1、機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用結(jié)課論文 專業(yè)：光信息科學(xué)與技術(shù)班級(jí)：12050241學(xué)號(hào)：姓名：郭 紅機(jī)器人是一種由主體結(jié)構(gòu)、控制器、指揮系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)傳感器組成的，能夠模擬人的某些行為、能夠自行控制、能夠重復(fù)編程、能在二維空間內(nèi)完成一定工作的機(jī)電一體化的生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域，也是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用已從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域快速擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，而無論是傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域還是其他領(lǐng)域，對(duì)機(jī)器人性能要求的不斷提高，使機(jī)器人必須面對(duì)更極端的環(huán)境，完成更復(fù)雜的任務(wù)。我

2、所學(xué)的專業(yè)：光信息科學(xué)與技術(shù)，在機(jī)器人技術(shù)方面有著很多的應(yīng)用，與機(jī)器人技術(shù)聯(lián)系密切，為機(jī)器人的發(fā)展提供了動(dòng)力。主要體現(xiàn)在機(jī)器人視覺技術(shù)，如機(jī)器人視覺傳感技術(shù)及應(yīng)用。其他方面也有所涉及，比如：機(jī)器人激光焊、光電混合處理系統(tǒng)在機(jī)器人視覺目標(biāo)中的應(yīng)用、光學(xué)定位腦外科機(jī)器人系統(tǒng)及其空間配準(zhǔn)、用機(jī)器人焊接時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在焊縫的光學(xué)傳感和自動(dòng)跟蹤中的應(yīng)用等。機(jī)器人視覺技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展及應(yīng)用。人類感知外部世界主要是通過視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等感覺器官，其中約80%的信息是通過視覺器官獲取的。視覺感知環(huán)境信息的效率很高，他不僅指對(duì)光信息的感受，還包括對(duì)視覺信息的獲取、傳輸、處理、存儲(chǔ)與理解的全過程。對(duì)人類而言

3、，視覺信息傳入人大腦后，由大腦根據(jù)已有的知識(shí)進(jìn)行信息處理，進(jìn)而判斷和識(shí)別。機(jī)器人視覺系統(tǒng)是使機(jī)器人具有視覺感知功能的系統(tǒng)，是通過攝相機(jī)和計(jì)算機(jī)來對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行測(cè)量、識(shí)別和判斷。但是機(jī)器視覺和人類視覺有著本質(zhì)上的不同，它的特點(diǎn)不僅在于模擬人眼功能，更重要的是他能完成人眼所不能勝任的某些工作，主要應(yīng)用于不適合人工作或者人類視覺無法達(dá)到要求，以及高速大批量工業(yè)產(chǎn)品制造自動(dòng)生產(chǎn)流水線的一些場(chǎng)合。機(jī)器人視覺可以通過視覺傳感器獲取環(huán)境的一維、二維和三維圖像，并通過視覺處理器進(jìn)行分析和解釋，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為符號(hào)。人能夠辨識(shí)物體，并確定其位置及各種狀態(tài)。機(jī)器人視覺系統(tǒng)側(cè)重于研究以應(yīng)用為背景的專用視覺系統(tǒng)，只提供對(duì)執(zhí)

4、行某一特定任務(wù)相關(guān)的景物描述。機(jī)器人視覺硬件主要包括圖像獲取和視覺處理兩部分，而圖像獲取由照明系統(tǒng)、視覺傳感器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和幀存儲(chǔ)器等組成。根據(jù)功能不同，機(jī)器人視覺可分為視覺檢驗(yàn)和視覺引導(dǎo)兩種，廣泛應(yīng)用于電子、汽車、機(jī)械等工業(yè)部門和醫(yī)學(xué)、軍事領(lǐng)域。 機(jī)器人常用的視覺傳感器有光電二極管與光電轉(zhuǎn)換器件、PSD、CCD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器以及其他的攝像元件。介紹如下：光電二極管與光電轉(zhuǎn)換器 pn型光電二級(jí)管，如果讓光子射入半導(dǎo)體的pn結(jié)邊界耗盡層，就會(huì)激勵(lì)起新的空穴。利用電場(chǎng)將空穴和電子分離到兩側(cè)，就可以的到與光子量成比例的反向電流。Pn型元件的優(yōu)點(diǎn)是暗電流小，所以被廣泛用于照度計(jì)和分

