本發(fā)明涉及視覺配合機(jī)器人及機(jī)床的自動(dòng)化裝置領(lǐng)域，尤其涉及各個(gè)功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化的視覺系統(tǒng)，前述方法使視覺系統(tǒng)能適應(yīng)不同工件的快速轉(zhuǎn)換。

背景技術(shù)：

視覺系統(tǒng)是利用攝像機(jī)和軟件代替人眼使得自動(dòng)化設(shè)備擁有類似于人類的那種對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分割、分類、識(shí)別、跟蹤、判別決策的功能。

在生產(chǎn)過程中，自動(dòng)化模式要求有更高的速度、精度、分辨力、穩(wěn)定性和適應(yīng)性，并且要長時(shí)間的運(yùn)作，人工已經(jīng)不能滿足這樣的需求，而視覺系統(tǒng)非接觸性測(cè)量能夠解決這一問題，可以滿足自動(dòng)化生產(chǎn)模式的需求，并且可以保障機(jī)器和產(chǎn)品。

當(dāng)前，配合工業(yè)機(jī)器人使用的視覺系統(tǒng)，都是針對(duì)某種工件的定制產(chǎn)品，開發(fā)周期長，功能單一，對(duì)外部環(huán)境的適應(yīng)能力不強(qiáng)；更換工件后，需要對(duì)光照系統(tǒng)、相機(jī)標(biāo)定、模板處理算法、通訊接口、參數(shù)設(shè)置及圖像處理方法進(jìn)行較大改動(dòng)，來適應(yīng)新工件的新特性。這樣嚴(yán)重影響了客戶產(chǎn)品的更新?lián)Q代，不符合智能制造的技術(shù)要求，制約了視覺系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

另一問題在于大部分視覺系統(tǒng)采用較繁瑣的相機(jī)、機(jī)器人、機(jī)床之間的標(biāo)定方法，一般客戶不能標(biāo)定出高精度的結(jié)果，其實(shí)施起來很困難、而且有問題，且極其低效。

在現(xiàn)有技術(shù)中尚未發(fā)現(xiàn)具有各個(gè)功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化的視覺系統(tǒng)配合工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用，因而需要這樣的自動(dòng)化設(shè)備以簡化和優(yōu)化許多領(lǐng)域中的工業(yè)處理和制造。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

視覺系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)為功能單一的定制產(chǎn)品，用于某種工件的識(shí)別。而本發(fā)明實(shí)施例提出了一種各個(gè)功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化的視覺系統(tǒng)，通過各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，快速組成新的視覺檢測(cè)系統(tǒng)，用于不同工件的識(shí)別。

使相機(jī)、機(jī)器人、機(jī)床之間固定連接，經(jīng)過一次準(zhǔn)確的標(biāo)定之后，保存標(biāo)定結(jié)果，在每次重新安裝之后，只需做局部的微調(diào)，就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件之間的相對(duì)位置非常精確的校準(zhǔn)。而且，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作工程師不需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，只要按說明流程簡單的幾步操作，很快就可完成整個(gè)標(biāo)定過程，對(duì)輸出參數(shù)進(jìn)行更直接的控制，無需依賴于復(fù)雜的坐標(biāo)變換。

本發(fā)明實(shí)施例提供標(biāo)準(zhǔn)化的視覺系統(tǒng)，具有包括光照系統(tǒng)、相機(jī)標(biāo)定、模板處理算法、通訊接口、參數(shù)設(shè)置及圖像處理方法、系統(tǒng)測(cè)量工具包等模塊。相機(jī)安裝裝置采用全方位螺旋桿調(diào)節(jié)，帶自鎖功能，很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，可有效減免重復(fù)勞動(dòng)，提高工作效率。所獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果視覺系統(tǒng)提供更簡單的、更快的和效能成本更合算的檢測(cè)和處理。

其中，光照系統(tǒng)作為一個(gè)功能模塊，設(shè)計(jì)了頂部、側(cè)面、背面的光源安裝位置，而且角度可以調(diào)整，從而可以實(shí)現(xiàn)任意方向的打光；配備了白光、紅光等不同顏色和不同規(guī)格的光源。完全可以做到從不同方向、利用不同顏色和不同強(qiáng)度的光源組成視覺的光照系統(tǒng)。

