計算機(jī)視覺系統(tǒng)在柔性制造中的應(yīng)用

1　引言
           計算機(jī)控制視覺系統(tǒng)在實現(xiàn)基于工業(yè)機(jī)器人的柔性自動化生產(chǎn)中起著決定作用。目前機(jī)器人視覺主要應(yīng)用于兩個方面：一是給裝配機(jī)器人配備視覺設(shè)備，要求視覺系統(tǒng)必須做到能識別傳送帶上所要裝配的機(jī)械零件，并確定該零件的空間向量，根據(jù)此信息控制機(jī)械手的動作，做到準(zhǔn)確裝配。還可以用機(jī)器人視覺系統(tǒng)做機(jī)構(gòu)零件的檢查，將不合格的零件識別出來并拿走。另外機(jī)械手還可根據(jù)視覺反饋信息，進(jìn)行自動焊接上下移動等。二是給可移動機(jī)器人配備視覺裝置。要求視覺系統(tǒng)能夠識別工地的場景信息，進(jìn)行自主導(dǎo)航，完成危險材料的搬運等任務(wù)。
2　視覺系統(tǒng)構(gòu)成
           本視覺系統(tǒng)由于要完成的任務(wù)較多，需要實現(xiàn)很多復(fù)雜算法。所以決定采用Tina圖像處理軟件包。目前Tina軟件包僅有基于UNIX/Linux平臺的版本。Tina環(huán)境下圖像處理效果好，應(yīng)用程序豐富，相對于程序員界面良好，原代碼公開，是對外開放的系統(tǒng)，很容易進(jìn)行二次開發(fā)和系統(tǒng)功能擴(kuò)建。另外由于其基于UNIX/Linux環(huán)境，所以系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性良好，非常適合用于工業(yè)生產(chǎn)線。并且UNIX/Linux不僅是良好的操作平臺，還是很好的開發(fā)平臺，其具有Lint、yacc、lex、SCCS、Make、m4等功能強(qiáng)大的開發(fā)工具，為編寫應(yīng)用程序提供了良好的條件。視覺系統(tǒng)主要由視覺采集模塊、視覺處理模塊、機(jī)器人控制模塊、與其它系統(tǒng)通訊模塊、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊五部分構(gòu)成的。系統(tǒng)構(gòu)成基于當(dāng)前最為成熟的802.3以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)涉及到多個操作系統(tǒng)平臺互操作，所以選用流行的TCP/IP協(xié)議集。
          單元模塊功能及位置
          視覺采集模塊采用了WINDOWS平臺,這是因為它支持大多數(shù)公司的圖像采集卡.本系統(tǒng)選用的是功能強(qiáng)大的Martox公司的metero圖像采集卡，它可以完成圖像采集量化和一些相應(yīng)的低層計算。使用此卡大大減輕了視覺處理模塊的工作量，并且符合視覺處理的分布式并行處理特點。在此機(jī)器上創(chuàng)建一個目錄并設(shè)為共享狀態(tài)，用以存放采集進(jìn)來并進(jìn)行了底層處理的圖像文件。
          視覺處理模塊存放著Tina軟件包，為各階段視覺處理編制的相應(yīng)程序，以及圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)程序，在這三個軟件單元的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于X-WINDOW平臺的計算機(jī)視覺系統(tǒng)操作環(huán)境軟件，本軟件采用可視化全中文界面，在圖像數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和計算數(shù)據(jù)的跨平臺交換上，實現(xiàn)了相對于用戶網(wǎng)絡(luò)透明。這個單元完成三維場景和工件的重建，識別和定位功能，是視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵單元。
         機(jī)器人控制模塊是采用工控機(jī)，通過NE2000網(wǎng)47器人和根據(jù)需要擴(kuò)展一定數(shù)量的PLC和單片機(jī)系統(tǒng)，以完成柔性加工的各個過程。
          網(wǎng)絡(luò)功能模塊選用HP工作站和人們廣為熟悉的NT系統(tǒng)，以利于網(wǎng)絡(luò)管理人員操作。工作站可以作為打印服務(wù)器掛接打印機(jī)，把得到的結(jié)果實時的打印出來。還可以根據(jù)需要作為文件服務(wù)器、域名服務(wù)器、郵件服務(wù)器等實現(xiàn)大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)功能。安裝相應(yīng)軟件實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)和視覺系統(tǒng)監(jiān)控。
           與柔性制造其他部分的網(wǎng)絡(luò)接口單元，是系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，與大系統(tǒng)相互通訊交互，實現(xiàn)到工控網(wǎng)、甚至CIMS系統(tǒng)的不可缺少的部分。由于要求其有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和高可靠性，所以采用Linux系統(tǒng)，對Linux系統(tǒng)etc目錄下的fstab、hosts、equiv、rhosts、group等文件進(jìn)行配置和相應(yīng)改動，使其能完成網(wǎng)關(guān)和路由以及防火墻的功能，如果利用/usr/etc/config實用程序?qū)�Linux系統(tǒng)核心進(jìn)行重新配置，可以增加所支持的設(shè)備，再相應(yīng)裁剪核心，可以使系統(tǒng)少占內(nèi)存提高本系統(tǒng)單元效率。
         視覺系統(tǒng)運行基本過程
         本系統(tǒng)先對柔性制造場景進(jìn)行全局搜索，然后定位于關(guān)鍵的待加工工件，由圖像采集系統(tǒng)利用雙攝像機(jī)把圖像采集進(jìn)來，在圖像采集系統(tǒng)中進(jìn)行底層圖像處理，把得到的結(jié)果傳給視覺處理系統(tǒng)，視覺處理系統(tǒng)進(jìn)行匹配重建等工作，以恢復(fù)工件的三維立體形狀，便可以與基于CAD的模型庫的形狀單元匹配，獲得了工件的名稱和加工信息。然后把信息傳給計算機(jī)控制系統(tǒng)即視覺伺服系統(tǒng)的控制模塊。這就可以控制機(jī)器人和相應(yīng)的PLC單元，來完成柔性制造的加工過程。其他模塊是輔助功能，比如網(wǎng)絡(luò)模塊可以打印出工件CAD圖紙，與柔性制造其他部分的網(wǎng)絡(luò)接口部分可以對柔性制造系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，與其他網(wǎng)絡(luò)或用于CAD/CAM/CAPP的工作站互聯(lián)，可以大大增強(qiáng)柔性制造系統(tǒng)的功能。還可以與管理網(wǎng)絡(luò)其他柔性制造網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，成為CIMS系統(tǒng)的一部分。
           結(jié)論
          本文所設(shè)計的基于以太網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)視覺系統(tǒng)，在一個實際的柔性制造系統(tǒng)中得到應(yīng)用，由于本系統(tǒng)采用了通用的802.3協(xié)議和流行的操作系統(tǒng)平臺，使得視覺系統(tǒng)的建設(shè)成本大大降低，并且采用了UNIX系統(tǒng)使得可靠性提高，視覺處理功能采用了流行的基于網(wǎng)絡(luò)并行處理方法，提高了效率。在軟件的編寫和系統(tǒng)的設(shè)計上充分的考慮了可擴(kuò)充性，系統(tǒng)擴(kuò)展極為方便。本系統(tǒng)可在各種柔性制造系統(tǒng)和CIMS中應(yīng)用，有一定的通用性。