机器人在光学方面的应用--选修课论文

1、机器人技术及其应用结课论文 专业：光信息科学与技术班级：12050241学号：1205024105姓名：郭 红机器人是一种由主体结构、控制器、指挥系统和监测传感器组成的，能够模拟人的某些行为、能够自行控制、能够重复编程、能在二维空间内完成一定工作的机电一体化的生产设备。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域，也是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人技术的研究和应用已从传统的工业领域快速扩展到其他领域，而无论是传统的工业领域还是其他领域，对机器人性能要求的不断提高，使机器人必须面对更极端的环境，

2、完成更复杂的任务。我所学的专业：光信息科学与技术，在机器人技术方面有着很多的应用，与机器人技术联系密切，为机器人的发展提供了动力。主要体现在机器人视觉技术，如机器人视觉传感技术及应用。其他方面也有所涉及，比如：机器人激光焊、光电混合处理系统在机器人视觉目标中的应用、光学定位脑外科机器人系统及其空间配准、用机器人焊接时神经网络在焊缝的光学传感和自动跟踪中的应用等。机器人视觉技术得到了广泛的发展及应用。人类感知外部世界主要是通过视觉、触觉、听觉和嗅觉等感觉器官，其中约80%的信息是通过视觉器官获取的。视觉感知环境信息的效率很高，他不仅指对光信息的感受，还包括对视觉信息的获取、传输、处理、存储与理解

3、的全过程。对人类而言，视觉信息传入人大脑后，由大脑根据已有的知识进行信息处理，进而判断和识别。机器人视觉系统是使机器人具有视觉感知功能的系统，是通过摄相机和计算机来对外部环境进行测量、识别和判断。但是机器视觉和人类视觉有着本质上的不同，它的特点不仅在于模拟人眼功能，更重要的是他能完成人眼所不能胜任的某些工作，主要应用于不适合人工作或者人类视觉无法达到要求，以及高速大批量工业产品制造自动生产流水线的一些场合。机器人视觉可以通过视觉传感器获取环境的一维、二维和三维图像，并通过视觉处理器进行分析和解释，进而转换为符号。人能够辨识物体，并确定其位置及各种状态。机器人视觉系统侧重于研究以应用为背景的专用

4、视觉系统，只提供对执行某一特定任务相关的景物描述。机器人视觉硬件主要包括图像获取和视觉处理两部分，而图像获取由照明系统、视觉传感器、模拟数字转换器和帧存储器等组成。根据功能不同，机器人视觉可分为视觉检验和视觉引导两种，广泛应用于电子、汽车、机械等工业部门和医学、军事领域。 机器人常用的视觉传感器有光电二极管与光电转换器件、PSD、CCD图像传感器、CMOS图像传感器以及其他的摄像元件。介绍如下：光电二极管与光电转换器 pn型光电二级管，如果让光子射入半导体的pn结边界耗尽层，就会激励起新的空穴。利用电场将空穴和电子分离到两侧，就可以的到与光子量成比例的反向电流。Pn型元件的优点是暗电流小，所以

5、被广泛用于照度计和分广度计等测量装置中。PSD（Position Sensitive Detector，位置敏感探测器）是测定入射光位置的传感器，由发光二级管、表面电阻膜、电极组成。入射光产生的光电流通过电阻膜到达元件两端的电极，流入各个电极的电流与电阻值存在对应关系，而电阻值又与光的入射位置及到各个电极距离成比例，因此根据电流值就能检测到光入射的位置。PSD元件中有一维和二维两种，它们都具有高速性，但要注意入射到开口部分的散射光的影响。 CCD图像传感器 电荷耦合器件（CCD：Charge Coupled Device）图像传感器是由多个光电二极管传送储存电荷的装置。它有多个MOS（Meta

6、l Oxide Semiconductor）结构的电极，电荷传送的方式是通过向其中一个电极上施加与众不同的电压，产生所谓的势阱，并顺序变更势阱来实现的。根据传送电荷需要的脉冲信号的个数，施加电压的方法有两相方式和三相方式。CCD图像传感器有一维形式的，是将发光二极管和电荷传送部分一维排列制成的。此外还有二维形式的，它可以代替传统的硒化镉光导摄像管和氧化铅光电摄像管二维传感器。二维传感器属于水平和垂直传送电荷传感器，传送方式有行间传送、帧行间传送、帧传送及全帧传送四种方式。行间传送方式，采取一维摄像区域（接收部分）与传送区域平行布置结构的方法。接收部分多使用二极管。每一帧曝光所储蓄的电荷分别被垂

7、直或水平的传送，然后以图像信号的形式被取出。在CCD内部电荷传送的效率非常高，因此其具有高的灵敏度。由于整个传送区域是被遮光的，所以在传送中不会曝光。CCD图像传感器把垂直寄存器用作单画面图像的缓存，所以可以将曝光时间和信号传送时间分离开。也就是说，其具有所有像素能在同一时间曝光的特点。CMOS图像传感器 CMOS图像传感器是由接收部分（二极管）和放大部分组成的一个个单元，然后按照二维排列。由于放大器单元之间特性的分散性大，以至于其噪声比较大。不过，近年来噪声消除电路的性能已经得到改善，故使COMS图像传感器得到迅速普及和应用。CMOS传感器的优点是耗电低，并利用一般半导体制造技术就可以完成C

