。</p><p>　　c.支持讀取的半導(dǎo)體字體包括OCR-A, OCR-B, and SEMI。</p><p>　　d.每個(gè)讀碼工具包含對(duì)興趣區(qū)域的控制和調(diào)節(jié)功能，確保了讀碼的準(zhǔn)確性和速度達(dá)。</p><p>　?、?進(jìn)程管理（Process Manager）</p><p>　　HexSight 自身

67、工具的進(jìn)程管理幫助客戶完成各種處理工具及圖像的銜接、排序和管理。能夠迅速的完成從圖像采集、標(biāo)定、預(yù)處理、定位、測(cè)量、檢測(cè)、結(jié)果輸出一系列的功能。能夠在不用編程的情況下迅速搭建客戶自己的機(jī)器視覺應(yīng)用。</p><p>　　a.在拖放功能操作區(qū)域，工具以目錄形式呈現(xiàn)，客戶可以方便的進(jìn)行處理工具的增刪、復(fù)制、位置排列和保存。</p><p>　　每個(gè)工具都可以通過其屬性面板操作完成設(shè)置，也可以客

68、戶自身通過其函數(shù)重載客戶自己的操作面板。</p><p>　　b.每個(gè)工具的處理時(shí)間都可以被讀取，通過調(diào)整可以達(dá)到最優(yōu)配置。</p><p>　　c.加載/儲(chǔ)存性質(zhì)幫助保存序列的配置文件，配置文件可以通過處理管理器應(yīng)用程序接口可以快速的加載完成客戶特定的要求。這種功能對(duì)經(jīng)常更換產(chǎn)品和檢測(cè)內(nèi)容的客戶非常有用。</p><p>　　d.所有的輸入和輸出都被儲(chǔ)存進(jìn)入實(shí)時(shí)數(shù)

69、據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過圖形化的界面方式支持個(gè)人數(shù)據(jù)對(duì)象的加載/存儲(chǔ)。</p><p>　?。?）HexSight 的特點(diǎn)</p><p>　　①速度、精度及性能，平移重復(fù)精度：1/64 亞像素；旋轉(zhuǎn)重復(fù)精度：0.05 （1/20）度；搜索比例范圍：1/10 單位；快速并行處理，采用了MMS 和SSE 擴(kuò)展技術(shù)。</p><p>　?、趦?nèi)置標(biāo)定模塊：能矯正畸變、投影誤

70、差和X-Y 象素比誤差，基于圖像的標(biāo)定結(jié)果能自然地為所用視覺工具使用Image-based calibration intrinsically used by all tools。</p><p>　?、郦?dú)特的功能強(qiáng)大的軟件Engine,基于對(duì)象輪廓或邊緣找尋和定位零件，容許重疊、陰影，對(duì)比度低，邊緣不清，凌亂或背景噪音。</p><p>　?、軝C(jī)器視覺工具被封裝成ActiveX 控件或C

71、＋＋庫(kù)，與Windows 2000/XP/Vista，DevStudio6.0，DevStudio.NET 等兼容。</p><p>　　⑤開放式體系結(jié)構(gòu)，與商業(yè)圖像采集卡和以及各種USB、1394 以及以太網(wǎng)接口的攝像機(jī)兼容。</p><p>　?、尥暾臋z測(cè)工具：包含硬件接口、圖像采集、圖像標(biāo)定、圖像預(yù)處理、幾何定位、顏色檢測(cè)、幾何測(cè)量、Blob 分析、清晰度評(píng)價(jià)（自動(dòng)對(duì)焦）、模式匹配

72、、邊緣探測(cè)等多種工具。</p><p>　　⑦非常的教學(xué)例程和應(yīng)用例程，讓客戶迅速熟悉軟件的應(yīng)用或完成項(xiàng)目開發(fā)。</p><p>　　僅含定位器的模塊由于其適合很多應(yīng)用場(chǎng)合以及合適的價(jià)格而被廣泛接受，其包含以下工具：</p><p>　?、賵D像捕獲設(shè)備：除了包括完成圖像從圖像采集卡到HexSight 的導(dǎo)入、顯示和存儲(chǔ)等，也包含自動(dòng)標(biāo)定的工具，可以補(bǔ)償因鏡頭垂直度和

