机器视觉系统的角度阐述机器人在机械自动化领域的应用

游 洋

（湖南省岳阳市第一中学，岳阳 414000）

2018年10月11日，波士顿动力公司发布了人形机器人Atlas凌空三跳视频，视频中机器人Atlas在一个短程助跑后，先是越过了一个圆木障碍物，接着又凌空三跳，依次跳过三个从低到高的台阶，这一系列动作即使是真正人类来做难度系数也非常高。早在2017年11月，机器人Atlas就已经具有较高的运动功能，它先是稳稳地跳上一个盒子，接着转身完成了一个漂亮的后空翻动作，如图1所示。

图1 波士顿动力机器人Atlas表演后空翻

根据波士顿动力官方说法，机器人Atlas之所以进步如此之快，是因为在它身上使用了先进的机器视觉技术，从而使它在运动过程中，通过机器视觉技术识别周围环境中的标记物来确定自己所处的位置，计划下一步将要站定的位置，最终精准地落在预设位置并确保自己在复杂环境下运动也不会摔倒。

机器人Atlas设计初衷是执行各类搜救任务，它的飞速进步使得我们看到了机器人为人类服务的可能，也看到了视觉系统对机器人技术发展的重要意义。机器视觉系统的主要功能是代替人眼来进行测量与判断，如今机器视觉系统已被应用在很多领域，后续的发展将更加深远。

1 机器视觉系统的基本原理

人类的很多发明灵感都是来自于大自然，比如雷达的设计来源于蝙蝠、潜水艇设计灵感来自鱼、直升飞机设计灵感来自蜻蜓等。机器视觉系统模型也是源自现实生活，那就是人类的视觉系统。机器视觉系统从图像获取、处理到执行操作都是在模拟人类眼睛功能基础上设计而来，其中主要包括光源结构系统、光学成像系统、图像捕捉系统、图像采集与数字化、智能图像处理与决策和控制执行模块等，具体工作过程如图2所示。

图2 机器视觉系统工作原理图

机器视觉系统观测目标时的流程如下：当目标进入视野区后，机器视觉系统为了使被测目标与其他不重要事物产生明显区别，将会启动自身配备光源，照射被测目标；然后，图像捕捉系统中的摄像头录制视频，并一帧一帧地输出到图像采集系统，图像采集系统将输入模拟视频信号转化为处理器或计算机可以分析的数字信号，处理器或计算机对图像数字信号进行处理、分析、识别，得出测量结果或逻辑控制值；最后，由控制执行模块执行测量结果。

2 机器视觉系统的基本功能

在上述分析中，可以看出波士顿动力机器人Atlas已经可以如同人类一般在在复杂环境下进行复杂的动作，这一切都要归功于机器视觉系统。机器视觉系统使机器设备具备了类似人的视觉功能，能够替代人工进行检测，相比人工检测，机器视觉系统检测数据更加精准，提高了产品合格率，并可持续提供有效检测数据，替企业节省了开支。另外，在人类无法工作的危险环境或不能满足人眼可视要求的环境下，利用机器视觉系统依然可以照常工作，有效保障工作进度，提高生产线自动化和柔性水平。总之，机器视觉系统被广泛应用于各行各业，主要功能可总结为三个方面内容。

2.1 非接触测量功能

机器视觉系统锁定检测目标后，通过光学成像系统和图像捕捉系统采集图像信息，再通过处理器对图像信息进行处理，最终对数据进行分析。整个操作过程，观测者和被观测目标无需直接接触，所以不会对任何一方造成影响，而且通过精密的计算系统使得数据分析更加真实有效，提高了观察结果的可靠性。

2.2 可视范围广功能

受外界环境条件限制，人眼可视光谱范围有限，通常可见光波长范围为400～760nm，其他波长范围内光线不能被看到；其次，人眼灰度分辨力差，一般只能分辨64个灰度级，再加上空间分辨率差，不能观看微小的目标；最后，人眼可观测速度受限，无法看清较快速运动物体。

但机器视觉系统可视光谱范围，除紫外线到红外线光谱范围外，还可识别X光，同时能识别256个灰度级。如果配备特殊光学镜头，还可以观测小到微米大到天体的目标。并且当前机器视觉系统快门时间可达10μs，可以快速捕捉高速运动物体。

2.3 可长时间工作功能

机器视觉系统本身具备机械作业功能，即它只要能够启动，就可以进行工作。相比人类的劳动极限，机器视觉系统可以长时间、稳定地工作。相比较人类无法长时间对同一个观测目标进行观察，机器则不存在这个问题，在器件寿命允许的范围内，可进行长时间测量、分析、识别任务，并保证数据的准确。