5、廣度計(jì)等測(cè)量裝置中。PSD（Position Sensitive Detector，位置敏感探測(cè)器）是測(cè)定入射光位置的傳感器，由發(fā)光二級(jí)管、表面電阻膜、電極組成。入射光產(chǎn)生的光電流通過電阻膜到達(dá)元件兩端的電極，流入各個(gè)電極的電流與電阻值存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，而電阻值又與光的入射位置及到各個(gè)電極距離成比例，因此根據(jù)電流值就能檢測(cè)到光入射的位置。PSD元件中有一維和二維兩種，它們都具有高速性，但要注意入射到開口部分的散射光的影響。 CCD圖像傳感器 電荷耦合器件（CCD：Charge Coupled Device）圖像傳感器是由多個(gè)光電二極管傳送儲(chǔ)存電荷的裝置。它有多個(gè)MOS（Metal Oxide Se

6、miconductor）結(jié)構(gòu)的電極，電荷傳送的方式是通過向其中一個(gè)電極上施加與眾不同的電壓，產(chǎn)生所謂的勢(shì)阱，并順序變更勢(shì)阱來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)傳送電荷需要的脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，施加電壓的方法有兩相方式和三相方式。CCD圖像傳感器有一維形式的，是將發(fā)光二極管和電荷傳送部分一維排列制成的。此外還有二維形式的，它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硒化鎘光導(dǎo)攝像管和氧化鉛光電攝像管二維傳感器。二維傳感器屬于水平和垂直傳送電荷傳感器，傳送方式有行間傳送、幀行間傳送、幀傳送及全幀傳送四種方式。行間傳送方式，采取一維攝像區(qū)域（接收部分）與傳送區(qū)域平行布置結(jié)構(gòu)的方法。接收部分多使用二極管。每一幀曝光所儲(chǔ)蓄的電荷分別被垂直或水平的傳送，然后

7、以圖像信號(hào)的形式被取出。在CCD內(nèi)部電荷傳送的效率非常高，因此其具有高的靈敏度。由于整個(gè)傳送區(qū)域是被遮光的，所以在傳送中不會(huì)曝光。CCD圖像傳感器把垂直寄存器用作單畫面圖像的緩存，所以可以將曝光時(shí)間和信號(hào)傳送時(shí)間分離開。也就是說，其具有所有像素能在同一時(shí)間曝光的特點(diǎn)。CMOS圖像傳感器 CMOS圖像傳感器是由接收部分（二極管）和放大部分組成的一個(gè)個(gè)單元，然后按照二維排列。由于放大器單元之間特性的分散性大，以至于其噪聲比較大。不過，近年來噪聲消除電路的性能已經(jīng)得到改善，故使COMS圖像傳感器得到迅速普及和應(yīng)用。CMOS傳感器的優(yōu)點(diǎn)是耗電低，并利用一般半導(dǎo)體制造技術(shù)就可以完成CMOS處理器的設(shè)計(jì)和

8、加工，這都是有利于圖像處理電路和圖像傳感器的單片化和低成本化。其他的攝像元件 光電子增倍管就是根據(jù)二次放電效應(yīng)增大入射光的元件，因此他可以用來檢測(cè)微弱光線，如用于夜視系統(tǒng)中等。在紅外線圖像方面有波長(zhǎng)為215m的中紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)域的傳感器，在紅外線檢測(cè)器中得到較多使用的是HgCdTe和AlGaAs結(jié)晶的量子型傳感器。熱效應(yīng)型傳感器最近也被實(shí)用化了，談的原理是把裝置接收的入射紅外線變換為熱能，再利用溫度檢測(cè)器將溫度升高轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出。熱效應(yīng)型傳感器無須冷卻器，這是量子型圖像傳感器所不及的優(yōu)點(diǎn)?；『笝C(jī)器人視覺技術(shù)焊接作為一種機(jī)械加工的重要特殊工藝手段，在制造業(yè)中具有舉足輕重的地位，但是，傳統(tǒng)的手工

