基于視覺與超聲技術機器人自動識別抓取系統(tǒng)

視覺傳感器能直觀反映物體的外部信息,但單個攝像頭只能獲得物體的二維圖像,立體視覺雖能提供三維信息,但對于外形相同,僅深度有差別的物體難以識別（如有孔物體、階梯狀物等） ,且對環(huán)境光線有一定的要求. 由于超聲傳感器具有對光線、物體材料等不敏感,結構簡單,能直接獲取待測點至傳感器的距離等特點,因此本文采用視覺與超聲測量相結合的方法,將二維圖像信息與超聲波傳感器獲取的深度信息進行融合推斷,對待裝配工件進行自動識別與空間定位,并確定機械手末端執(zhí)行器的空間位置與姿態(tài),使其能在合適的部位準確抓取工件.

1 系統(tǒng)原理與結構

　　系統(tǒng)由機械手、CCD 視覺傳感器和超聲波傳感器及相應的信號處理單元等構成. CCD 安裝在機械手末端執(zhí)行器上,構成手眼視覺,超聲波傳感器的接收和發(fā)送探頭也固定在機器人末端執(zhí)行器上,由CCD 獲取待識別和抓取物體的二維圖像,并引導超聲波傳感器獲取深度信息. 系統(tǒng)結構如圖1 所示.

　　圖像處理主要完成對物體外形的準確描述,包括以下幾個步驟:a. 圖像邊緣提取;b. 周線跟蹤;c. 特征點提取; d. 曲線分割及分段匹配;e. 圖形描述與識別.在提取物體圖像邊緣后, 采用周線跟蹤進行邊緣細化,去除偽邊緣點及噪聲點,并對組成封閉曲線的邊緣點進Freeman 編碼,記錄每一條鏈碼方向和曲線上各點的X-Y 坐標值,便于進一步對物體的幾何特性進行分析. 本研究對傳統(tǒng)的周線跟蹤算法中邊緣點的搜索方向與順序進行了改進,并在搜索過程中采取了及時消除冗余點的方法,減小了數(shù)據(jù)量與運算時間,而且具有較好的降噪及平滑效果. 在提取圖像特征點時,將多邊形近似法與計算曲率的方法相結合, 可克服多邊形近似法易產生偽特征點和計算曲率法計算量過大的缺點.CCD 獲取的物體圖像經處理后,可提取對象的某些特征,如物體的形心坐標、面積、曲率、邊緣、角點及短軸方向等. 根據(jù)這些特征信息,可得到對物體形狀的基本描述,在圖像處理的基礎上,由視覺信息引導超聲波傳感器對待測點的深度進行測量,獲取物體的深度（高度） 信息,或沿工件的待測面移動,超聲波傳感器不斷采集距離信息,掃描得到距離曲線,根據(jù)距離曲線分析出工件的邊緣或外形[1 ] . 計算機將視覺信息和深度信息融合推斷后,進行圖像匹配、識別,并控制機械手以合適的位姿準確地抓取物體.

　　2. 1 工件圖像邊緣的提取

　　復雜工件反映在圖像上常常不止一個灰度等級,僅利用一個灰度閾值無法提取有意義的邊緣.

　　若采用多閾值的方法,必然會增加計算時間和圖像處理的復雜程度. 對于類別方差自動門限法,增加門限值不僅會提高數(shù)據(jù)處理復雜程度,而且當閾值多于2 個時,算法的可靠性就會受到影響. 為此采用了直接從灰度圖像提取邊緣的方法.圖像邊緣一般發(fā)生在灰度函數(shù)值不連續(xù)處,可用灰度函數(shù)的一階或二階導數(shù)求得. 經典的利用一階導數(shù)提取邊緣的方法有Robert s 算子、So2bel 算子等, 利用二階導數(shù)提取邊緣的方法有Laplacian 算子和Marrs2Hilderth 算子等. 通過對幾種算法的分析比較,認為Sobel 算子不僅實現(xiàn)容易、運算速度快,而且可提供最精確的邊緣方向估計.Sobel 算子由兩個3 ×3 相差90°的算子構成,由這兩個算子同圖像卷積, 可得到圖像的邊緣及其方向. 對于數(shù)字圖像｛ f （ i , j ） ｝ , Sobel 算子可表示為:

　　Gx （ i , j） = f （ i - 1 , j - 1） +2 f （ i - 1 , j） + f （ i - 1 , j + 1） - f （ i + 1 ,j - 1） - 2 f （ i + 1 , j） - f （ i + 1 , j + 1） ;

　　Gy （ i , j） = f （ i - 1 , j - 1） +2 f （ i , j - 1） + f （ i + 1 , j - 1） - f （ i - 1 ,j + 1） - 2 f （ i , j + 1） - f （ i + 1 , j + 1） .

　　采用G1 = | Gx | + | Gy| 得到梯度幅值后,為減少所抽取的邊緣數(shù)目,可設置一個幅度門限,即只考慮對應灰度變化較大的那些邊緣. 再利用邊緣點具有局部幅度最大的特點,將邊緣細化.利用Sobel 算子提取邊緣后, 為了得到工件表面的尺寸信息, 還必須提取圖像的角點[2 ] , 以便計算工件的邊長等特征信息.