機器視覺系統的角度闡述機器人在機械自動化領域的應用

游 洋

（湖南省岳陽市第一中學，岳陽 414000）

2018年10月11日，波士頓動力公司發布了人形機器人Atlas凌空三跳視頻，視頻中機器人Atlas在一個短程助跑后，先是越過了一個圓木障礙物，接著又凌空三跳，依次跳過三個從低到高的臺階，這一系列動作即使是真正人類來做難度系數也非常高。早在2017年11月，機器人Atlas就已經具有較高的運動功能，它先是穩穩地跳上一個盒子，接著轉身完成了一個漂亮的后空翻動作，如圖1所示。

圖1 波士頓動力機器人Atlas表演后空翻

根據波士頓動力官方說法，機器人Atlas之所以進步如此之快，是因為在它身上使用了先進的機器視覺技術，從而使它在運動過程中，通過機器視覺技術識別周圍環境中的標記物來確定自己所處的位置，計劃下一步將要站定的位置，最終精準地落在預設位置并確保自己在復雜環境下運動也不會摔倒。

機器人Atlas設計初衷是執行各類搜救任務，它的飛速進步使得我們看到了機器人為人類服務的可能，也看到了視覺系統對機器人技術發展的重要意義。機器視覺系統的主要功能是代替人眼來進行測量與判斷，如今機器視覺系統已被應用在很多領域，后續的發展將更加深遠。

1 機器視覺系統的基本原理

人類的很多發明靈感都是來自于大自然，比如雷達的設計來源于蝙蝠、潛水艇設計靈感來自魚、直升飛機設計靈感來自蜻蜓等。機器視覺系統模型也是源自現實生活，那就是人類的視覺系統。機器視覺系統從圖像獲取、處理到執行操作都是在模擬人類眼睛功能基礎上設計而來，其中主要包括光源結構系統、光學成像系統、圖像捕捉系統、圖像采集與數字化、智能圖像處理與決策和控制執行模塊等，具體工作過程如圖2所示。

圖2 機器視覺系統工作原理圖

機器視覺系統觀測目標時的流程如下：當目標進入視野區后，機器視覺系統為了使被測目標與其他不重要事物產生明顯區別，將會啟動自身配備光源，照射被測目標；然后，圖像捕捉系統中的攝像頭錄制視頻，并一幀一幀地輸出到圖像采集系統，圖像采集系統將輸入模擬視頻信號轉化為處理器或計算機可以分析的數字信號，處理器或計算機對圖像數字信號進行處理、分析、識別，得出測量結果或邏輯控制值；最后，由控制執行模塊執行測量結果。

2 機器視覺系統的基本功能

在上述分析中，可以看出波士頓動力機器人Atlas已經可以如同人類一般在在復雜環境下進行復雜的動作，這一切都要歸功于機器視覺系統。機器視覺系統使機器設備具備了類似人的視覺功能，能夠替代人工進行檢測，相比人工檢測，機器視覺系統檢測數據更加精準，提高了產品合格率，并可持續提供有效檢測數據，替企業節省了開支。另外，在人類無法工作的危險環境或不能滿足人眼可視要求的環境下，利用機器視覺系統依然可以照常工作，有效保障工作進度，提高生產線自動化和柔性水平。總之，機器視覺系統被廣泛應用于各行各業，主要功能可總結為三個方面內容。

2.1 非接觸測量功能

機器視覺系統鎖定檢測目標后，通過光學成像系統和圖像捕捉系統采集圖像信息，再通過處理器對圖像信息進行處理，最終對數據進行分析。整個操作過程，觀測者和被觀測目標無需直接接觸，所以不會對任何一方造成影響，而且通過精密的計算系統使得數據分析更加真實有效，提高了觀察結果的可靠性。

2.2 可視范圍廣功能

受外界環境條件限制，人眼可視光譜范圍有限，通常可見光波長范圍為400～760nm，其他波長范圍內光線不能被看到；其次，人眼灰度分辨力差，一般只能分辨64個灰度級，再加上空間分辨率差，不能觀看微小的目標；最后，人眼可觀測速度受限，無法看清較快速運動物體。

但機器視覺系統可視光譜范圍，除紫外線到紅外線光譜范圍外，還可識別X光，同時能識別256個灰度級。如果配備特殊光學鏡頭，還可以觀測小到微米大到天體的目標。并且當前機器視覺系統快門時間可達10μs，可以快速捕捉高速運動物體。

2.3 可長時間工作功能

機器視覺系統本身具備機械作業功能，即它只要能夠啟動，就可以進行工作。相比人類的勞動極限，機器視覺系統可以長時間、穩定地工作。相比較人類無法長時間對同一個觀測目標進行觀察，機器則不存在這個問題，在器件壽命允許的范圍內，可進行長時間測量、分析、識別任務，并保證數據的準確。