系統(tǒng)標(biāo)定模塊，包含了相機(jī)標(biāo)定、相機(jī)與工業(yè)機(jī)器人之間的坐標(biāo)變換、機(jī)器人與機(jī)床之間的坐標(biāo)變換。將標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，使用的標(biāo)定板、標(biāo)定板的擺放方式、所取圖像數(shù)量、機(jī)器人取坐標(biāo)方式都進(jìn)行固定。首次標(biāo)定進(jìn)行整個(gè)過程的操作，設(shè)備重新拆裝之后，再次進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，只需對(duì)相機(jī)、機(jī)器人相對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行局部調(diào)整，補(bǔ)償由于拆裝引入的誤差，實(shí)現(xiàn)快速標(biāo)定。

模板處理算法模塊，提取模板處理的通用特性，實(shí)現(xiàn)模塊對(duì)外接口的標(biāo)準(zhǔn)化，一定體積范圍內(nèi)的不同類型工件，如五金件、食品、塑膠制品等，都可以使用相同的算法實(shí)現(xiàn)識(shí)別。

通訊接口模塊，針對(duì)不同廠家的機(jī)器人及數(shù)控機(jī)床，在標(biāo)準(zhǔn)的tcp/ip協(xié)議基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了一些特定功能，用于兼容不同的數(shù)據(jù)交互方式。目前，可以實(shí)現(xiàn)和abb、fanuc、kuka、yaskawa等廠商設(shè)備進(jìn)行通訊，同時(shí)提供了擴(kuò)展接口，可以定制數(shù)據(jù)格式及通訊方式。

參數(shù)設(shè)置及圖像處理模塊，參數(shù)設(shè)置使用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)界面及操作方式，圖像處理采用彩色和黑白接口一致的設(shè)計(jì)，增加圖像處理標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)工具庫，可以自由拆分和重組，并將組合好的結(jié)果，作為一個(gè)新的工具保存。

系統(tǒng)工具包模塊，實(shí)現(xiàn)顏色抽取、幾何測(cè)量、功能補(bǔ)正、模糊處理、瑕疵檢測(cè)、條碼掃描、字符識(shí)別、邊緣強(qiáng)化、實(shí)時(shí)差分、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。將各個(gè)工具做成標(biāo)準(zhǔn)的軟件工具包，不同的應(yīng)用可任意組合工具以實(shí)現(xiàn)特定功能。

實(shí)質(zhì)上，本發(fā)明實(shí)施例提出視覺系統(tǒng)配合機(jī)器人及機(jī)床的整套自動(dòng)化裝置，其具有：

1、用于從目標(biāo)物體獲得圖像的工業(yè)相機(jī)及其安裝裝置；

2、對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行分割、分類、識(shí)別、跟蹤、判別決策的視覺軟件；

3、實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)動(dòng)作的工業(yè)機(jī)器人及物料傳動(dòng)裝置；

4、實(shí)現(xiàn)工件加工的數(shù)控機(jī)床。

視覺配合機(jī)床上下料標(biāo)準(zhǔn)單元可用于改善許多工業(yè)和制造處理。這些包括但不限于在手機(jī)組裝生產(chǎn)線上零部件的檢測(cè)及安裝；塑膠卡扣的分揀及加工；輪胎模具模板的數(shù)控加工自動(dòng)上下料；電機(jī)組件的產(chǎn)線檢測(cè)及搬運(yùn)；木材加工廠中識(shí)別原木以進(jìn)行切除或切割；面包產(chǎn)線的識(shí)別及包裝；月餅生產(chǎn)中的刷漿；打磨因焊接造成的焊縫；對(duì)一些壓鑄件進(jìn)行打磨；自動(dòng)剔出尺寸或形狀方面的次果等。目前，所有這些處理均需要人工干預(yù)和計(jì)算、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程師能力要求高、數(shù)據(jù)庫管理、及數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，且通常成本很高、耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力和時(shí)間、及并不總是準(zhǔn)確或自動(dòng)。

為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些重要資料，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