9、焊接己經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)品制造的要求。囚此，保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、提高生產(chǎn)效率、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和改善勞動(dòng)環(huán)境己經(jīng)成為現(xiàn)代焊接技術(shù)極待解決的問題。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動(dòng)化、柔性化與智能化己經(jīng)成為必然趨勢(shì)。焊接機(jī)器人具有通用性強(qiáng)、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是無法自主獲取工件定位信息、焊縫空間位置信息、焊縫熔透信官，當(dāng)焊接對(duì)象改變時(shí)需要重新示教，造成工作效率低下，囚此智能化是焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。焊接機(jī)器人智能化技術(shù)是指在焊接機(jī)器人上裝配各種傳感器，使焊接機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境具有一定的感知能力，從而使焊接機(jī)器人可以自主地適應(yīng)環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境的變化，對(duì)自身下一步操作自主調(diào)整。

10、使用焊接傳感器的日的是為了實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接的智能化。焊接傳感器根據(jù)原理可以分為聲學(xué)、力學(xué)、電弧和光學(xué)傳感器等。與傳統(tǒng)的傳感方法相比，光學(xué)傳感器具有不與焊接回路接觸、不與焊接工件接觸、信號(hào)的檢測(cè)操作不影響正常的焊接過程、傳感信息豐富、硬件設(shè)備簡(jiǎn)單、易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)為視覺傳感技術(shù)提供了軟硬件支持。如光學(xué)器件和攝像機(jī)成本下降、性能提高、可靠性改善，圖像處理硬件性能改善和種類的增多為視覺傳感器提供了硬件支持；機(jī)器視覺、圖像處理和軟件技術(shù)的發(fā)展為視覺傳感器提供了軟件保障。因此光學(xué)傳感器在焊接過程中具有非常廣泛的應(yīng)用前景。光學(xué)傳感器根據(jù)光學(xué)器件

11、所工作的波段可以分為X射線傳感器、視覺傳感器和紅外傳感器三種。視覺傳感器是在光譜的可見光波段內(nèi)利用CCD器件對(duì)焊接區(qū)成像，圖像中的景物與焊接區(qū)各部分一一對(duì)應(yīng)，可以得到焊接過程動(dòng)態(tài)熔池的一維和二維信息，檢測(cè)到的熔池信息直接反映了焊接過程熔化金屬的動(dòng)態(tài)行為，無需紅外成像那樣只有經(jīng)過溫度場(chǎng)的標(biāo)定以后才能確定焊接區(qū)各個(gè)部分，非常直觀。視覺傳感技術(shù)根據(jù)所獲得的信息可以分為一維視覺傳感和二維視覺傳感;根據(jù)是否需要輔助光源分為主動(dòng)式視覺傳感和被動(dòng)式視覺傳感。主動(dòng)式視覺傳感方法采用激光等輔助光源對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行照明以減少電弧光對(duì)圖像質(zhì)量的影響，提高熔池圖像的質(zhì)量。由于激光具有單波長(zhǎng)、方向性好、相干性好等特點(diǎn)，所以

12、通常采用激光作為輔助光源。日前應(yīng)用較多的是通過一定方法產(chǎn)生一條、多條或者網(wǎng)格分布的結(jié)構(gòu)光投射到焊接工件上，根據(jù)結(jié)構(gòu)光條紋的變形獲取有關(guān)的幾何形狀信息。主動(dòng)式視覺傳感由于要采用高能量的脈沖光源和特殊電子快門的攝像機(jī)，所以設(shè)備較多、系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，從而限制了這種方法在實(shí)際中的應(yīng)用。被動(dòng)式視覺傳感方法是通過弧光或者自然光等照明獲取焊接區(qū)圖像信息的，被動(dòng)式視覺傳感方式不需要輔助光源只采用普通的CCD攝像系統(tǒng)傳感熔池圖像，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，更適合在焊接生產(chǎn)實(shí)際中使用，因此越來越受到人們的重視。機(jī)器視覺在農(nóng)業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用 農(nóng)業(yè)機(jī)器人是 21世紀(jì)研究進(jìn)展最快的機(jī)器人。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),水果和蔬菜在人

