《制造業中的機器人、自動化和系統內建》—— 3.2 視覺系統

機器視覺基本上是利用光學的、非接觸式的傳感器來自動地接收和解釋一個真實場景的圖像，以便獲得資訊來控制機器或工藝流程。視覺系統可以獨立地應用，比如作為檢測工具或者自動控制系統中的一個部件。最初的視覺系統與其他大多數自動控制裝置一樣，昂貴且難以使用。近幾年，它們的成本大大降低，識别能力也顯著提高，使用起來更容易。是以，視覺的應用呈指數增加，并且已經廣泛地應用于許多自動化系統和加工工藝中。

必須注意的是，機器視覺現在在許多方面還确實比不上人類的視覺能力。是以，任何視覺應用46都必須經過仔細考量。機器視覺是連續的、不知疲倦的，許多視覺裝置能在可見光譜之外工作，還能在惡劣的環境中工作，精确地執行預設定的程式。人類視覺與之相反，有更高的圖像分辨率，能夠快速地解釋複雜的感官資訊，具有高度的适應性，但是它被限制在可見光譜範圍之内，容易疲勞，且是主觀的。

機器視覺适用于工件識别、尋找位置、檢測和測量。是以，它被應用于高速生産線上的監測、微觀監測和閉環流程控制等各種生産環境，包括潔淨空間和危險環境。同時也可以應用于精确的非接觸測量和機器人引導。這裡，不講述所有這些應用，而是重點讨論與機器人系統有關的視覺應用問題。視覺在機器人系統中的主要應用是引導，既有工件的拾取和追蹤、工件有無的檢查和缺陷識别，也有工件識别，包括光學特性鑒定和條碼讀取。這些将在後面詳細讨論。

首先，值得介紹簡單視覺系統的主要元件和操作。典型的視覺系統包括照相機、照明裝置、處理硬體和軟體。軟體專門用于視覺系統并針對特定的應用進行圖像分析。在視覺系統中，有3個主要的操作：第一，擷取圖像；第二，處理或修改圖像資料；第三，提取所需要的資訊。每一個操作都會對它的下一操作産生影響。例如，首次操作中采用外部光源照明方法可以大大簡化圖像的捕捉，而圖像的捕捉會減少所需的處理，并使之更友善地提取所需資訊。

可供挑選的照相機有很多種，其關鍵參數是分辨率、視場、景深和焦距。焦距決定了照相機提供的聚焦圖像的标稱距離。景深是指焦點前後像的清晰範圍。視場決定了在焦距長度上成像的大小。分辨率是圖像分成的單獨小格的數量，它決定了可分辨的最小度量或特征。

照明裝置是最重要的。有許多不同的技術可供選擇，包括來自正前方、後方或物體一側的直射和漫射照明，以及結構光和偏振光的照明。環境照明的影響包括：日光、工廠照明和任何47其他可能的光源。特别地，環境光線的改變必須不能影響視覺系統的操作。視覺系統照明的目的有兩方面：一是突出物體的重要特征，二是去除環境光線改變造成的任何可能的影響。

舉個例子，對于焊接引導系統，視覺傳感器被直接安裝在焊槍的前面，在離焊縫僅25mm的地方對準焊縫。為了使相機“看見”焊縫，雷射産生的紅外線提供照明，安裝在相機前的濾光器篩除該雷射波長之外的其他所有光線。來自焊接過程中的光線就這樣從相機接收的圖像中濾除，以便使相機“看見”焊縫。

背光源對工件定位和測量很有幫助，因為它将物體的圖像簡化為除去所有表面特征的陰影，是以簡化了視覺系統的任務。物體所處的背景對于區分工件也很重要。視覺的典型應用就是當機器人從傳送帶拾取工件時，提供工件位置和方向資訊，例如把巧克力裝入盒子中。我們經常使用白色的傳動帶，因為它的顔色與巧克力的顔色産生強烈的反差。

突出重要特征或從圖像中去除無關的資訊，将使圖像處理的複雜度和時間顯著降低。此外，視覺操作的可靠性也會提高。如果環境光線改變帶來的影響可以消除，那麼也會提高其可靠性。為了完全消除環境光線的影響，有必要把圖像操作放進一個不透光的盒子中。

在機器人自動化系統中，視覺最廣泛地應用在包裝上，尤其是在食品工業。産品常常散亂地放在傳送帶上，然後被輸送到機器人包裝工作站。圖像系統用來确定産品的位置，然後将這些資訊回報給機器人，讓它從傳送帶上拾取産品并将産品放入包裝盒中。這些是常見的傳送帶，是以，在輸入端需要由圖像系統在整個機器人單元内一直跟蹤拾取點的位置。這些系統常常包括多個機器人，是以需要判斷由哪台機器人完成拾取操作，以便平衡機器人之間的工作負擔。48對于這些典型應用，有一些标準的解決方法能使實施更簡便，成本效益更高。

同樣的視覺系統也可以用于品質控制。例如，通過檢查要封裝的巧克力的形狀來確定所有畸形的産品都被剔除。另一個例子是小薄餅的包裝。在包裝過程中，視覺還檢查小薄餅的顔色。顔色太深表示小薄餅火大了，太淺則火候不到。在這兩種情況下，小薄餅都要被剔除。視覺系統，尤其是用在裝配系統中的，用于對特征或工件檢查。檢查之前的操作是否成功，同時確定當遇到不合适的工件時裝配能自動停止。

視覺也用于檢查手工裝載的夾具，檢查在下一個操作前所有工件是否被預先裝載，確定所有物品都在要求的位置上。雖然也可以通過在每個工件上安裝單獨的傳感器來實作，但是視覺方法的成本效益可能更高，尤其是當有許多不同的工件使用同一個夾具時。

視覺還可以用來讀取标簽上的字元或是提供産品辨別的條形碼。例如，碼垛系統可以利用視覺識别不同的盒子，確定它們放在正确的托盤上。在這種類型的大多數應用中，條形碼閱讀器往往成本低廉，但是，有些情況下視覺系統更勝一籌。

機器視覺通過提供導引、測量或品質控制使應用自動化運作成為可能。視覺系統的成本持續降低，同時使用便捷性和性能不斷提高。然而，視覺系統一定需要仔細調研，確定操作的可靠性。