【附圖說明】

圖1示出了相機(jī)及光源安裝裝置。

圖2示出了機(jī)床內(nèi)工件加工卡盤。

圖3示出了視覺軟件的開發(fā)過程。

圖4示出了視覺軟件的結(jié)構(gòu)。

圖5示出了部分函數(shù)接口。

【具體實(shí)施方式】

下面將結(jié)合附圖對(duì)模塊化視覺系統(tǒng)制作方法進(jìn)行描述。本發(fā)明提出了一種視覺系統(tǒng)，用于各類五金件、電子元件、塑料及橡膠制品等的定位和檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)加工。所述視覺系統(tǒng)包含相機(jī)安裝裝置、光照系統(tǒng)、系統(tǒng)標(biāo)定、模板創(chuàng)建及匹配算法、參數(shù)設(shè)置及圖像處理方法、系統(tǒng)測(cè)量工具包以及系統(tǒng)與機(jī)器人和機(jī)床的通訊接口。并將各個(gè)功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)不同工件的快速轉(zhuǎn)換。

第一，將工件放置于待取料位置，通過光電傳感器，檢測(cè)工件是否到達(dá)取料區(qū)；第二，通過視覺系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)工件進(jìn)行分類、識(shí)別、跟蹤、判別決策，視覺系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊是標(biāo)準(zhǔn)化的，能夠同時(shí)檢測(cè)多種工件，并可以實(shí)現(xiàn)快速切換不同工件的識(shí)別；第三，根據(jù)視覺系統(tǒng)及檢測(cè)傳感器傳送過來的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的抓取，機(jī)器人的安裝采用底座和地面成一定的夾角，方便與機(jī)床配合上料；第四，機(jī)器人將工件放入機(jī)床卡盤內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)高精度的定位，卡盤對(duì)工件進(jìn)行定位校正；第五，數(shù)控機(jī)床對(duì)不同工件進(jìn)行不同類型的加工操作；最后，將加工完成的工件從機(jī)床內(nèi)取出，工件經(jīng)過視覺系統(tǒng)的檢測(cè)后，到達(dá)工件存放區(qū)，由光電傳感器檢測(cè)工件是否達(dá)到，并根據(jù)視覺系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果對(duì)加工完成的工件進(jìn)行分類存放。同時(shí)對(duì)整個(gè)單元的操作安全作了保護(hù)，在機(jī)器人的底座位置安裝了激光掃描器，激光掃描器不能保護(hù)區(qū)域加裝了圍欄。

圖1示出了相機(jī)及光源的安裝裝置。為了適應(yīng)工件的變化，相機(jī)及光源的安裝裝置必須具有全方位調(diào)節(jié)及鎖定功能，而且調(diào)節(jié)采用步距較小的螺旋桿，實(shí)現(xiàn)細(xì)微調(diào)整。相機(jī)和光源的調(diào)節(jié)都可單獨(dú)進(jìn)行。

通常要取得一個(gè)好的打光效果，主要從三個(gè)方面對(duì)光源進(jìn)行調(diào)整，分別是光照方向、光照強(qiáng)度、光色。在本實(shí)施例中設(shè)計(jì)了頂部、側(cè)面、背面的光源安裝位置，而且角度可以調(diào)整，從而可以實(shí)現(xiàn)任意方向的打光；配有不同規(guī)格的光源，且每個(gè)光源都配有電源調(diào)節(jié)器；配備了白光、紅光、藍(lán)光等不同顏色的光源。完全可以做到從不同方向、利用不同顏色和不同強(qiáng)度的光源組成視覺的光照系統(tǒng)。

系統(tǒng)正常工作之前，要對(duì)所有相關(guān)部分進(jìn)行標(biāo)定，設(shè)計(jì)中使相機(jī)、機(jī)器人之間固定連接，經(jīng)過一次準(zhǔn)確的標(biāo)定之后，保存標(biāo)定結(jié)果，在每次重新安裝之后，只需做局部的微調(diào)，就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件之間的相對(duì)位置非常精確的校準(zhǔn)。而且，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作工程師不需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，只要按說明流程簡單的幾步操作，很快就可完成整個(gè)標(biāo)定過程，對(duì)輸出參數(shù)進(jìn)行更直接的控制，無需依賴于復(fù)雜的坐標(biāo)變換。首先，對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，首次標(biāo)定需對(duì)相機(jī)的內(nèi)參和外參同時(shí)標(biāo)定，需要采集多張標(biāo)定圖像，一般要采集13張以上，才可得到收斂結(jié)果；再次標(biāo)定時(shí)，只需對(duì)相機(jī)外參進(jìn)行校準(zhǔn)，采集1張標(biāo)定圖像即可。然后，建立機(jī)器人和相機(jī)的坐標(biāo)變換，獲取模板工件的當(dāng)前位置，及機(jī)器人抓取模板時(shí)的姿態(tài)，將二者相匹配，在做檢測(cè)時(shí)將工件之間的相對(duì)變化量，疊加到機(jī)器人的姿態(tài)中；再次標(biāo)定時(shí)，只需示教出機(jī)器人的抓取姿態(tài)即可。最后，建立機(jī)器人和機(jī)床的坐標(biāo)變換，通過機(jī)器人示教器獲取機(jī)床的上料位置。