73、畸變?cè)斐傻恼`差。對(duì)Coreco Imaging，Data Translation，Imagenation，Matrox，MRT，Optron 等知名圖像采集卡供應(yīng)商的一些常用采集卡以及IEEE-1394 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等都可以方便地實(shí)現(xiàn)無縫接合。</p><p>　?、趯?duì)象定位器：帶有自動(dòng)調(diào)教、學(xué)習(xí)功能，能根據(jù)幾何輪廓找尋定位零件，返回X-Y 坐標(biāo)，方向，大小比例和用戶定義的參考點(diǎn)坐標(biāo)。搜索區(qū)域可限于用戶定義的ROI

74、（興趣域）。</p><p>　　③類庫(kù)：Active X 插件集，使定制系統(tǒng)能對(duì)內(nèi)部圖像進(jìn)行操作。完整版的HexSight 軟件包除了上面提到的3 個(gè)工具外，還包括以下工具：</p><p>　?、軋D像處理工具：提供多樣化的圖像處理算法，比如算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算，形態(tài)變化和直方圖等功能。圖像處理可發(fā)生在任意工具之前或之后。</p><p>　?、葸吘壎ㄎ还ぞ撸翰捎镁?/p>

75、形或圓弧投影能定位多個(gè)邊緣。</p><p>　?、弈Ｊ蕉ㄎ还ぞ撸翰捎每啥ㄖ颇Ｊ狡ヅ渌惴▉碚覍せ叶饶Ｊ剑?以提高速度和精度等等。</p><p>　?、邷y(cè)量工具：能測(cè)量線性和圓弧特征。</p><p>　?、郆lob 分析工具：能計(jì)算內(nèi)在和外在的幾何屬性，如重心，周長(zhǎng)，面積，包絡(luò)矩形，主軸還有灰度屬性。支持三種圖像二值化方法：二值，軟二值和動(dòng)態(tài)閾值處理。</p

76、><p>　　⑨取樣工具：對(duì)實(shí)現(xiàn)可定制檢測(cè)非常有用，它通過從基于模板的ROI（興趣域）中取樣圖像數(shù)據(jù)，然后提供給定制系統(tǒng)的特定C++算法或任意HexSight 工具，包括定位器進(jìn)行處理。</p><p>　?、鈭D像清晰度評(píng)價(jià)工具：評(píng)估/計(jì)算由用戶定義興趣域內(nèi)圖像的清晰度，對(duì)于自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)控制非常理想。</p><p><b>　　（5）應(yīng)用開發(fā)</b&g

77、t;</p><p>　　由于HexSight 的功能是按標(biāo)準(zhǔn)ActiveX 控件的方式提供的，所以能大大簡(jiǎn)化應(yīng)用開發(fā)的難度，并且允許在多種平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，如Visual Basic 或Visual C++。簡(jiǎn)易的開發(fā)步驟，邊寫程序邊看效果，所見即所得；通過HexSight 已經(jīng)制作的配置窗口，可實(shí)現(xiàn)不寫任何代碼的原型應(yīng)用；一些常用功能如顯示控制等都已封裝提供，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化應(yīng)用開發(fā)。此外，HexSight 控

78、件能在使用者或OEM 用戶的最終應(yīng)用界面中進(jìn)行完全隱藏，允許用戶使用自行定制的用戶界面。</p><p>　　2.3七軸機(jī)械臂及機(jī)器視覺等開發(fā)工具的選擇</p><p>　　EF-IRC-I機(jī)器人手臂是機(jī)器人研發(fā)的最新成果，它是一種創(chuàng)新的具有7自由度機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)。由7個(gè)基本模塊組成，模塊從 1 到 7 關(guān)節(jié)逐節(jié)組合。每一模塊單獨(dú)可以控制運(yùn)行，7個(gè)模塊組合之后構(gòu)成工業(yè)串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人形式。

