基于FANUC机器人内置视觉识别软件应用研究_曹锦江.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期机床与液压 .:.本文引用格式:曹锦江,高世平基于 机器人内置视觉识别软件应用研究机床与液压,():,():收稿日期:基金项目:江苏省科技厅产学研基金(;);南京工程学院校级基金()作者简介:曹锦江(),男,本科,高级实验师,研究方向为自动控制、智能制造等领域的教学和科研。:.。基于 机器人内置视觉识别软件应用研究曹锦江,高世平(南京工程学院自动化学院,江苏南京)摘要:针对现场工程人员使用基于 平台或嵌入式模块等机器视觉系统开发机器人视觉程序比较困难的状况,对机器人与内置视觉识别软件之间联系进行研究。以 机器人集成内置视觉识别功能软件为研究对象,介绍工业相机与机器人物理连
2、接;分析相机标定原理和标定过程;以 形状和条形码工件为例,详细介绍了视觉识别程序处理过程和机器人视觉程序关键指令以及搬运程序流程。把多个模型混合放置,内置视觉系统都能准确识别,机器人都能精准分拣和搬运。机器人集成内置机器视觉系统硬件连接简单,识别工具丰富,使用方便,机器人程序与视觉数据交互便捷,拓展了机器人工艺应用范围。机器人集成内置视觉识别功能是自动化领域和机器视觉系统发展趋势。关键词:机器人;内置视觉识别软件;应用研究中图分类号:;,(,):,:;前言随着“中国制造”计划的推进,智能传感器是智能制造工程中关键技术之一,其中 (无线射频技术)、智能相机等是智能制造工程中常用的传感器。中国目前
3、正处于由劳动密集型向技术密集型转型的时期,对提高生产效率、降低人工成本的机器视觉方案有着旺盛的需求,在很多行业常使用机器视觉产品进行分拣、堆垛。机器视觉是一个涉及光学成像、计算机软硬件技术、人工智能、控制技术、图像处理技术和生物学等多领域综合和交叉的领域。文献介绍基于 平台开发视觉软件,也有开发的嵌入式视觉系统,而且针对特定的设备应用场合都需编写相应的通信驱动软件,两种视觉系 统 都 能 实 现 视 觉 识 别 的 主 要 功 能。张 昊 等人也对视觉算法做了大量研究。从相关文献可以看出,要完成视觉识别功能,都需要技术人员具备一定的语言编程基础和掌握视觉识别算法。在一些企业,机器视觉系统开发和
4、应用是一个专门技术岗位。而在自动化控制器中,比如 控制器或机器人控制器等,能集成机器视觉系统,不需要现场工程师掌握很深的 编程语言基础和复杂的视觉识别算法,就能利用内置机器视觉系统功能,根据内置识别匹配软件工具进行识别,产生的视觉数据直接与自动化设备进行交互使用。查询文献,相关介绍不多。下面以 机器人集成内置视觉识别功能软件为例,详细介绍机器视觉系统硬件连接、视觉标定、图形匹配工具、模型识别、视觉处理程序、机器人视觉程序,并进行了实验验证。视觉系统硬件连接与设置 机器人内置视觉功能软件,可以使用 机或示教器进行视觉软件的应用开发,但视觉系统硬件不可或缺。选配了 机器人公司推荐的 万像素、分辨率
5、为 像素 像素、像素尺寸为.的索尼模拟相机(),相机的检测范围由相机的拍照距离、镜头焦距、成像单元 尺寸决定,计算原理如图 所示。图 相机检测范围计算原理示意.计算公式:()式中:为检测范围;为拍照距离;为镜头焦距;为成像单元 尺寸;为像素尺寸;为分辨率;为检测高度。以拍照距离为 ,镜头焦距 为例,检测范围为 ;若检测范围固定,则拍照高度约.。视觉系统硬件由工业相机(含 相机和镜头)、机器人控制装置、照明装置(选配)、相机电缆等组成,组成示意如图 所示。图 视觉系统硬件连接示意.以 为例,相机电缆线一端连接至机器人主板,一端连接至工业相机专用插头。除硬件连接外,还需对相机背面的开关进行设置:开