8、MOS处理器的设计和加工，这都是有利于图像处理电路和图像传感器的单片化和低成本化。其他的摄像元件 光电子增倍管就是根据二次放电效应增大入射光的元件，因此他可以用来检测微弱光线，如用于夜视系统中等。在红外线图像方面有波长为215m的中红外和远红外区域的传感器，在红外线检测器中得到较多使用的是HgCdTe和AlGaAs结晶的量子型传感器。热效应型传感器最近也被实用化了，谈的原理是把装置接收的入射红外线变换为热能，再利用温度检测器将温度升高转变为电信号输出。热效应型传感器无须冷却器，这是量子型图像传感器所不及的优点。弧焊机器人视觉技术焊接作为一种机械加工的重要特殊工艺手段，在制造业中具有举足轻重的地

9、位，但是，传统的手工焊接己经不能满足现代高新技术产品制造的要求。囚此，保证焊接产品质量的稳定性、提高生产效率、减轻工人的劳动强度和改善劳动环境己经成为现代焊接技术极待解决的问题。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化己经成为必然趋势。焊接机器人具有通用性强、工作可靠的优点，但是无法自主获取工件定位信息、焊缝空间位置信息、焊缝熔透信官，当焊接对象改变时需要重新示教，造成工作效率低下，囚此智能化是焊接机器人的发展趋势。焊接机器人智能化技术是指在焊接机器人上装配各种传感器，使焊接机器人对外界环境具有一定的感知能力，从而使焊接机器人可以自主地适应环境，并根据环境的变化，对自身

10、下一步操作自主调整。使用焊接传感器的日的是为了实现焊接过程的自动控制，进而实现焊接的智能化。焊接传感器根据原理可以分为声学、力学、电弧和光学传感器等。与传统的传感方法相比，光学传感器具有不与焊接回路接触、不与焊接工件接触、信号的检测操作不影响正常的焊接过程、传感信息丰富、硬件设备简单、易于维护的优点。电子技术、光学技术、机器视觉和图像处理技术为视觉传感技术提供了软硬件支持。如光学器件和摄像机成本下降、性能提高、可靠性改善，图像处理硬件性能改善和种类的增多为视觉传感器提供了硬件支持；机器视觉、图像处理和软件技术的发展为视觉传感器提供了软件保障。因此光学传感器在焊接过程中具有非常广泛的应用前景。光

11、学传感器根据光学器件所工作的波段可以分为X射线传感器、视觉传感器和红外传感器三种。视觉传感器是在光谱的可见光波段内利用CCD器件对焊接区成像，图像中的景物与焊接区各部分一一对应，可以得到焊接过程动态熔池的一维和二维信息，检测到的熔池信息直接反映了焊接过程熔化金属的动态行为，无需红外成像那样只有经过温度场的标定以后才能确定焊接区各个部分，非常直观。视觉传感技术根据所获得的信息可以分为一维视觉传感和二维视觉传感;根据是否需要辅助光源分为主动式视觉传感和被动式视觉传感。主动式视觉传感方法采用激光等辅助光源对焊接区进行照明以减少电弧光对图像质量的影响，提高熔池图像的质量。由于激光具有单波长、方向性好、

12、相干性好等特点，所以通常采用激光作为辅助光源。日前应用较多的是通过一定方法产生一条、多条或者网格分布的结构光投射到焊接工件上，根据结构光条纹的变形获取有关的几何形状信息。主动式视觉传感由于要采用高能量的脉冲光源和特殊电子快门的摄像机，所以设备较多、系统复杂、价格昂贵，从而限制了这种方法在实际中的应用。被动式视觉传感方法是通过弧光或者自然光等照明获取焊接区图像信息的，被动式视觉传感方式不需要辅助光源只采用普通的CCD摄像系统传感熔池图像，结构简单、价格便宜，更适合在焊接生产实际中使用，因此越来越受到人们的重视。机器视觉在农业机器人中的应用 农业机器人是 21世纪研究进展最快的机器人。我国作为农业

13、大国,水果和蔬菜在人类的生活中占有很重要的地位,种植面积和产量逐年提高。目前中国果树总面积为 993.3万hm2,占世界果树总面积的 20.39%,居世界第一位。而农产品的采摘是一项劳动强度大、消耗时间长,具有一定危险的作业。所以,对农业采摘机器人的研究就显得非常迫切。由于农业机器人作业对象是有机生物体,且不同地域有不同的自然气候、 地形、 地貌以及不同的种植制度,所以其应用的难度非常之大。尤其针对如此错综复杂的外部环境和形状各异的作业对象,即使是在同一种农业作业,其作业对象也是千差万别,这样一来,采用带视觉技术的农业采摘机器人将不失为一个非常理想的选择。根据机器人视觉技术的不同层次,其在农业