79、EF-IRC-I 機(jī)器人手臂整體末端按裝手爪，進(jìn)行取放工件、裝配操作等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。 EF-IRC-I 機(jī)器人手臂的杰出設(shè)計(jì)是利用多自由度結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的優(yōu)越性，使手臂能夠在三維立體空間內(nèi)做出各種類似人類手臂的彎曲、伸展動(dòng)作，進(jìn)而避開障礙物并完成規(guī)定的動(dòng)作任務(wù)。 EF-IRC-I 機(jī)器人手臂的各個(gè)關(guān)節(jié)可獨(dú)立控制以確保手臂動(dòng)作的流暢性、快速性、精確性及可重復(fù)性?？梢灾庇^的看到機(jī)械手臂每一個(gè)關(guān)節(jié)模塊的內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行情況。機(jī)械手臂內(nèi)部傳動(dòng)結(jié)構(gòu)完全

80、體現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)多樣化，采用了工業(yè)上常用到的同步帶傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)等主要結(jié)構(gòu)形式。 EF-IRC-I 機(jī)器人手臂配支持嵌入式控制器本地控制方式和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制方式，可通過C和C++語(yǔ)言開發(fā)基于windows、linux、apple的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)的控制程序，包括系統(tǒng)的配置及手臂操作的定義等。所以選擇 EF-IRC-I作為</p><p>　　HexSight是一款高性能的、綜合性的視覺軟件開發(fā)

81、包，它提供了穩(wěn)定、可靠及準(zhǔn)確定位和檢測(cè)零件的機(jī)器視覺底層函數(shù)。其功能強(qiáng)大的定位器工具能精確地識(shí)別和定位物體，不論其是否旋轉(zhuǎn)或大小比例發(fā)生變化。HexSight即使在最惡劣的工作環(huán)境下都能提供可靠的檢測(cè)結(jié)果，呈現(xiàn)出非凡的性能。</p><p>　　HexSight軟件包含一個(gè)完整的底層機(jī)器視覺函數(shù)庫(kù),程序員可用它來建構(gòu)完整的高性能2D機(jī)器視覺系統(tǒng)，節(jié)省整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間。HexSight可利用Visual Basi

82、c、Visual C++等平臺(tái)方便地進(jìn)行二次開發(fā)。</p><p>　　HexSight的定位工具是根據(jù)幾何特征，采用輪廓檢測(cè)技術(shù)來識(shí)別對(duì)象和模式。在圖像凌亂、亮度波動(dòng)、圖像模糊和對(duì)象重疊等方面顯著效果。HexSight能處理自由形狀的對(duì)象，并具有功能強(qiáng)大的去模糊算法。所以本次研究的機(jī)器視覺系統(tǒng)選擇HexSight。</p><p>　　3基于視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取的分析與設(shè)計(jì)<

83、;/p><p>　　3.1系統(tǒng)的總體功能需求</p><p>　　本基于視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取系統(tǒng)是一個(gè)集圖像采集和信息處理于一身的綜合應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅需要能滿足機(jī)器視覺對(duì)目標(biāo)物的圖像采集，還需要七軸機(jī)械臂對(duì)目標(biāo)物的抓取，為了完成這些功能，還必須利用編程，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換來建立它們之間的聯(lián)系。</p><p>　　圖3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖</p>&

84、lt;p>　　3.2控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)原理</p><p>　　目標(biāo)物識(shí)別與定位是機(jī)器人抓取目標(biāo)物的前提和基礎(chǔ)，其識(shí)確性。目標(biāo)物識(shí)別是依賴于機(jī)器視覺的圖像匹配過程，是通過比較目標(biāo)物圖像與模板圖像來實(shí)現(xiàn)的。目標(biāo)物定位包括目標(biāo)物位置定位和工件姿態(tài)定位。本文是通過別的結(jié)果正確與否和定位的精度直接影響到機(jī)器人操作結(jié)果的準(zhǔn)質(zhì)心定位確定工件位置的，通過確定長(zhǎng)軸的方向來定位工件姿態(tài)的。</p><p&g