圖2示出了機(jī)床內(nèi)部的工件卡盤。由于機(jī)器人的絕對(duì)定位精度很難達(dá)到數(shù)控機(jī)床的加工精度要求，如果采用機(jī)器人直接向機(jī)床內(nèi)放料，很難保證機(jī)床的加工一致性。本實(shí)施例中采用了可校正卡盤和電磁吸盤，可有效調(diào)整工件的放置精度，保證機(jī)床的良好加工效果。

圖3示出了視覺軟件的開發(fā)過程。首先，根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，結(jié)合研究條件和自身研究優(yōu)勢(shì)，確定本實(shí)施例中視覺系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。其次，查閱大量文獻(xiàn)和相關(guān)理論、算法，了解國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，奠定課題研究的理論基礎(chǔ)。再次，收集課題的需求分析，并進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，編寫代碼實(shí)現(xiàn)各種算法及軟件系統(tǒng)相關(guān)的各個(gè)響應(yīng)，同時(shí)比較研究visionpro、halcon、nivision等成熟視覺軟件的做法和特點(diǎn)，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)。然后，對(duì)一些常用案例進(jìn)行研究，利用個(gè)別典型案例檢測(cè)視覺系統(tǒng)，啟發(fā)并引導(dǎo)項(xiàng)目實(shí)踐，并通過在實(shí)際工作中的實(shí)踐水平、動(dòng)手能力與項(xiàng)目完成程度來檢驗(yàn)實(shí)踐。最后，結(jié)合理論實(shí)驗(yàn)、比較研究和個(gè)案研究得出總結(jié)與啟示，針對(duì)視覺軟件在機(jī)床上下料標(biāo)準(zhǔn)單元中的應(yīng)用，最終形成一個(gè)完善的應(yīng)用模式，并對(duì)其效果進(jìn)行新一輪的驗(yàn)證以進(jìn)一步檢測(cè)前期成果，進(jìn)而得出研究結(jié)論，撰寫相應(yīng)的文檔。

圖4示出了視覺軟件的結(jié)構(gòu)。視覺軟件主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、軟件工具包組成。每個(gè)模塊獨(dú)立完成部分功能，模塊間分工明確，相互之間通過接口通訊。

針對(duì)不同廠家的機(jī)器人及數(shù)控機(jī)床，在標(biāo)準(zhǔn)的tcp/ip協(xié)議基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了一些特定功能，用于兼容不同的數(shù)據(jù)交互方式。目前，可以實(shí)現(xiàn)和abb、fanuc、kuka、yaskawa等廠商設(shè)備進(jìn)行通訊，同時(shí)提供了擴(kuò)展接口，可以定制數(shù)據(jù)格式及通訊方式。

參數(shù)設(shè)置使用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)界面及操作方式，圖像處理采用彩色和黑白接口一致的設(shè)計(jì)，增加圖像處理標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)工具庫，可以自由拆分和重組，并將組合好的結(jié)果，作為一個(gè)新的工具保存。

軟件可以實(shí)現(xiàn)顏色抽取、幾何測(cè)量、功能補(bǔ)正、模糊處理、瑕疵檢測(cè)、條碼掃描、字符識(shí)別、邊緣強(qiáng)化、實(shí)時(shí)差分、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。將各個(gè)工具做成標(biāo)準(zhǔn)的軟件工具包，不同的應(yīng)用可任意組合工具以實(shí)現(xiàn)特定功能。

提取模板處理的通用特性，實(shí)現(xiàn)模塊對(duì)外接口的標(biāo)準(zhǔn)化，一定體積范圍內(nèi)的不同類型工件，如五金件、食品、塑膠制品等，都可以使用相同的算法實(shí)現(xiàn)識(shí)別。模板的建立、匹配、檢測(cè)都采用標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)入口。

圖5示出了部分函數(shù)接口。圖中展示了軟件中的部分函數(shù)接口，及各個(gè)函數(shù)負(fù)責(zé)完成的功能注釋。