模塊化視覺系統制作方法與流程

本發明涉及視覺配合機器人及機床的自動化裝置領域，尤其涉及各個功能模塊標準化的視覺系統，前述方法使視覺系統能適應不同工件的快速轉換。

背景技術：

視覺系統是利用攝像機和軟件代替人眼使得自動化設備擁有類似于人類的那種對目標進行分割、分類、識別、跟蹤、判別決策的功能。

在生產過程中，自動化模式要求有更高的速度、精度、分辨力、穩定性和適應性，并且要長時間的運作，人工已經不能滿足這樣的需求，而視覺系統非接觸性測量能夠解決這一問題，可以滿足自動化生產模式的需求，并且可以保障機器和產品。

當前，配合工業機器人使用的視覺系統，都是針對某種工件的定制產品，開發周期長，功能單一，對外部環境的適應能力不強；更換工件后，需要對光照系統、相機標定、模板處理算法、通訊接口、參數設置及圖像處理方法進行較大改動，來適應新工件的新特性。這樣嚴重影響了客戶產品的更新換代，不符合智能制造的技術要求，制約了視覺系統的推廣應用。

另一問題在于大部分視覺系統采用較繁瑣的相機、機器人、機床之間的標定方法，一般客戶不能標定出高精度的結果，其實施起來很困難、而且有問題，且極其低效。

在現有技術中尚未發現具有各個功能模塊標準化的視覺系統配合工業機器人應用，因而需要這樣的自動化設備以簡化和優化許多領域中的工業處理和制造。

技術實現要素：

視覺系統一般設計為功能單一的定制產品，用于某種工件的識別。而本發明實施例提出了一種各個功能模塊標準化的視覺系統，通過各個標準化的模塊，快速組成新的視覺檢測系統，用于不同工件的識別。

使相機、機器人、機床之間固定連接，經過一次準確的標定之后，保存標定結果，在每次重新安裝之后，只需做局部的微調，就可以實現各個部件之間的相對位置非常精確的校準。而且，對現場操作工程師不需要經過專業培訓，只要按說明流程簡單的幾步操作，很快就可完成整個標定過程，對輸出參數進行更直接的控制，無需依賴于復雜的坐標變換。

本發明實施例提供標準化的視覺系統，具有包括光照系統、相機標定、模板處理算法、通訊接口、參數設置及圖像處理方法、系統測量工具包等模塊。相機安裝裝置采用全方位螺旋桿調節，帶自鎖功能，很大程度上提高了系統的穩定性和適應性，可有效減免重復勞動，提高工作效率。所獲取的數據結果視覺系統提供更簡單的、更快的和效能成本更合算的檢測和處理。

其中，光照系統作為一個功能模塊，設計了頂部、側面、背面的光源安裝位置，而且角度可以調整，從而可以實現任意方向的打光；配備了白光、紅光等不同顏色和不同規格的光源。完全可以做到從不同方向、利用不同顏色和不同強度的光源組成視覺的光照系統。

系統標定模塊，包含了相機標定、相機與工業機器人之間的坐標變換、機器人與機床之間的坐標變換。將標定系統進行標準化，使用的標定板、標定板的擺放方式、所取圖像數量、機器人取坐標方式都進行固定。首次標定進行整個過程的操作，設備重新拆裝之后，再次進行標定時，只需對相機、機器人相對坐標系進行局部調整，補償由于拆裝引入的誤差，實現快速標定。

模板處理算法模塊，提取模板處理的通用特性，實現模塊對外接口的標準化，一定體積范圍內的不同類型工件，如五金件、食品、塑膠制品等，都可以使用相同的算法實現識別。

通訊接口模塊，針對不同廠家的機器人及數控機床，在標準的tcp/ip協議基礎上，擴展了一些特定功能，用于兼容不同的數據交互方式。目前，可以實現和abb、fanuc、kuka、yaskawa等廠商設備進行通訊，同時提供了擴展接口，可以定制數據格式及通訊方式。

參數設置及圖像處理模塊，參數設置使用標準化的設計界面及操作方式，圖像處理采用彩色和黑白接口一致的設計，增加圖像處理標準函數工具庫，可以自由拆分和重組，并將組合好的結果，作為一個新的工具保存。

系統工具包模塊，實現顏色抽取、幾何測量、功能補正、模糊處理、瑕疵檢測、條碼掃描、字符識別、邊緣強化、實時差分、數據統計等。將各個工具做成標準的軟件工具包，不同的應用可任意組合工具以實現特定功能。

實質上，本發明實施例提出視覺系統配合機器人及機床的整套自動化裝置，其具有：

1、用于從目標物體獲得圖像的工業相機及其安裝裝置；

2、對目標圖像進行分割、分類、識別、跟蹤、判別決策的視覺軟件；

3、實現搬運動作的工業機器人及物料傳動裝置；

4、實現工件加工的數控機床。

視覺配合機床上下料標準單元可用于改善許多工業和制造處理。這些包括但不限于在手機組裝生產線上零部件的檢測及安裝；塑膠卡扣的分揀及加工；輪胎模具模板的數控加工自動上下料；電機組件的產線檢測及搬運；木材加工廠中識別原木以進行切除或切割；面包產線的識別及包裝；月餅生產中的刷漿；打磨因焊接造成的焊縫；對一些壓鑄件進行打磨；自動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和計算、對現場工程師能力要求高、數據庫管理、及數據處理復雜，且通常成本很高、耗費大量的勞動力和時間、及并不總是準確或自動。

為了更清楚地說明本發明的技術方案，下面將對實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明的一些重要資料，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

