【机器人入门与实践教学改革与实践汇编】

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《机器人入门与实践》教学改革与实践

　　1前言

　　随着机器人技术蓬勃发展，目前全国许多高校都开设了机器人教学相关课程，而且学生人数也在逐年上升。机器视觉作为工业机器人一项核心技术，主要研究计算机模拟人视觉功能进行目标对象识别、判断与测量，是《机器人入门与实践》课程中一个重要教学项目。机器视觉系统核心是图像采集与处理，所有信息均来源于目标图像，目标图像本身质量对整个视觉系统极为关键。光源是影响机器视觉系统图像水平重要因素，光源质量直接影响输入数据质量。通过对光源照明适当优化，实现图像中目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别难度，提高系统定位、测量精度，使系统可靠性与综合性能得到提高[1]。

　　目前教学中，由于机器视觉系统设备配置较为固定，学生主要以操作为主，很难对视觉照明系统有深入理解。而实现机器视觉系统光源照明优化，有效地提高图像识别质量与效果，进而提高工业机器人工作效率对课程学习具有重要意义。

　　本文工以工业机器人象棋教学仪器为主题，针对工业机器人视觉系统对棋子识别精确度不高情况，提出一种机器人视觉照明系统优化方案，通过对系统中照明装置进行优化，提高视觉系统识别准确度。

　　2机器视觉系统组成

　　典型机器视觉系统可以分为：图像采集部分、图像处理部分与运动控制部分。主要部件由机器视觉光源，光学镜头，工业相机，传感器，图像剖析处理软件，通讯接口等组成。

　　（1）光源

　　在目前机器视觉应用系统中，优质光源与照明方案往往是整个系统成败关键，光源与照明方案配合应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测部分与那些不重要部份之间应尽可能地产生明显区别。其中，LED 光源凭借其诸多优点在现代机器视觉系统中得到越来越多应用。

　　（2）光学镜头

　　光学镜头相当于人眼晶状体，在机器视觉系统中非常重要。镜头主要性能指标有焦距、光阑系数、倍率、接口等。

　　（3）相机

　　相机是机器视觉系统获取原始信息最主要部分，目前主要使用有CMOS相机与CCD相机。CCD 摄像机以其小巧、可靠、清晰度高等特点在商用与工业领域都得到了广泛地使用。

　　（4）图像采集卡

　　在基于 PC 机机器视觉系统中，图像采集卡是控制摄像机拍照，完成图像采集与数字化，协调整个系统重要设备。

　　（5）视觉传感器

　　传感器模块化部件集成了光源、摄像头、图像处理器、标准控制与通讯接口，组成一个智能图像采集与处理单元，内部程序存储器可存储图像处理算法，并能使用 PC 机利用专用组态软件编制各种算法下载到视觉传感器程序存储器中。

　　3光源技术

　　光源与照明方案配合应尽可能地突出物体特征参量，在增加图像对比度同时，应保证足够整休亮度；物体位置变化不应该影响成像质量。光源选择必须符合所需几何形状、照明亮度、均匀度等。好光源能够改善整个系统分辨率，减轻后续图像处理压力。不合适光源，会给机器视觉系统带来很多麻烦，如摄像机花点与过度曝光会隐藏很多重要信息；阴影会引起边缘误检；信噪比降低以及不均匀照明会增加图像处理阈值选择困难。要保证好图像，必须要选择一个合适光源。机器视觉中光源分类主要以下几种：

　　3.1 前光源

　　前光源是指光源放置在待测物前方，这种光照方式称为“前光式照明”，如图1所示。前光源又可以分为“高角度”与“低角度”两种，区别在于光源与被测物待测表面夹角大小不同。在选用“高角度照明”，或“低角度照明”时，主要考虑被测物表面待测部分机理。

　　3.2 背光源

　　背光源与前光源在放置位置上刚好相反，放置于待测物体背面，如图2所示。通过背光源照射待测物体，相对摄像机形成不透明物体阴影或观察透明物体内部，使待测物透光与不透光部分边缘清晰，为图像边缘提取奠定基础。它主要应用于被测对象轮廓检测、透明体污点缺陷检测、液晶文字检查、小型电子元件尺寸与外形检测、轴承外观与尺寸检查、半导体引线框外观与尺寸检查等。

