計算機視覺系統在柔性制造中的應用

1　引言
           計算機控制視覺系統在實現基于工業機器人的柔性自動化生產中起著決定作用。目前機器人視覺主要應用于兩個方面：一是給裝配機器人配備視覺設備，要求視覺系統必須做到能識別傳送帶上所要裝配的機械零件，并確定該零件的空間向量，根據此信息控制機械手的動作，做到準確裝配。還可以用機器人視覺系統做機構零件的檢查，將不合格的零件識別出來并拿走。另外機械手還可根據視覺反饋信息，進行自動焊接上下移動等。二是給可移動機器人配備視覺裝置。要求視覺系統能夠識別工地的場景信息，進行自主導航，完成危險材料的搬運等任務。
2　視覺系統構成
           本視覺系統由于要完成的任務較多，需要實現很多復雜算法。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環境下圖像處理效果好，應用程序豐富，相對于程序員界面良好，原代碼公開，是對外開放的系統，很容易進行二次開發和系統功能擴建。另外由于其基于UNIX/Linux環境，所以系統穩定可靠性良好，非常適合用于工業生產線。并且UNIX/Linux不僅是良好的操作平臺，還是很好的開發平臺，其具有Lint、yacc、lex、SCCS、Make、m4等功能強大的開發工具，為編寫應用程序提供了良好的條件。視覺系統主要由視覺采集模塊、視覺處理模塊、機器人控制模塊、與其它系統通訊模塊、網絡服務模塊五部分構成的。系統構成基于當前最為成熟的802.3以太網結構，本系統涉及到多個操作系統平臺互操作，所以選用流行的TCP/IP協議集。
          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公司的圖像采集卡.本系統選用的是功能強大的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。在此機器上創建一個目錄并設為共享狀態，用以存放采集進來并進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程序，以及圖像傳輸網絡程序，在這三個軟件單元的基礎上，開發了基于X-WINDOW平臺的計算機視覺系統操作環境軟件，本軟件采用可視化全中文界面，在圖像數據的網絡傳輸和計算數據的跨平臺交換上，實現了相對于用戶網絡透明。這個單元完成三維場景和工件的重建，識別和定位功能，是視覺系統的關鍵單元。
         機器人控制模塊是采用工控機，通過NE2000網47器人和根據需要擴展一定數量的PLC和單片機系統，以完成柔性加工的各個過程。
          網絡功能模塊選用HP工作站和人們廣為熟悉的NT系統，以利于網絡管理人員操作。工作站可以作為打印服務器掛接打印機，把得到的結果實時的打印出來。還可以根據需要作為文件服務器、域名服務器、郵件服務器等實現大多數網絡功能。安裝相應軟件實現對網絡和視覺系統監控。
           與柔性制造其他部分的網絡接口單元，是系統進行擴充，與大系統相互通訊交互，實現到工控網、甚至CIMS系統的不可缺少的部分。由于要求其有強大的網絡功能和高可靠性，所以采用Linux系統，對Linux系統etc目錄下的fstab、hosts、equiv、rhosts、group等文件進行配置和相應改動，使其能完成網關和路由以及防火墻的功能，如果利用/usr/etc/config實用程序對Linux系統核心進行重新配置，可以增加所支持的設備，再相應裁剪核心，可以使系統少占內存提高本系統單元效率。
         視覺系統運行基本過程
         本系統先對柔性制造場景進行全局搜索，然后定位于關鍵的待加工工件，由圖像采集系統利用雙攝像機把圖像采集進來，在圖像采集系統中進行底層圖像處理，把得到的結果傳給視覺處理系統，視覺處理系統進行匹配重建等工作，以恢復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控制系統即視覺伺服系統的控制模塊。這就可以控制機器人和相應的PLC單元，來完成柔性制造的加工過程。其他模塊是輔助功能，比如網絡模塊可以打印出工件CAD圖紙，與柔性制造其他部分的網絡接口部分可以對柔性制造系統進行擴充，與其他網絡或用于CAD/CAM/CAPP的工作站互聯，可以大大增強柔性制造系統的功能。還可以與管理網絡其他柔性制造網絡互聯，成為CIMS系統的一部分。
           結論
          本文所設計的基于以太網絡的計算機視覺系統，在一個實際的柔性制造系統中得到應用，由于本系統采用了通用的802.3協議和流行的操作系統平臺，使得視覺系統的建設成本大大降低，并且采用了UNIX系統使得可靠性提高，視覺處理功能采用了流行的基于網絡并行處理方法，提高了效率。在軟件的編寫和系統的設計上充分的考慮了可擴充性，系統擴展極為方便。本系統可在各種柔性制造系統和CIMS中應用，有一定的通用性。