3 机械自动化领域基于机器视觉的机器人应用

机器视觉起源于20世纪50年代，但在我国起步较晚，所以我国机器视觉系统发展水平与世界国家相比有较大差距。但随着我国科学技术的快速发展，如今中国已经成为了机器视觉系统发展最活跃的国家之一，据《2013—2017年中国机器视觉产业发展前景与投资预测分析报告》数据显示，我国机器视觉市场规模达到8.3亿元，同比增长48.2%。可预计的是，随着机器视觉技术的成熟与发展，该技术将在现代和未来制造企业中得到更加广泛的应用。下面笔者阐述不同行业机器视觉系统的应用途径。

3.1 制造机器人

制造机器人可以通过接受示教而完成各种简单的重复动作。因此制造机器人视觉系统工作原理就是机器人在接受示教时，内置视觉处理器记录依次记录工作任务各个位置。，执行后续独立执行任务时，机器人各个关节依次再现之前记录位置，从而完成一系列动作。制造机器人应用领域很多，如移动机器人，可以用来搬运电子、纺织、烟卷、医疗、食品和纸张等柔性物品，避免人工操作带来的损耗；再例如点焊机器人，可用于汽车整车焊接工作，而且焊接质量明显优于人工焊接；再比如真空机器人，这种机器人主要在真空环境下工作，目前主要应用于半导体工业，实现了元器件在真空腔室内的传输目标。

3.2 服务机器人

服务机器人是机器人家族的一个小众类别，但他应用范围却十分广泛，涉及领域包括维护保养、修理、运输、清洁、保安、救援以及监护等工作。有了机器视觉系统，服务机器人能够帮助人类解决很多问题，比如护士助手机器人，可以帮助护士做一些简单的事情，如运送医疗器材设备和药品、为病人送饭、报表、信件，运送试验样品及试验结果等等；再比如脑外科机器人，可以做脑外科手术，手术过程中无人为因素影响，操作更精准；再比如清洗机器人，过去很多楼外的清洗工作都是由人工作业完成的，工作速度慢而且容易发生意外事故，造成人员伤亡。清洗机器人可以根据实际环境情况灵活自如地行走和擦洗，而且具有很高可靠性，大大降低了作业危险系数和成本。

3.3 军事机器人

军事机器人是为了应对外来战场，在未来战场中，机器人战士将成为主要兵力。战争发生时机器人士兵能适应恶劣环境，更好地完成任务。很久以前，美国就曾经将机器人部署到阿富汗，潜入漆黑洞穴拍摄照片并向外发送图。目前也已经可以在一些国家军事行动中看到机器人的身影，部分国家也开始使用军事机器人代替人工进行站岗、放哨、排雷除暴。此外军事机器人还有很多其它应用，比如步兵机器人，可以在战场中通过任何障碍，并向敌方发射子弹；再比如背包机器人，能在巷战环境中捕捉、分辨狙击手细微动作。

3.4 农业机器人

除了工业大国的身份，中国农业发展也不可小觑，而在这个过程中，机器视觉系统也能够发挥重要作用。比如水稻种子精选，通过机器视觉系统可以更精准地对种子品质进行检测，判断种子类型，检测发霉、破损种子；再比如玉米粒计数机器人，可用通过机器视觉系统锁定玉米穗区域，先提取玉米穗行，然后测量穗行粒数，最后统计在穗情况，给出分析结果；再比如插秧机器人，机器视觉系统先提取水田图像及水田苗，然后确定水田苗行、列及田埂位置，进行插秧。农业机器人的应用还有很多，比如水田管理机器人、水田微型除草机器人、旱田作业机器人等。

3.5 航空航天机器人

航空航天机器人可以代替人类进行宇宙探索工作。例如2013年11月26日，我国国防科技工业局宣布首辆月球车命名为“玉兔号”，该月球车是一个小型化、低功耗、高集成的机器人，它能够在凹凸不平的月球表面行驶，完成了月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务；再例如日本宇宙航空研究开发机构研制的Int-Ball，它是个很小的漂浮球体，可以记录宇航员在国际空间站上的活动情况，并将其发给地面人员；再比如美国宇航局下属的约翰逊航天中心设计制造的Robonaut 2，能够在宇航员的指挥下执行重复性、危险性较高的任务。

4 结语

机器视觉系统与人类视觉系统类似，可以快速获取大量信息，适应各种恶劣环境，处理分析数据。随着机器视觉系统的发展，使得机器人在机械自动化领域中得到广泛运用，比如制造业、服务业等，不仅解放了社会劳动力，而且提升了生产效率。随着机器视觉系统研究的日渐成熟，机器人将会更好地为人类社会发展做出贡献。