當(dāng)今，隨著社會的全面發(fā)展，對機(jī)器人的要求越來越高，機(jī)器人高度智能化已成為熱點(diǎn)研究問題。視覺控制是機(jī)器人智能化的重要實(shí)現(xiàn)方法，其利用視覺得到大量的環(huán)境信息，通過智能化分析自主規(guī)劃行為，實(shí)現(xiàn)智能控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠模擬復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，可作為機(jī)器人的智能控制核心。另外，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高度發(fā)展，充分利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，把網(wǎng)絡(luò)融入到機(jī)器人技術(shù)中，將是機(jī)器人智能化的一個重要發(fā)展方向。在深入的研究相關(guān)理論之后，本文首次提出了基于網(wǎng)絡(luò)的直角坐標(biāo)機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 機(jī)器人視覺控制的研究涉及到多學(xué)科的內(nèi)容，如圖像處理、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、控制理論、計(jì)算機(jī)高級語言編程等。本文在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，利用視覺傳感器CCD攝像機(jī)得到的圖像作為反饋信息，再傳送到機(jī)器人運(yùn)動控制器，實(shí)現(xiàn)了直角坐標(biāo)機(jī)器人的位置閉環(huán)控制，即視覺伺服（Visual Servo），其中運(yùn)動控制器的核心采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

一、直角坐標(biāo)機(jī)器人的定義及主要特點(diǎn)

機(jī)器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、可重復(fù)編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個或3個以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動化設(shè)備。這里自由度就是指可運(yùn)動或轉(zhuǎn)動的軸。直角坐標(biāo)機(jī)器人是以直線運(yùn)動軸為主，各個運(yùn)動軸通常對應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸，Y軸和Z軸。在絕大多數(shù)情況下直角坐標(biāo)機(jī)器人的各個直線運(yùn)動軸間的夾角為直角。

直角坐標(biāo)機(jī)器人主要由一些直線運(yùn)動單元，驅(qū)動電機(jī)，控制系統(tǒng)和末端操作器組成。針對不同的應(yīng)用，可以方便快速組合成不同維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人，從簡單的二維機(jī)器人到復(fù)雜的五維機(jī)器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從食品生產(chǎn)到汽車裝配等各行各業(yè)的自動化生產(chǎn)線中，都有各式各樣的多臺直角坐標(biāo)機(jī)器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作，可以說直角坐標(biāo)機(jī)器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動化任務(wù)。下面是其主要特點(diǎn)：

1 任意組合成各種結(jié)構(gòu)樣式，帶載能力和尺寸的機(jī)器人，

2 采用多根直線運(yùn)動單元級連和齒輪齒條傳動，可以形成幾十米的超大行程機(jī)器人。

3 采用多根直線運(yùn)動單元平連及各帶多滑塊結(jié)構(gòu)時其負(fù)載能力可增加到數(shù)噸。

4 其最大運(yùn)行速度可達(dá)到每秒8米，加速度可達(dá)到每秒4米。

5 重復(fù)定位精度可達(dá)到0.01mm～ 0.05mm。

6 采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復(fù)雜軌跡的工作。

二、德國VC視覺系統(tǒng)簡介

機(jī)器視覺就是使機(jī)器有人眼和大腦的部分功能，能自動進(jìn)行幾何形狀測量，印刷質(zhì)量缺欠識別和產(chǎn)品外觀質(zhì)量識別等工作。機(jī)器視覺系統(tǒng)通常用在全自動化、高效可靠和非接觸的大批量生產(chǎn)過程中的檢測識別工作。常見的視覺系統(tǒng)一般包括：光源、鏡頭、CCD攝相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等。而許多智能相機(jī)就是一個通用圖象處理系統(tǒng)，把鏡頭、圖象傳感器、高速DSP、存儲器、常用圖像處理軟件、通訊口和/輸入輸出口等集成在一個香煙盒大小的盒內(nèi)，用戶可以任意編程，能代替基于PC機(jī)的圖象處理系統(tǒng)。智能相機(jī)有彩色智能相機(jī)和黑白智能相機(jī)，有線陣和面陣智能相機(jī)，本文僅介紹一款德國VC公司面陣黑白CCD智能相機(jī)。