13、類的生活中占有很重要的地位,種植面積和產(chǎn)量逐年提高。目前中國(guó)果樹總面積為 993.3萬(wàn)hm2,占世界果樹總面積的 20.39%,居世界第一位。而農(nóng)產(chǎn)品的采摘是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度大、消耗時(shí)間長(zhǎng),具有一定危險(xiǎn)的作業(yè)。所以,對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的研究就顯得非常迫切。由于農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)對(duì)象是有機(jī)生物體,且不同地域有不同的自然氣候、 地形、 地貌以及不同的種植制度,所以其應(yīng)用的難度非常之大。尤其針對(duì)如此錯(cuò)綜復(fù)雜的外部環(huán)境和形狀各異的作業(yè)對(duì)象,即使是在同一種農(nóng)業(yè)作業(yè),其作業(yè)對(duì)象也是千差萬(wàn)別,這樣一來,采用帶視覺技術(shù)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人將不失為一個(gè)非常理想的選擇。根據(jù)機(jī)器人視覺技術(shù)的不同層次,其在農(nóng)業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用也有所

14、不同。一維成像視覺技術(shù)只是通過視覺傳感器對(duì)作業(yè)對(duì)象的某一個(gè)特征值進(jìn)行檢測(cè),如光的強(qiáng)度、作業(yè)對(duì)象的顏色等。一維成像的視覺技術(shù)由于簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn),因而在剛開始時(shí)得到了較多的應(yīng)用。但是由于一維成像技術(shù)反饋回來的信息量少,不太全面,因此限制了它的應(yīng)用范圍。所以,應(yīng)用越來越多的是二維成像的視覺技術(shù)。二維成像視覺技術(shù)是由不同位置的兩臺(tái)或者一臺(tái)攝像機(jī) (CCD)經(jīng)過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場(chǎng)景,通過計(jì)算空間點(diǎn)在兩幅圖像中的視差,獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。在人類獲取信息的感觀中,視覺所得到的信息量是最大的。依靠?jī)芍谎劬?我們可以感覺到景物的深度,而不是兩張圖片的簡(jiǎn)單重疊。這樣的二目視覺技術(shù)如果能夠應(yīng)用到計(jì)算機(jī)視覺中,

15、將給農(nóng)產(chǎn)品的采摘帶來非常大的便利。20世紀(jì) 80年代,美國(guó)麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的 Marr提出了一種視覺計(jì)算理論并應(yīng)用在雙睛匹配上,使兩張有視差的平面圖產(chǎn)生在深度的立體圖形,奠定了雙目立體視覺發(fā)展理論基礎(chǔ)。相比其他類的體視方法,如透鏡板三維成像、 投影式三維顯示、 全息照相術(shù)等,雙目本視直接模擬人類雙眼處理景物的方式,可靠簡(jiǎn)便,在許多領(lǐng)域均極具應(yīng)用價(jià)值,這種技術(shù)已經(jīng)得到初步的應(yīng)用。在二維成像的視覺技術(shù)中,常用的視覺傳感器有光電二極管組、 光導(dǎo)攝像機(jī)和固體半導(dǎo)體攝像機(jī)。二維成像的視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人中主要用于對(duì)作業(yè)對(duì)象的形狀、位置等的識(shí)別。在果實(shí)采摘機(jī)器人中,通過二維成像的視覺技術(shù)就可

16、以對(duì)看到的圖像進(jìn)行分析處理,由圖像輪廓的形狀判斷出果實(shí)所在的位置,同時(shí)對(duì)其成熟度 (如顏色)進(jìn)行檢測(cè),由此決定是否采摘以及如何對(duì)果實(shí)進(jìn)行采摘。Grass等人研究的機(jī)器人具有獨(dú)立的可伸縮性,安裝在一個(gè)公共平臺(tái)上,由液壓系統(tǒng)支持。每一個(gè)機(jī)械臂末端安裝了一個(gè)帶廣交鏡的小攝像機(jī),由于從不同的視點(diǎn)進(jìn)行獲取圖像,因此,用立體匹配算法計(jì)算水果的具體位置,將 RGB圖像閥值化為二值圖像,經(jīng)過平滑處理和邊界檢測(cè)后,估算中心位置,結(jié)果表明有 86%的檢出率和 5%的誤識(shí)率。鄭小東等以番茄的形心為匹配基元進(jìn)行雙目視覺的研究,通過模板匹配實(shí)現(xiàn)番茄圖像輪廓信息的補(bǔ)全和修復(fù),然后根據(jù)輪廓特征求的形心,當(dāng)兩個(gè)攝像機(jī)都能拍攝

