工业机器人用视觉模块通用技术条件

1工业机器人用视觉模块通用技术条件本标准规定了工业机器人用视觉模块的术语、分类、组成、主要性能参数、技术要求、试验方法和检验规则、标志及包装、存储及运输等。本标准适用于工业机器人端，用于从事视觉检测、测量等应用的工业机器人用视觉模块。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB19517-2009国家电气设备安全技术规范GB50169-2006电气装置安装工程接地装置施工及验收规范GB/T20438.2-2017电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全GB11291.1-2011工业环境用机器人安全要求GB7000.1-2007灯具一般要求与试验GB7000.7-2005投光灯具安全要求GB2894-2008安全标志及其使用导则GB2893-2008安全色GB/T20867-2007工业机器人-安全实施规范GB/T15706-2012机械安全设计通则风险评估与风险减小JB/T7233—1994包装机械安全要求GB4208-2008外壳防护等级GB/T4768-2008防霉包装标准ISO12233-2000Photography-Electronicstill-picturecameras-resolutionmeasurements3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1工业机器人用视觉模块在工业机器人系统中使用的视觉模块，其作用主要是采用工业相机、工业镜头、光源及相关软件算法实现机器视觉控制功能，以配合工业机器人实现某种视觉功能的模块。3.2视觉传感器视觉传感器是视觉模块的最主要单元，它利用光学元器件进行视觉信号的捕捉和处理，并输出数据的传感器，按照其微电子结构的不同，通常可以分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器。3.3CCD图像传感器CCD是指电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、功耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点，并可做成集成度非常高的组合件。23.4CMOS图像传感器CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器。CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成,这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。3.5视觉测量从机器视觉概念和方法出发，将机器视觉应用于空间几何尺寸的精确测量和定位的一种方式。3.6视觉检测视觉检测就是用机器视觉代替人眼来做测量和判断。视觉检测是指通过视觉传感器将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字图像信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的机器人的动作。4视觉模块分类4.11D线扫成像视觉模块线扫成像视觉模块具有极高的线像素分辨率优势，通常搭配扫描运动，由软件算法处理融合成高分辨率二维图像。通常用于高精度或大视野的视觉检测领域。4.22D面阵成像视觉模块面阵成像视觉模块是最常用的视觉成像模块，其可被分为彩色和灰度两种，输出二维图像信息，测量图像直观，通常用在面积、形状、尺寸、位置领域。4.33D多目成像视觉模块多目成像视觉模块是多个面阵相机成特定距离或者特定角度，分别拍摄图像，再经软件算法融合而成的3D图像信息。通常用于获取被测物体的三维信息。4.43D深度成像视觉模块深度成像视觉模块是通过近红外激光器，将具有一定结构特征的光线投射到被拍摄物体上，再由专用红外摄像头进行采集，来获得物体的三维信息。4.5高光谱成像视觉模块高光谱成像视觉模块是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。