工作時首先CCD智能相機(jī)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成灰度圖像信號，先放大該信號，再數(shù)字化為數(shù)字圖像。數(shù)字圖像以二維矩陣存儲起來，如Vision Components GmbH公司智能像機(jī)VC2028的每一幅數(shù)字圖像都是640＊480的二維矩陣。該矩陣的每一個元素叫像素，它的數(shù)值通常是0～255。像素的數(shù)值0～255對應(yīng)目標(biāo)的最暗和最亮處。圖像處理軟件就是根據(jù)圖像中像素分布和亮度變化等信息抽取圖像中目標(biāo)的特征，如：孔的數(shù)量、面積、形狀、長度、形狀寬度和位置等，還可以是亮度變化等，然后與所存的模板進(jìn)行比較匹配，最后給出尺寸、角度、偏移量、個數(shù)、合格/不合格、有/無等結(jié)果。

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）把圖像抓取到，然后將該圖像傳送至處理單元，通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

用戶可以在PC機(jī)上用C語言或VC編寫自己的應(yīng)用程序，然后下傳到智能相機(jī)里，智能相機(jī)運(yùn)行該程序來完成特定的任務(wù)。也可以選用VC公司配帶的圖象處理軟件。

三、機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)

該機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用德國運(yùn)動控制技術(shù)公司（Movtec）的三軸運(yùn)動控制卡DEC4T和運(yùn)動控制軟件Editasc。DEC4T運(yùn)動控制卡是基于PC機(jī)，專用控制3臺步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字伺服電機(jī)的運(yùn)動控制卡。EdiTasc不僅是MOVTEC公司各種控制卡配套的通用數(shù)控軟件，它也是一個高度開放的開發(fā)平臺，可以直接控制各種工業(yè)自動化設(shè)備，或方便的開發(fā)用戶專用頁面及控制系統(tǒng)。DEC4T自帶36路數(shù)字輸入輸出口，來作為限位開關(guān)，控制CCD智能相機(jī)和起動檢測儀器。

德國MOVTEC公司DEC4T步進(jìn)/數(shù)字伺服電機(jī)控制卡

運(yùn)動控制器的工作方式

運(yùn)動控制器要插在PC機(jī)的總線插槽上。常用的有針對ISA總線和PCI總線的兩種運(yùn)動控制器，兩者不能互換。運(yùn)動控制器上有控制步進(jìn)電機(jī)和/或模擬伺服電機(jī)的控制信號端子，多路數(shù)字輸入/輸出口，多路模擬輸入/輸出口等。 針對運(yùn)動控制器開發(fā)的運(yùn)動控制軟件在PC機(jī)上運(yùn)行。它由低層運(yùn)動控制軟件和用戶操作界面兩部分組成。低層運(yùn)動控制軟件告訴運(yùn)動控制器進(jìn)行直線和圓弧等插補(bǔ)運(yùn)動所需的所有參數(shù)，及對I/O口進(jìn)行操作，同時接受運(yùn)動控制器上返回的運(yùn)動狀態(tài)及輸入口狀態(tài)等參數(shù)。運(yùn)動控制器按剛接到收的指令自行控制步進(jìn)電機(jī)或模擬伺服電機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動及對I/O口進(jìn)行操作。用戶操作界面把操作員與低層運(yùn)動控制軟件連接起來，輸入所有運(yùn)動參數(shù)，控制運(yùn)動過程及顯示各種運(yùn)動狀態(tài)等。 由于運(yùn)動控制器自己獨(dú)立工作，PC機(jī)在控制運(yùn)動控制器的同時，可以運(yùn)行其它的軟件。I/O口可以很方便的擴(kuò)展，如接配電子輪和編碼器信號輸入等。在PC機(jī)主頻為100MHz時，3軸連動圓弧插補(bǔ)周期大約為0.5ms。當(dāng)PC機(jī)主頻提高時，插補(bǔ)周期更短，中斷時間可以設(shè)為更短，使機(jī)器運(yùn)動更加平穩(wěn)，實(shí)時監(jiān)控I/O口。

EdiTasc是TRIMETA公司為其各種控制板卡配套的通用數(shù)控軟件。它不僅是一個包含鉆床，銑床，鏜床，雕刻機(jī)和加工中心控制功能的理想數(shù)控軟件，也是一個高度開放的開發(fā)平臺，可以直接控制各種工業(yè)自動化設(shè)備，可以方便的開發(fā)用戶專用頁面及控制系統(tǒng)。