3 機械自動化領域基于機器視覺的機器人應用

機器視覺起源于20世紀50年代，但在我國起步較晚，所以我國機器視覺系統發展水平與世界國家相比有較大差距。但隨著我國科學技術的快速發展，如今中國已經成為了機器視覺系統發展最活躍的國家之一，據《2013—2017年中國機器視覺產業發展前景與投資預測分析報告》數據顯示，我國機器視覺市場規模達到8.3億元，同比增長48.2%。可預計的是，隨著機器視覺技術的成熟與發展，該技術將在現代和未來制造企業中得到更加廣泛的應用。下面筆者闡述不同行業機器視覺系統的應用途徑。

3.1 制造機器人

制造機器人可以通過接受示教而完成各種簡單的重復動作。因此制造機器人視覺系統工作原理就是機器人在接受示教時，內置視覺處理器記錄依次記錄工作任務各個位置。，執行后續獨立執行任務時，機器人各個關節依次再現之前記錄位置，從而完成一系列動作。制造機器人應用領域很多，如移動機器人，可以用來搬運電子、紡織、煙卷、醫療、食品和紙張等柔性物品，避免人工操作帶來的損耗；再例如點焊機器人，可用于汽車整車焊接工作，而且焊接質量明顯優于人工焊接；再比如真空機器人，這種機器人主要在真空環境下工作，目前主要應用于半導體工業，實現了元器件在真空腔室內的傳輸目標。

3.2 服務機器人

服務機器人是機器人家族的一個小眾類別，但他應用范圍卻十分廣泛，涉及領域包括維護保養、修理、運輸、清潔、保安、救援以及監護等工作。有了機器視覺系統，服務機器人能夠幫助人類解決很多問題，比如護士助手機器人，可以幫助護士做一些簡單的事情，如運送醫療器材設備和藥品、為病人送飯、報表、信件，運送試驗樣品及試驗結果等等；再比如腦外科機器人，可以做腦外科手術，手術過程中無人為因素影響，操作更精準；再比如清洗機器人，過去很多樓外的清洗工作都是由人工作業完成的，工作速度慢而且容易發生意外事故，造成人員傷亡。清洗機器人可以根據實際環境情況靈活自如地行走和擦洗，而且具有很高可靠性，大大降低了作業危險系數和成本。

3.3 軍事機器人

軍事機器人是為了應對外來戰場，在未來戰場中，機器人戰士將成為主要兵力。戰爭發生時機器人士兵能適應惡劣環境，更好地完成任務。很久以前，美國就曾經將機器人部署到阿富汗，潛入漆黑洞穴拍攝照片并向外發送圖。目前也已經可以在一些國家軍事行動中看到機器人的身影，部分國家也開始使用軍事機器人代替人工進行站崗、放哨、排雷除暴。此外軍事機器人還有很多其它應用，比如步兵機器人，可以在戰場中通過任何障礙，并向敵方發射子彈；再比如背包機器人，能在巷戰環境中捕捉、分辨狙擊手細微動作。

3.4 農業機器人

除了工業大國的身份，中國農業發展也不可小覷，而在這個過程中，機器視覺系統也能夠發揮重要作用。比如水稻種子精選，通過機器視覺系統可以更精準地對種子品質進行檢測，判斷種子類型，檢測發霉、破損種子；再比如玉米粒計數機器人，可用通過機器視覺系統鎖定玉米穗區域，先提取玉米穗行，然后測量穗行粒數，最后統計在穗情況，給出分析結果；再比如插秧機器人，機器視覺系統先提取水田圖像及水田苗，然后確定水田苗行、列及田埂位置，進行插秧。農業機器人的應用還有很多，比如水田管理機器人、水田微型除草機器人、旱田作業機器人等。

3.5 航空航天機器人

航空航天機器人可以代替人類進行宇宙探索工作。例如2013年11月26日，我國國防科技工業局宣布首輛月球車命名為“玉兔號”，該月球車是一個小型化、低功耗、高集成的機器人，它能夠在凹凸不平的月球表面行駛，完成了月球探測、考察、收集和分析樣品等復雜任務；再例如日本宇宙航空研究開發機構研制的Int-Ball，它是個很小的漂浮球體，可以記錄宇航員在國際空間站上的活動情況，并將其發給地面人員；再比如美國宇航局下屬的約翰遜航天中心設計制造的Robonaut 2，能夠在宇航員的指揮下執行重復性、危險性較高的任務。

4 結語

機器視覺系統與人類視覺系統類似，可以快速獲取大量信息，適應各種惡劣環境，處理分析數據。隨著機器視覺系統的發展，使得機器人在機械自動化領域中得到廣泛運用，比如制造業、服務業等，不僅解放了社會勞動力，而且提升了生產效率。隨著機器視覺系統研究的日漸成熟，機器人將會更好地為人類社會發展做出貢獻。