5系统组成5.1本标准定义的工业机器人用视觉模块基本组成如下（见图1a)视觉单位；b)控制单元；c)人机接口模块；d)机构单元。3图1工业机器人用视觉模块架构视觉单元主要包括视觉传感器、光源系统、图像传输接口、图像处理算法、人机交互软件、设备通信接口和视觉标定系统等。（见图2）图2视觉模块组成单元5.2视觉组成单元45.2.1视觉传感单元视觉相机类别如上述4.1章节，除了上述相机类型，彩色和灰度相机的选择也是比较关键，其输出的图片分别是彩色和黑白。选型主要包括以下参数：a)分辨率要求。在工业机器人的应用中，根据所使用的环境和功能不同，对分辨率进行选用，工业面阵相机分辨率可选用130万、200万、500万、1200万等；对于线阵相机而言，分辨率就是传感器水平方向上的像素数，可选用1K、2K、6K等。通常情况下，分辨率选择要求宜高于理论分辨率要a)传感器尺寸要求。传感器尺寸是以有效面积（宽x高）或以对角线大小（英寸）来表示，常用工业视觉传感单元尺寸有1/3”，2/3”，1”等；b)像元尺寸要求。像元尺寸表示每个像素的面积。同等应用条件下，宜选用较小像元尺寸相机，单位面积内的像素数量多，利于对细小缺陷的检测和增大检测视场；c)像素深度要求。像素深度是指每个像素用多少比特位表示，同等价格条件下，宜选用像素深度大的相机，表达图像细节的能力强，这个像素的颜色值更加丰富、分的更细，颜色深度就更深。常用像素深度可选用8位、10位、12位和16位；d)动态范围要求。动态范围是用来描述每个像素能够分辨出的灰度等级。它是饱和电压（最大的输出电平）相机输出的噪声之比；e)最大帧率要求。最大帧率表示的是面阵工业相机每秒能够采集并输出的最大帧数，宜选用大帧率相机，可捕捉快速移动物体；f)曝光方式要求。工业相机可选用帧曝光（globalshutter）和行曝光（rollingshutter）。g)采集模式要求。根据使用方式，采集模式可选用连续采集、外触发采集和软触发采集三种；h)光谱响应特性要求。可根据被测物体的光谱特性选择对应光谱响应的相机。5.2.2工业镜头单元镜头的选用主要包括以下参数：a)焦距(FocalLength)，记为f。根据光学成像工作距离及视场要求大小，选用合适焦距的镜头；b)光圈系数（Iris），F=f/D。根据进光量度需求选用合适的光圈大小镜头；c)接口，根据相机镜头接口连接方式选用镜头接口形式，一般推荐选用有C/CS/F等；d)分辨率（Resolution)，宜匹配像素分辨率使用，光学分辨率宜等于或略高于像素分辨率；e)工作距离(Workingdistance，WD)，根据镜头外延到被测物体的距离，根据机器人结构特性选f)视野范围(FieldofView,FOV)，拍摄有效区域，与焦距、传感器尺寸配合计算；g)后背焦（Flangedistance)，根据相机接口平面到芯片的距离选用。在线扫描镜头或者大面阵相机的镜头选型时，后背焦是一个非常重要的参数，它直接影响镜头的配置。5.2.3光源单元光源是机器视觉系统中不可或缺的一个环节。光源选用应该以突出被测物体的特征、简化算法处理、克服环境光干扰、提高视觉特征提取速度和稳定为目标。光源颜色，不同工件和材料对不同光源颜色吸收程度不同，所以选用合理颜色的光源可以突出物体特征。比如互补色，如果希望更加鲜明地突出某些颜色，则选择互补色进行照射。光源照射方式，不同的光源照射方式可以突出不同的特征。根据光源颜色和照射方式，光源类型主要有以下几种参考：5a)环形光源，测量和识别物体三维信息时，宜选用环形光源；b)背光源，测量和识别物体的外形轮廓和边线特征，宜选用背光源；c)条形光源，测量和识别较大方形结构被测物，宜选用条形光源；d)同轴光源，对消除物体表面不平整引起的阴影，需减少干扰，宜选用同轴光源；e)球积分光源，需要高均匀化照明的物体特征识别，宜选用球积分光源；f)线形光源，搭配线列相机用于各种流水线连续检测场合，宜选用线形光源；g)点光源，对于照明面积小，且强度要求高的场合，宜选用点光源。5.2.4图像传输接口单元工业相机的本质就是将光信号转换为电信号，这样就涉及到了电信号的转换与传输，转换与传输就需要各种物理接口与传输协议来承担，如下为最常见的几种工业相机接口与协议：a)1394接口选用。低速传统相机可以使用1394接口，单通道带宽800Mbps；b)USB2.0接口选用；分辨率较低，帧频要求较低，可使用USB供电的相机，可选用USB2.0接口，传输速率480Mbps；c)USB3.0接口选用。