85、t;　　圖3.2 機(jī)械臂和相機(jī)所攝圖像坐標(biāo)系</p><p><b>　　坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 </b></p><p>　　建立坐標(biāo)系1和坐標(biāo)系2，O1為機(jī)械臂的中心。O2、M為鐵架臺(tái)上的螺絲釘所在的點(diǎn)，其中O2為坐標(biāo)中心。P為目標(biāo)物。 </p><p>　　(1)坐標(biāo)系1中,O2M的相對(duì)像素點(diǎn)已知，x4，y4已知，O2N=22.5cm，MN=18cm，

86、x4，y4為（756,603）單位。通過x4，y4和O2N，MN可得每個(gè)像素點(diǎn)的真實(shí)大小，單位cm。O2N/x4=32.87，MN/y4=31.76</p><p>　　(2)坐標(biāo)系1中，因?yàn)槲矬wP與坐標(biāo)系2的相對(duì)像素點(diǎn)可以獲取x3，y3已知相對(duì)像素點(diǎn)，如（30,50）單位。</p><p>　　(3)坐標(biāo)系1和2的關(guān)系。x3的真實(shí)距離=O2N/x4×x3，y3的真實(shí)距離=MN/

87、y4×y3</p><p>　　4基于視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.1視覺識(shí)別系統(tǒng)的軟件搭建</p><p>　?。?）打開機(jī)器視覺運(yùn)行庫(kù)，運(yùn)行l(wèi)ocator demo 軟件，調(diào)整鏡頭，使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)盡量與locator demo窗口平行。</p><p>　　圖4.1 機(jī)器視覺軟件界面</p>

88、<p>　　(2）放入兩個(gè)螺絲釘和要抓取的物塊</p><p>　　圖4.2 放入螺絲釘和待抓物塊的機(jī)器視覺軟件界面</p><p>　?。?）點(diǎn)擊【進(jìn)行配置】，【execute sequence】進(jìn)行抓圖。點(diǎn)擊【Edit Process】</p><p><b>　　進(jìn)行編輯。</b></p><p>　

89、　圖4.3 進(jìn)行配置的界面</p><p>　　圖4.4 添加螺絲釘模型界面</p><p>　?。?）建立模版。用盡量小的方框把預(yù)先所放置的螺絲釘完全包圍起來。</p><p>　　圖4.5 抓圖建立模版界面</p><p>　　（5）去Search界面去勾選同時(shí)定位兩個(gè)。</p><p>　　圖4.6 定位性能界面

90、</p><p>　　(6)點(diǎn)擊【校準(zhǔn)比例】，可能會(huì)有干擾點(diǎn)，一直點(diǎn)擊，直到選中的是自己想要的那兩個(gè)點(diǎn)。</p><p>　　圖4.7 校準(zhǔn)比例界面</p><p>　　(7)重新選擇【進(jìn)行配置】，刪除螺絲釘模版，建立木塊模版。</p><p>　　圖4.8 刪除螺絲釘模型并添加木塊模型界面</p><p>　　圖4.

91、9 定位木塊界面</p><p>　　(8)點(diǎn)擊【發(fā)送定位】，測(cè)試一下。</p><p>　　4.2七軸機(jī)械臂的3D軟件搭建</p><p>　　(1)打開控制七軸機(jī)械臂的3D運(yùn)行庫(kù)，運(yùn)行CytonViewer軟件。</p><p>　　圖4.10 3D運(yùn)行軟件界面</p><p>　　(2)點(diǎn)擊【load】，下載re

92、moteCommandServerPlugin.ecp這個(gè)插件</p><p>　　圖4.11 下載插件界面</p><p>　　(3)打開機(jī)械臂圖表的控制軟件Cyton_Form。</p><p>　　圖4.12 機(jī)械臂圖表控制面板</p><p>　　(4)點(diǎn)擊【Open CytonViewer】進(jìn)行連接，點(diǎn)擊【手臂復(fù)位】測(cè)試一下機(jī)械臂。