EdiTasc是在WINDOWS下實(shí)時運(yùn)行、漢化的通用數(shù)控系統(tǒng)軟件，識別國際標(biāo)準(zhǔn)的DIN 66025 G代碼和高級語言MTASC。EdiTasc由低層運(yùn)動控制軟件和用戶操作界面兩部分組成。低層運(yùn)動控制軟件可實(shí)時準(zhǔn)確地告訴運(yùn)動控制卡進(jìn)行直線和圓弧等插補(bǔ)運(yùn)動，可以對所需的所有參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，也可以對I/O口進(jìn)行操作。在進(jìn)行直線插補(bǔ)運(yùn)動時低層運(yùn)動控制軟件按設(shè)定的時間段周期性地告訴運(yùn)動控制卡有關(guān)運(yùn)動軸運(yùn)行的速度和長度。在這一小周期內(nèi)有關(guān)各運(yùn)動軸按各自所要求的速度運(yùn)動到所要求的長度。系統(tǒng)采用預(yù)讀功能，預(yù)讀程序段數(shù)設(shè)為最多可達(dá)149段。采用預(yù)加速/減速來保證切削矢量速度恒定或平穩(wěn)過度。

在周期性地告訴運(yùn)動控制卡有關(guān)運(yùn)動軸運(yùn)行的速度和長度的同時，低層運(yùn)動控制軟件接收運(yùn)動控制卡上返回的運(yùn)動軌跡位置，如各個軸在這一時間段內(nèi)（如0.5ms）實(shí)際上走的長度。低層運(yùn)動控制軟件還能自動計(jì)算位置偏差，并根據(jù)這一差值對位置偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以保證精確運(yùn)動。運(yùn)動控制卡按剛接收的指令自行控制步進(jìn)電機(jī)或模擬伺服電機(jī)進(jìn)行直線插補(bǔ)運(yùn)動及對I/O口進(jìn)行操作。

Editasc可采用Mtasc語言或G代碼編程，Mtasc語言為Editasc專用語言，具有如下一些特點(diǎn)：

· 任意定義各種長度、多種類型的變量和數(shù)組 ;

· 許多數(shù)學(xué)函數(shù)；

· 多種循環(huán)程序；

· 多種條件

· 允許有任意層擴(kuò)展和嵌套；

· 調(diào)用子程序和調(diào)用其它語言的子程序；

· 極其方便的I/O口操作。

· 在程序的輸入和編輯過程中可以執(zhí)行任意一行或幾行程序，可方便地驗(yàn)證程序及數(shù)據(jù)的合理性。

四、幾個典型應(yīng)用

1、產(chǎn)品標(biāo)簽檢驗(yàn)

在幾乎所有的現(xiàn)代化批量生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品包裝盒上所印文字、符號、產(chǎn)品上的標(biāo)簽等要求印刷精美，無任何缺陷和錯誤。但實(shí)際中會出現(xiàn)下面的問題，如部分字符漏印，部分字符不完整，不同字符間混亂，要解決上面的問題就必須選一優(yōu)秀的圖象處理系統(tǒng)，對這些文字和符號進(jìn)行100%的可靠的檢驗(yàn)，才能保證100%的合格率，達(dá)到真正的“零缺陷”。被檢驗(yàn)識別的文字和符號可以由下面的方式產(chǎn)生：印刷，噴碼，熱轉(zhuǎn)印和激光雕刻等。

本文CCD相機(jī)選用德國Vision Components公司智能攝像機(jī)VC2038。其配置如下：CCD芯片是Sony 1/2” 640＊480點(diǎn)，每秒25楨圖像，存儲器配置是16 MB SDRAM， 2 MB Flash Eprom， 8 bit overlay， CPU是TMS320C62XX，速度是1200MIPS （每秒1200百萬指令）。VC2038通過自帶RS232口 可以把位置數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)。VC2038還自帶4路數(shù)字輸入口和4路數(shù)字輸出口。根據(jù)視場范圍和高度選用對應(yīng)的鏡頭。