6、关 和 为,其他为;终端为;信号选择为。若通过 机进行视觉系统调试,需通过 根网线把机器人控制装置以太网接口 或 与 机相连,并设置机器人控制器 地址和计算机 地址,两者在同一网段不同地址。因视觉系统实验测试是选择,机器人设置画面如图 所示。设置机器人以太网端口 地址为.。除设置机器人 地址外,还需要下载 ()控件调试软件到计算机,安装软件后就可以通过浏览器方式与机器人控制装置相连进行调试。图 设置机器人通信画面.相机标定机器人若利用视觉系统进行产品识别,必须知道工业相机在机器人坐标系中位置,相机标定目的就是建立相机图像与机器人坐标的数学关系。.标定原理解决相机与机器人之间位置关系的方法叫做手
7、眼标定。相机标定有多种方法,文中介绍张正友等提出的手眼标定法。相机标定有 个目的:()获得相机坐标系和图像坐标系关系(内参矩阵);()获得世界坐标系和相机坐标系关系(外参矩阵);()获得相机的畸变参数,继而对图像进行畸变计算;通过计算建立相机坐标系与机器人工具坐标系关系,进而建立相机坐标系与机器人基座坐标系关系。手眼标定关系如图 所示。图 搭建的手眼标定关系图.第 期曹锦江 等:基于 机器人内置视觉识别软件应用研究 基于棋盘格图案的相机标定原理是:手眼关系图中定义 是机器人基坐标系与棋盘格标定坐标系之间的转换关系矩阵;是相机标定的外参矩阵,即世界坐标系与相机坐标系之间的转换关系矩阵;是相机坐标
8、系与机器人末端坐标系之间的转换关系矩阵;是机器人当前位姿下机器人末端在机器人基坐标系下的位姿矩阵。根据图 所示手眼之间的关系,、和 形成一个闭环,因、和 均为 齐次变换矩阵,得到四者之间关系:,其中对于同一机器人位姿,和 可以从机器人读出,而不管位姿如何,和 是不变的。由视觉系统求解出 和 就能完成标定。.创建和设置相机数据创建相机并设置相机参数主要有:相机类型、曝光时间、相机安装方式(固定在机器人上是否)等,同时调整相机位置和光圈,以获得清晰的图像和较短的曝光时间。参数画面如图 所示。图 相机参数画面.设定标定坐标系.坐标系概念 机器人视觉系统提供相机标定工具:点阵板,点阵板有.和.等间隔不
9、同规格,标准点阵板有 个圆点,拍照图像尽量布满圆点。下文介绍都基于相机固定在机器人具体使用方法,机器人抓取点阵板设定方法不做介绍。设定之前理解几个坐标系:用户坐标系就是工件坐标系;基准坐标系设定计算相机标定标准的用户坐标系,一般默认使用;点阵板坐标系也是用户坐标系;工具坐标系就是工具中心点(,)。.设定点阵板坐标系点阵板坐标系可以手动设定也可以自动设定,自动设定就是相机自动识别,从机器人坐标系看到点阵坐标位置后,自动把结果写入用户坐标系。自动设定简单,精度高。自动设定点阵板坐标系画面如图 所示,最后把相机停止位置再记录到起始位置。图 点阵板坐标系设置画面.创建和设定相机校准数据在视觉系统画面,
10、选择“相机校准”菜单,创建标定数据项目名称,比如,按照提示完成相机数据设定和校准,设定的数据如图 所示。主要基准坐标系选择用户坐标系,选择“标定点”菜单,找出图中 中红色标记并在“标定点”菜单中找出删除,直至点阵画面都是绿色和蓝色,校准结束,校准结果如图 所示。在图 中显示 个位置:相对于点阵板的相机位置;相对于基准坐标系的点阵板的位置;从基本坐标系来看手持相机机器人法兰的位置,最后保存数据。图 相机校准设定画面.图 相机标定数据.机床与液压第 卷 视觉处理程序.机器人视觉功能和识别工具相机标定以后,可以利用内置在机器人软件包中的视觉系统软件工具进行产品视觉识别。机器人提供了很多视觉识别命令工
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