【附圖說明】

圖1示出了相機及光源安裝裝置。

圖2示出了機床內工件加工卡盤。

圖3示出了視覺軟件的開發過程。

圖4示出了視覺軟件的結構。

圖5示出了部分函數接口。

【具體實施方式】

下面將結合附圖對模塊化視覺系統制作方法進行描述。本發明提出了一種視覺系統，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，實現工件的自動加工。所述視覺系統包含相機安裝裝置、光照系統、系統標定、模板創建及匹配算法、參數設置及圖像處理方法、系統測量工具包以及系統與機器人和機床的通訊接口。并將各個功能模塊標準化，實現不同工件的快速轉換。

第一，將工件放置于待取料位置，通過光電傳感器，檢測工件是否到達取料區；第二，通過視覺系統對目標工件進行分類、識別、跟蹤、判別決策，視覺系統的各個功能模塊是標準化的，能夠同時檢測多種工件，并可以實現快速切換不同工件的識別；第三，根據視覺系統及檢測傳感器傳送過來的數據，實現對工件的抓取，機器人的安裝采用底座和地面成一定的夾角，方便與機床配合上料；第四，機器人將工件放入機床卡盤內，為了實現高精度的定位，卡盤對工件進行定位校正；第五，數控機床對不同工件進行不同類型的加工操作；最后，將加工完成的工件從機床內取出，工件經過視覺系統的檢測后，到達工件存放區，由光電傳感器檢測工件是否達到，并根據視覺系統的檢測結果對加工完成的工件進行分類存放。同時對整個單元的操作安全作了保護，在機器人的底座位置安裝了激光掃描器，激光掃描器不能保護區域加裝了圍欄。

圖1示出了相機及光源的安裝裝置。為了適應工件的變化，相機及光源的安裝裝置必須具有全方位調節及鎖定功能，而且調節采用步距較小的螺旋桿，實現細微調整。相機和光源的調節都可單獨進行。

通常要取得一個好的打光效果，主要從三個方面對光源進行調整，分別是光照方向、光照強度、光色。在本實施例中設計了頂部、側面、背面的光源安裝位置，而且角度可以調整，從而可以實現任意方向的打光；配有不同規格的光源，且每個光源都配有電源調節器；配備了白光、紅光、藍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度的光源組成視覺的光照系統。

系統正常工作之前，要對所有相關部分進行標定，設計中使相機、機器人之間固定連接，經過一次準確的標定之后，保存標定結果，在每次重新安裝之后，只需做局部的微調，就可以實現各個部件之間的相對位置非常精確的校準。而且，對現場操作工程師不需要經過專業培訓，只要按說明流程簡單的幾步操作，很快就可完成整個標定過程，對輸出參數進行更直接的控制，無需依賴于復雜的坐標變換。首先，對相機進行標定，首次標定需對相機的內參和外參同時標定，需要采集多張標定圖像，一般要采集13張以上，才可得到收斂結果；再次標定時，只需對相機外參進行校準，采集1張標定圖像即可。然后，建立機器人和相機的坐標變換，獲取模板工件的當前位置，及機器人抓取模板時的姿態，將二者相匹配，在做檢測時將工件之間的相對變化量，疊加到機器人的姿態中；再次標定時，只需示教出機器人的抓取姿態即可。最后，建立機器人和機床的坐標變換，通過機器人示教器獲取機床的上料位置。

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

圖3示出了視覺軟件的開發過程。首先，根據現有的文獻資料，結合研究條件和自身研究優勢，確定本實施例中視覺系統開發與應用。其次，查閱大量文獻和相關理論、算法，了解國內外研究現狀，奠定課題研究的理論基礎。再次，收集課題的需求分析，并進行概念設計和詳細設計，編寫代碼實現各種算法及軟件系統相關的各個響應，同時比較研究visionpro、halcon、nivision等成熟視覺軟件的做法和特點，總結成功經驗。然后，對一些常用案例進行研究，利用個別典型案例檢測視覺系統，啟發并引導項目實踐，并通過在實際工作中的實踐水平、動手能力與項目完成程度來檢驗實踐。最后，結合理論實驗、比較研究和個案研究得出總結與啟示，針對視覺軟件在機床上下料標準單元中的應用，最終形成一個完善的應用模式，并對其效果進行新一輪的驗證以進一步檢測前期成果，進而得出研究結論，撰寫相應的文檔。

圖4示出了視覺軟件的結構。視覺軟件主要包括參數設置模塊、數據采集模塊、數據管理模塊、數據處理模塊、數據通訊模塊、軟件工具包組成。每個模塊獨立完成部分功能，模塊間分工明確，相互之間通過接口通訊。

針對不同廠家的機器人及數控機床，在標準的tcp/ip協議基礎上，擴展了一些特定功能，用于兼容不同的數據交互方式。目前，可以實現和abb、fanuc、kuka、yaskawa等廠商設備進行通訊，同時提供了擴展接口，可以定制數據格式及通訊方式。

參數設置使用標準化的設計界面及操作方式，圖像處理采用彩色和黑白接口一致的設計，增加圖像處理標準函數工具庫，可以自由拆分和重組，并將組合好的結果，作為一個新的工具保存。

軟件可以實現顏色抽取、幾何測量、功能補正、模糊處理、瑕疵檢測、條碼掃描、字符識別、邊緣強化、實時差分、數據統計等。將各個工具做成標準的軟件工具包，不同的應用可任意組合工具以實現特定功能。

提取模板處理的通用特性，實現模塊對外接口的標準化，一定體積范圍內的不同類型工件，如五金件、食品、塑膠制品等，都可以使用相同的算法實現識別。模板的建立、匹配、檢測都采用標準的函數入口。

圖5示出了部分函數接口。圖中展示了軟件中的部分函數接口，及各個函數負責完成的功能注釋。