RS232接口是1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（DCE）之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個25個腳的DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定，還對各種信號的電平加以規(guī)定。隨著設(shè)備的不斷改進(jìn)，出現(xiàn)了代替DB25的DB9接口，現(xiàn)在都把RS232接口叫做DB9。

被檢驗(yàn)的產(chǎn)品在傳送帶上單排排放或如圖1所示的并列排放。機(jī)器人首先停止傳送帶，并把檢測頭移動到第一個產(chǎn)品上方，識別系統(tǒng)開始自動檢測識別第一個產(chǎn)品。機(jī)器人再把檢測頭移動到第二個產(chǎn)品上方，接著識別系統(tǒng)開始自動檢測第二個產(chǎn)品，如此依次識別完該排最后一個產(chǎn)品。再啟動傳送帶把第二排產(chǎn)品移到檢測系統(tǒng)正下方，并開始該行產(chǎn)品的自動檢驗(yàn)識別。

2、印刷品質(zhì)量檢驗(yàn)

這里的任務(wù)是圖2產(chǎn)品的檢驗(yàn)。在圖2中被檢驗(yàn)的產(chǎn)品是透明塑料上的文字。機(jī)器人首先停止傳送帶，并勻速移動檢測頭，識別系統(tǒng)在幾個特定的位置自動檢測識別所印文字和符號。塑料再起動一定長度，機(jī)器人反向運(yùn)動，檢測系統(tǒng)開始該行產(chǎn)品的自動檢驗(yàn)識別。

機(jī)器人是德國百格拉公司單軸機(jī)器人，由于負(fù)載小及移動速度要求不高，故選用型號為LM-P404 R-AT5，有效行程按任務(wù)要求選為1500毫米，驅(qū)動電機(jī)是百格拉公司的步進(jìn)電機(jī)VRDM3910LWB，機(jī)器人控制系統(tǒng)選用百格拉公司的專用工控機(jī)TLCC。TLCC通過CAN總線控制TLC611步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。圖像處理系統(tǒng)選用德國Vision Experts公司的檢測系統(tǒng) VE 4000 OCV/2。圖2是該系統(tǒng)在實(shí)際使用中的照片。

德國Vision Experts公司的E 4000 OCV/2系統(tǒng)由智能CCD攝像機(jī)VC2038和專利識別軟件組成，可以檢測各種符號?？梢?00%保證發(fā)現(xiàn)所有下面的問題：整個或部分字符漏印，不完整字符，不同字符間混亂，如5和6、6和9印混了，字符位置不對，字符的字體不對或不一致。該系統(tǒng)可以識別多種符號，當(dāng)圖像中要識別的符號與背景的對比度有些變化。該系統(tǒng)也非常靈活，可以一分鐘僅檢測10個產(chǎn)品，也可以一小時檢測10萬個產(chǎn)品；可以同時檢測300個字符，也可以檢測同時含10種字體的符號集合。被檢測產(chǎn)品可以被旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動中實(shí)時動態(tài)檢測，E 4000 OCV/2系統(tǒng)自動給出檢測數(shù)據(jù)，有自檢和外部信號啟動公式，檢測的符號可以縮小或放大，給出符號的位置數(shù)據(jù)。

3、工件識別定位及抓取

隨著自動化生產(chǎn)能力的提高，現(xiàn)代工廠中經(jīng)常會出現(xiàn)需要分類分揀的場合，那么就非常需要配合視覺系統(tǒng)的機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作。該例子為對倉庫中不同批次的產(chǎn)品進(jìn)行定位及抓取。在機(jī)器啟動前，操作人員根據(jù)具體需求，通過計(jì)算機(jī)將需要搬運(yùn)的產(chǎn)品的批次傳輸給視覺系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)器人帶動視覺系統(tǒng)到達(dá)產(chǎn)品上方時，視覺系統(tǒng)通過獲取的圖像進(jìn)行識別，通常識別物為條碼，當(dāng)確認(rèn)該產(chǎn)品為需要搬運(yùn)的產(chǎn)品，那么視覺系統(tǒng)再通過獲取的圖像進(jìn)行精確定位，將坐標(biāo)值傳輸給機(jī)器人，機(jī)器人隨后運(yùn)動到指定位置，進(jìn)行抓取搬運(yùn)。如果檢測該產(chǎn)品不是需要搬運(yùn)的產(chǎn)品，那么傳輸給機(jī)器人相應(yīng)的信號，機(jī)器人移動到下一工件位置進(jìn)行下一次檢測。