17、到完整輪廓時(shí),可以確定番茄的空間位置。但該算法對(duì)圖像的噪聲很敏感,影響了精度。在對(duì)果樹修枝的機(jī)器人中,采用視覺傳感器對(duì)果樹的枝干進(jìn)行二維成像,通過圖像識(shí)別確認(rèn)果樹各個(gè)枝干的生長(zhǎng)情況,將其在計(jì)算機(jī)中與果樹修枝的標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比,由此來決定如何修整果樹,并通過視覺傳感器反饋機(jī)器人手臂的動(dòng)作,從而引導(dǎo)機(jī)器人用手部的剪刀將無用的枝條剪掉。隨著科技的發(fā)展,人們的要求也越來越高。為了更加全面地掌握作業(yè)對(duì)象的信息,三維成像的視覺技術(shù)也開始進(jìn)入了人類的研究范圍。三維成像視覺技術(shù)主要是以二維成像視覺技術(shù)為基礎(chǔ),通過用不同角度的視覺傳感器對(duì)作業(yè)對(duì)象進(jìn)行二維成像,數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)后再進(jìn)行分析處理,最終合成作業(yè)對(duì)象在空間的

18、三維圖像,其原理與我們?nèi)说难劬︻愃啤C(jī)器人根據(jù)此圖像即可決定對(duì)作業(yè)對(duì)象的不同操作。在將采摘、檢測(cè)、分級(jí)合為一體的農(nóng)業(yè)機(jī)器人中,通過三維成像的視覺技術(shù),機(jī)器人首先就可以判斷并確定果實(shí)所在的位置、果實(shí)的空間形狀,并檢測(cè)出果實(shí)的大小、成熟度等,然后根據(jù)分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)將果實(shí)放入不同的箱內(nèi)。更加智能的三維成像視覺技術(shù)將自動(dòng)引導(dǎo)機(jī)器人在果園內(nèi)行走,搜索、發(fā)現(xiàn)并識(shí)別目標(biāo),然后對(duì)成熟的果實(shí)進(jìn)行采摘、自動(dòng)分級(jí),最后再進(jìn)行自動(dòng)包裝。如果機(jī)器人的控制軟件開發(fā)得足夠豐富的話,則帶有三維成像視覺技術(shù)的機(jī)器人將是一個(gè)全能機(jī)器人,它不僅能完成果實(shí)的檢測(cè)、采摘、分級(jí)和包裝,而且還能對(duì)果樹進(jìn)行修整、施肥等,完成對(duì)果樹的日常維護(hù)。隨

19、著三維成像視覺技術(shù)的日益成熟,農(nóng)業(yè)機(jī)器人將會(huì)走向一個(gè)更加輝煌的時(shí)代。機(jī)器人輔助外科手術(shù)光學(xué)定位跟蹤系統(tǒng)。在機(jī)器人輔助外科手術(shù)系統(tǒng)(RASS)中，手術(shù)器械相對(duì)于病灶部位的位置和姿態(tài)必須實(shí)時(shí)地精確計(jì)算出來以便正確的引導(dǎo)外科手術(shù)的進(jìn)行。為了規(guī)避手術(shù)環(huán)境中可見光變化對(duì)于光線定位跟蹤系統(tǒng)的影響，可采用紅外攝像機(jī)進(jìn)行圖像的采集。同時(shí)為了降低多個(gè)手術(shù)器械及手術(shù)參與人員引起的光線遮擋問題出現(xiàn)的可能性，可采取符合一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多目攝像機(jī)模式?；诙嗄考t外相機(jī)的手術(shù)機(jī)器人光學(xué)跟蹤系統(tǒng)涉及以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：攝像機(jī)標(biāo)定、圖像點(diǎn)提取、圖像點(diǎn)匹配、立體三角原理、多目標(biāo)跟蹤技術(shù)、手術(shù)器械的識(shí)別與標(biāo)定。該系統(tǒng)采用了基于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(CMM)的紅外相機(jī)標(biāo)定方法和一種改進(jìn)的立體三角原理基于垂足的空間點(diǎn)定位方法(PFM)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種紅外相機(jī)標(biāo)定方法