93、</p><p>　　圖4.13 機(jī)械臂復(fù)位界面</p><p>　　(5)點(diǎn)擊【監(jiān)聽】【發(fā)送定位】即可實(shí)現(xiàn)七軸機(jī)械臂對(duì)物塊的智能抓取。</p><p>　　圖4.14 機(jī)械臂抓取物塊界面</p><p><b>　　4.3小結(jié)</b></p><p>　　（1）機(jī)器視覺識(shí)別和定位的實(shí)現(xiàn)</

94、p><p>　　①安裝工業(yè)相機(jī)于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上。</p><p>　　②通過以太網(wǎng)線連接工業(yè)相機(jī)和電腦上的機(jī)器視覺軟件hexsight。</p><p>　　③打開圖像控制顯示軟件locatordemo軟件，調(diào)整實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上的相機(jī)使得顯示的圖像盡量清晰，且與顯示圖像的locatordemo大致窗口平行。</p><p>　　④放兩個(gè)螺絲釘于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，

95、用于定位，然后放置一個(gè)待抓取的物塊。</p><p>　?、葸M(jìn)行配置，抓圖，編輯，建立放置的兩個(gè)用于定位的螺絲釘和待抓取木塊的模版。</p><p>　?、薨l(fā)送定位測(cè)試一下。</p><p>　?。?）七軸機(jī)械臂3D仿真的實(shí)現(xiàn)</p><p>　?、賹⑵咻S機(jī)械臂安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。</p><p>　　②運(yùn)行3D仿真軟件C

96、ytonViewer，下載remoteCommandServerPlugin.ecp插件。</p><p>　?、圻\(yùn)行機(jī)械臂圖表的控制軟件Cyton_Form。</p><p>　?、茳c(diǎn)擊【Open CytonViewer】進(jìn)行連接，點(diǎn)擊【手臂復(fù)位】測(cè)試一下機(jī)械臂。</p><p>　?、蔹c(diǎn)擊【監(jiān)聽】【發(fā)送定位】即可實(shí)現(xiàn)七軸機(jī)械臂對(duì)物塊的智能抓取。</p>

97、;<p><b>　　5全文總結(jié)和展望</b></p><p><b>　　5.1全文總結(jié)</b></p><p>　　針對(duì)目前在生產(chǎn)線上工作的搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)柔性差和在未知環(huán)境中工作效率低下的問題，本文以原有七軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)為研究平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于視覺的七軸工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)物體的自主識(shí)別定位和機(jī)器人手爪對(duì)其自動(dòng)智

98、能抓取。本文首先介紹了課題背景，對(duì)七軸機(jī)械臂和機(jī)器視覺系統(tǒng)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，指出七軸機(jī)械臂和機(jī)器視覺系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。本文第二章接著詳細(xì)介紹了七軸機(jī)械臂以及機(jī)器視覺的特點(diǎn)以及相關(guān)參數(shù)等，并且概要說明了對(duì)開發(fā)工具的選擇。接著第三章對(duì)基于視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取這一研究進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，講述了其中的系統(tǒng)總體功能需求和功能實(shí)現(xiàn)的原理?；诿嫦?qū)ο蟮幕舅枷?，有了系統(tǒng)的介紹、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。這就涉及到系統(tǒng)功能的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)了，也就是本文

99、第四章的內(nèi)容。詳細(xì)說明了基于視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取這一系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)過程。最后對(duì)基于視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂的智能抓取進(jìn)行了展望。</p><p>　　以上是對(duì)本文結(jié)構(gòu)的總結(jié)，下面總結(jié)一下作者所做的工作：</p><p>　　(1)閱讀大量文獻(xiàn)，查閱大量資料，了解七軸機(jī)械臂以及機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)現(xiàn)狀以及各種智能抓取實(shí)現(xiàn)方案。理解了七軸機(jī)械臂和機(jī)器視覺系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)智能抓取這一功能的原理和流程

100、。</p><p>　　(2)通過長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，熟練掌握了理解了七軸機(jī)械臂和機(jī)器視覺系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)智能抓取這一功能的原理和流程。</p><p>　　(3)搭建硬件環(huán)境，經(jīng)過多次的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，完成了實(shí)物的基于視覺識(shí)別的七軸機(jī)械臂智能抓取。</p><p>　　5.2下一步工作展望</p><p>　　當(dāng)然，本文對(duì)于基于視覺的工業(yè)機(jī)器人所研究