該系統(tǒng)中的視覺系統(tǒng)同樣采用德國Vision Components公司智能攝像機(jī)VC2038，機(jī)器人采用德國百格拉直角坐標(biāo)機(jī)器人，控制系統(tǒng)采用的為德國MOVTEC公司運(yùn)動控制卡，這樣能夠保證在一臺計(jì)算機(jī)中對視覺系統(tǒng)與直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制與配合。

德國百格拉直角坐標(biāo)機(jī)器人

定義： 在直角坐標(biāo)機(jī)器人中各個軸主要是做直線運(yùn)動，而且運(yùn)動方向通常是相互垂直的，所以叫直角坐標(biāo)機(jī)器人。直角坐標(biāo)機(jī)器人可分為一維到多維很多種，每一維是一個運(yùn)動軸，由一個直線運(yùn)動單元組成。直線運(yùn)動單元按其功能又分為龍門軸和抓取軸。龍門軸

技術(shù)數(shù)據(jù)： 行程0-18 m

負(fù)載： 1-400 kg

重復(fù)定位精度： 0.02 mm

最大速度 ：8m/s

傳動方式： 齒型帶、齒條和滾珠絲杠傳動

驅(qū)動電機(jī)： 步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)（配NEUGART精密行星減速機(jī)可以增大出力和減少負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量）。

特點(diǎn)： 主要部分采用特制高強(qiáng)度高直線度的鋁型材， 型材內(nèi)部配有特殊的鋼軌來保證機(jī)械強(qiáng)度和長期保持平行度，同時也是運(yùn)動滑塊的載體?；瑒臃绞椒譃楣飧軡L輪軸承導(dǎo)軌和密封軸承導(dǎo)軌；優(yōu)點(diǎn)是鋼性好、磨擦系數(shù)小、阻力低、精度高。

應(yīng)用： 焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂等

4、視覺系統(tǒng)引導(dǎo)的灌裝機(jī)械

目前機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用到了各個領(lǐng)域，以下我們介紹機(jī)器人在灌裝機(jī)械中的使用。如圖4所示，在一些工廠中需要對液態(tài)產(chǎn)品大量的進(jìn)行灌裝以方便運(yùn)輸，所以自然就增加了對灌裝機(jī)的需求，附圖中為視覺引導(dǎo)的直角坐標(biāo)機(jī)器人在灌裝機(jī)中的應(yīng)用。機(jī)器人方面選用德國百格拉龍門式三維直角坐標(biāo)機(jī)器人，視覺方面選擇德國Vision Components公司智能攝像機(jī)VC4038E。

該系統(tǒng)是通過BLOB區(qū)域分析的方法來進(jìn)行桶口的位置確定。由于每個桶口的正上面都有一個與鐵桶本身顏色區(qū)分明顯的白點(diǎn)和黑洞，那么視覺系統(tǒng)就采用區(qū)域分析的方法對采集的圖像進(jìn)行處理，獲得該白點(diǎn)和的黑洞位置，然后通過換算確定桶口的位置，并通過以太網(wǎng)口傳輸給直角坐標(biāo)機(jī)器人。機(jī)器人獲得該坐標(biāo)后，直接帶動注油管道到桶口上方，然后插入，注油，待結(jié)束后重復(fù)執(zhí)行以上的動作。

該系統(tǒng)成功的解決了工廠注油難，費(fèi)時，費(fèi)力等困難，大大提高了工作效率。這里面機(jī)器人的運(yùn)動軸要帶金屬防護(hù)帶，所用的驅(qū)動電機(jī)是防爆電機(jī)。

結(jié)論及展望

德國Vision Components公司的智能相機(jī)裝配在百格拉公司的直角坐標(biāo)機(jī)器人上已經(jīng)被眾多用戶成功地用在工件定位，分類搬運(yùn)上。 隨著大批量自動化生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，很多產(chǎn)品要在許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)全面被檢測及精確定位，這類直角坐標(biāo)機(jī)器人和圖像處理系統(tǒng)將具有更加廣范的市場前景和發(fā)展?jié)摿Γ?/p>