14、机器人中的应用也有所不同。一维成像视觉技术只是通过视觉传感器对作业对象的某一个特征值进行检测,如光的强度、作业对象的颜色等。一维成像的视觉技术由于简单、易于实现,因而在刚开始时得到了较多的应用。但是由于一维成像技术反馈回来的信息量少,不太全面,因此限制了它的应用范围。所以,应用越来越多的是二维成像的视觉技术。二维成像视觉技术是由不同位置的两台或者一台摄像机 (CCD)经过移动或旋转拍摄同一幅场景,通过计算空间点在两幅图像中的视差,获得该点的三维坐标值。在人类获取信息的感观中,视觉所得到的信息量是最大的。依靠两只眼睛,我们可以感觉到景物的深度,而不是两张图片的简单重叠。这样的二目视觉技术如果能够

15、应用到计算机视觉中,将给农产品的采摘带来非常大的便利。20世纪 80年代,美国麻省理工学院人工智能实验室的 Marr提出了一种视觉计算理论并应用在双睛匹配上,使两张有视差的平面图产生在深度的立体图形,奠定了双目立体视觉发展理论基础。相比其他类的体视方法,如透镜板三维成像、 投影式三维显示、 全息照相术等,双目本视直接模拟人类双眼处理景物的方式,可靠简便,在许多领域均极具应用价值,这种技术已经得到初步的应用。在二维成像的视觉技术中,常用的视觉传感器有光电二极管组、 光导摄像机和固体半导体摄像机。二维成像的视觉技术在农业采摘机器人中主要用于对作业对象的形状、位置等的识别。在果实采摘机器人中,通过二

16、维成像的视觉技术就可以对看到的图像进行分析处理,由图像轮廓的形状判断出果实所在的位置,同时对其成熟度 (如颜色)进行检测,由此决定是否采摘以及如何对果实进行采摘。Grass等人研究的机器人具有独立的可伸缩性,安装在一个公共平台上,由液压系统支持。每一个机械臂末端安装了一个带广交镜的小摄像机,由于从不同的视点进行获取图像,因此,用立体匹配算法计算水果的具体位置,将 RGB图像阀值化为二值图像,经过平滑处理和边界检测后,估算中心位置,结果表明有 86%的检出率和 5%的误识率。郑小东等以番茄的形心为匹配基元进行双目视觉的研究,通过模板匹配实现番茄图像轮廓信息的补全和修复,然后根据轮廓特征求的形心,

17、当两个摄像机都能拍摄到完整轮廓时,可以确定番茄的空间位置。但该算法对图像的噪声很敏感,影响了精度。在对果树修枝的机器人中,采用视觉传感器对果树的枝干进行二维成像,通过图像识别确认果树各个枝干的生长情况,将其在计算机中与果树修枝的标准要求对比,由此来决定如何修整果树,并通过视觉传感器反馈机器人手臂的动作,从而引导机器人用手部的剪刀将无用的枝条剪掉。随着科技的发展,人们的要求也越来越高。为了更加全面地掌握作业对象的信息,三维成像的视觉技术也开始进入了人类的研究范围。三维成像视觉技术主要是以二维成像视觉技术为基础,通过用不同角度的视觉传感器对作业对象进行二维成像,数据送入计算机后再进行分析处理,最终

18、合成作业对象在空间的三维图像,其原理与我们人的眼睛类似。机器人根据此图像即可决定对作业对象的不同操作。在将采摘、检测、分级合为一体的农业机器人中,通过三维成像的视觉技术,机器人首先就可以判断并确定果实所在的位置、果实的空间形状,并检测出果实的大小、成熟度等,然后根据分级的标准将果实放入不同的箱内。更加智能的三维成像视觉技术将自动引导机器人在果园内行走,搜索、发现并识别目标,然后对成熟的果实进行采摘、自动分级,最后再进行自动包装。如果机器人的控制软件开发得足够丰富的话,则带有三维成像视觉技术的机器人将是一个全能机器人,它不仅能完成果实的检测、采摘、分级和包装,而且还能对果树进行修整、施肥等,完成

19、对果树的日常维护。随着三维成像视觉技术的日益成熟,农业机器人将会走向一个更加辉煌的时代。机器人辅助外科手术光学定位跟踪系统。在机器人辅助外科手术系统(RASS)中，手术器械相对于病灶部位的位置和姿态必须实时地精确计算出来以便正确的引导外科手术的进行。为了规避手术环境中可见光变化对于光线定位跟踪系统的影响，可采用红外摄像机进行图像的采集。同时为了降低多个手术器械及手术参与人员引起的光线遮挡问题出现的可能性，可采取符合一定拓扑结构的多目摄像机模式。基于多目红外相机的手术机器人光学跟踪系统涉及以下几个方面的内容：摄像机标定、图像点提取、图像点匹配、立体三角原理、多目标跟踪技术、手术器械的识别与标定。该系统采用了基于三坐标测量仪(CMM)的红外相机标定方法和一种改进的立体三角原理基于垂足的空间点定位方法(PFM)。实验结果表明这种红外相机标定方