101、的問題還是非常有限的。本文所作的研究還僅僅是提出了一種基于原有機(jī)器人系統(tǒng)的視覺的控制方法，并對(duì)其中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究和驗(yàn)證。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的可行性，但是要將其應(yīng)用于 實(shí)際當(dāng)中，還有許多問題需要解決，例如：</p><p>　　（1）本文僅建立了針對(duì)圓柱體和長(zhǎng)方體的識(shí)別和抓取操作的實(shí)現(xiàn)，對(duì)形狀更為復(fù)雜的目標(biāo)物體就無法描述。這就需要對(duì)七軸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)做更深入的研究。</p>

102、<p>　?。?）本文將研究的重點(diǎn)放在了攝像機(jī)的標(biāo)定、目標(biāo)定位、視覺控制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和夾持規(guī)劃上，而對(duì)于七軸工業(yè)機(jī)器人抓取過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃尚未研究，當(dāng)在目標(biāo)物體周圍還有很多其他障礙工件時(shí)，就需要在世界坐標(biāo)系即虛軸控制中對(duì)軌跡進(jìn)行規(guī)劃。在這方面還有待于進(jìn)一步的研究。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]黨希超.基于視覺導(dǎo)向

103、的機(jī)械手抓取定位技術(shù)研究[D]. 華南理工大學(xué) 2013</p><p>　　[2]劉曉坤.基于視覺的機(jī)械臂控制技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué) 2013（01）</p><p>　　[3]朱海波.基于視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人工件搬運(yùn)技術(shù)研究[D]. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 2013</p><p>　　[4]王修巖,程婷婷.基于單目視覺的工業(yè)機(jī)器人目標(biāo)識(shí)別技術(shù)研究[J]. 機(jī)械

104、設(shè)計(jì)與制造. 2011(04)</p><p>　　[5]朱代先.基于雙目視覺的工件定位與抓取研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制. 2011(01)</p><p>　　[6]王健強(qiáng),呂游.一種面向工業(yè)機(jī)器人智能抓取的視覺引導(dǎo)技術(shù)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. 2009(09)</p><p>　　[7]賈云得.機(jī)器視覺[M]. 科學(xué)出版社, 2000</p>

105、;<p>　　[8]廖萬輝,李琳.基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人定位系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息. 2009(08)</p><p>　　[9]呂游.視覺引導(dǎo)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人智能抓取中的應(yīng)用[D]. 合肥工業(yè)大學(xué) 2009</p><p>　　[10]白雁兵，高艷.機(jī)器視覺系統(tǒng)坐標(biāo)標(biāo)定與計(jì)算方法[J]. 電子工藝技術(shù). 2007（06）</p><p>　　[

106、11]李陽(yáng)君.基于視覺的工件識(shí)別定位方法的研究[D]. 西安理工大學(xué). 2006</p><p>　　[12]Manbir S, Sodhi,KHALIL.Surface roughness monitoring using computer vision. International Journal of Machine Tools and Manufacture . 1995</p><p

107、>　　[13] Kim J S，Kim H W，Kweon I S.A camera calibration method using concentric circles for vision applications[C].The 5th Asian Conference on Computer Vision，2002</p><p>　　[14]ZHANG Da-pu,Li Yu-shan,LIU Y

108、ang. Camera calibration based on image series[J].Acta Photonica Sinica,2005</p><p>　　[15]Frew,E.W,Rock,S.Exploratory motion generation for monocular vision-based target localization. Aerospace Conference Pro

109、ceedings . 2002</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間雖然短暫，卻在我心中留下了許多難以磨滅的記憶。它將會(huì)伴隨我人生繼續(xù)前行，一想到這些我就會(huì)覺得無比的溫暖。計(jì)算機(jī)系的老師和同學(xué)們，給了我很多的關(guān)心和幫助，在這里我的學(xué)習(xí)能力和知識(shí)水平都得到了很大提高，學(xué)習(xí)書本知識(shí)的同時(shí)也得到了很多的實(shí)際鍛煉。</p&g