　　3.3 环形光源

　　环形光源能为待测物体提供大面积均衡照明。在实际应用中，环形光源与CCD镜头同轴安放，一般与镜头边缘相对齐。环形光源优点在于可直接安装在镜头上（如图3所示），与待测物体距离合适时，可大大减少阴影、提高对比度、可实现较大面积照明。但应用距离不合适时会造成环形反光现象。

　　三菱 RV-2F工业机器人象棋教学仪器主要由三菱 RV-2F工业机器人（如图4）、三菱 FX3U系类PLC、三菱 GOT1000 系类触摸屏、三菱 MR-J4 系类伺服、康耐视工业相机、邦纳安全光幕等设备组成[2]，可以实现对普通中国象棋进行棋子抓取、摆放、识别，以及棋盘上对棋子移动、吃子等动作。该系统中视觉系统照明正是采用了环状照明光源，如图5所示。

　　4工业机器人象棋教学仪器环形光源剖析

　　最初环形照明光源内部采用纯水平排列LED，可以?檎?个工件提供较为均匀照明，其照明原理如图6所示。

　　这种环形结构照明光源将LED颗粒安装在平面结构上，因设计简单且组装简便，成本较低。但这种照明最大缺点是视场中心亮度不够均匀，由CCD获取图像存在中心亮度低，环形四周亮度高缺陷。这种照明与COGNEX 1100工业视觉传感器成像镜头光阑大小很难形成好匹配，获取图像特征部分细节会被掩盖，给In-Sight Explorer视觉取模与图像判别带来不少困难。

　 　　为了更好获取到均匀照明光源，可以将图6中LED颗粒排列阵列进行优化设计。采用非球面结构形式，将LED照明颗粒镶嵌在非球面表明，最终通过多角度扩散方式给工件提供照明。其照明原理如图7所示。

　　采用图7所示非球面环状光源与现有普通LED环形光源相比，优点在于能产生统一、表面均匀照明效果。两种比较如图8与图9所示。通过比较图8与图9可以发现后者所能提供照明更均匀柔与。

　　5工业机器人象棋教学仪器环形光源剖析

　　In-Sight Explorer电子表格视图用于康耐视In-Sight Micro系工业视觉传感器编程界面[3]，如图10所示。三菱 RV-2F工业机器人象棋视觉系统使用图像对比指令FindPatterns，界面如图11所示。对图像取模后进行对比，得出相似值后进行相应运算，发送二进制数到网络。

　　如图11所示，一般相机曝光时间只需要调整到2-3秒左右，总分为100分，得分判断值一般取60-70即可。分值取得是靠图像特征对比，当得分值大于得分判断值时，则后面数值会显示为1，当没有通过得分判断值时，后面显示数值为0。1表示图像识别成功，0表示图形识别失败。

　　将优化光源安装到工业机器人象棋教学系统中，选取同类拍摄棋子图像在不同照明光源下进行拍摄取图形，如下图12与13所示。

　　通过图像比较可以发现图13所拍摄图片亮度更高，均匀度更好。两张图片经过取模操作与系统比较后发现图13成功实现了图像识别，图12出现识别错误。

　　6结束语

　　本文通过对三菱 RV-2F工业机器人象棋视觉系统照明进行改造，将常见纯水平排列LED环形照明光源优化为非球面排列LED环形照明光源，有效地提高了目标物体照明亮度与均匀度，提高了视觉系统图像识别成功率。该教学项目让学生以一种简便直观形式了解并掌握工业机器人视觉系统优化方法，有效激发学生学习热情与实践能力。

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7、努力爱一个人。付出，不一定会有收获；不付出，却一定不会有收获，不要奢望出现奇迹。

8、承诺是一件美好的事情，但美好的东西往往不会变为现实。

9、每个人都有自己鲜明的主张和个性，不要识途去改变他人，同样，也不要被他人所改变。改了，就不是自己了。

10、没有十全十美的东西，没有十全十美的人，关键是清楚到底想要什么。得到想要的，肯定会失去另外一部分。如果什么都想要，只会什么都得不到。

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