分辨率高于1080P，帧频高于20fps，使用USB供电的相机，宜选用USB3.0接口，传输速率4Gbps；d)GigE千兆网接口选用。分辨率高于1080P，帧频高于20fps，采用网络布局集联的相机，远距离传输要求，宜选用GigE千兆网接口，传输速率1Gbps；；e)CameraLink接口选用。分辨率高于1080P，帧频高于50fps，或者高速相机、高光谱相机，宜（FULL）；f)CoaXPress接口选用。分辨率高于4K，帧频高于25fps，宜选用CoaXPress接口，传输速率6.25Gbps。5.2.5图像算法单元当采集到图像后，需要对图像进行特征分析，可以通过自行研究编写算法，也可选择开源通用算法库，如下：a)OpenCV。由一系列C函数和少量C++类构成，实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法，OpenCV是一个基于（开源）发行的跨平台计算机视觉库，可以运行在Linux、Windows和MacOS操作系统上。b)RAVL。RecognitionAndVisionLibrary(RAVL)是一个通用C++库，包含计算机视觉、模式识别等模块。c)CImg。CImg是一个用C++编写的开源数字图像处理库。。d)FreeImage。FreeImage是一款免费的、开源的、跨平台的，支持20多种图像类型的图像处理库。其最大优点就是采用插件驱动型架构，具有快速、灵活、简单易用的特点。5.2.6人机交互软件单元人机交互软件，可选用VC++、C#、QT等。5.2.7设备通信接口单元控制模块、机器人模块、人机接口模块和视觉模块之间的通信传输根据实际使用可选用下列方式：a)I/O，通过可编程I/O接口实现设备之间信息数据交换；b)TCP/IP协议，通过网络接口实现设备之间信息数据传输交换；6c)RS232/RS485通信，RS232/RS485均为串行通信方式，规定了通信过程中的电气特性、机器特性、接口信号以及接线；d)现场总线通信协议，比如CAN、Modbus总线等。5.2.8视觉标定单元视觉标定根据实际需求，推荐进行下列标定内容：a)镜头畸变矫正。工业镜头畸变又称失真，指被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。镜头畸变包含三种类型：枕型畸变、桶型畸变、线性畸变。可通过软件和硬件方式进行矫正；b)平场校正。对于CCD和CMOS相机而言，各像素对相同的辐照度产生的灰度值并不相同，称为探测器的响应非均匀性。采用软件校正法，采用暗场和明场两个不同能量等级的场景，获得每个像素的校正参数：增益和偏置，实现平场校正；c)空间坐标系变换。当需要用相机进行物理空间尺寸测量时，需要对相机像素坐标进行标定到物理空间。5.2.9控制单元控制单元负责对整个集成系统的总体控制，一般由PLC(可编程逻辑控制器)担任，调度整个控制自动化流程，采集各类传感信息，针对不同的应用场景控制单元可选配。5.2.10人机接口单元主控模块一般应提供用户进行操控的人机接口，可选用用组态屏、上位机等方式。6技术要求6.1视觉模块要求a)像素分辨率：符合标称参数指标，误差不超过0.1%；b)坏点个数：应小于2个/百万像素；c)空间均匀性：全局响应率均匀性应优于95%；d)系统可靠性：连续空转检测优于4小时无故障，负荷检测优于1小时无故障。6.2电气设备要求a)动力线与信号线尽可能分开远离，对信号线采用屏蔽等抗干扰措施。b)电气设备在工作中、试验中或检修维护中突然停电后，再恢复供电时，不得自行工作。c)电气设备非接地处的绝缘电阻不得小于5MΩ。d)电源电压波动偏差允许±10%，频率允许50Hz±3Hz。e)电气设备应符合GB19517-2009国家电气设备安全技术规范的相关规定。f)系统应具备完善的安全保护，结合安全操作规范，确保人身、设备的安全。机器人本体、主控单元以及视觉单元必须有接地点。接地装置应符合GB50169-2006电气装置安装工程接地装置施工及验收规范的规定。6.3安全性要求a)在与人员安全相关的应用场合，如用于移动机器人的避障或协作机器人判断协作人员的位置等，应选取相应安全等级的视觉单元，并且系统应符合GB/T20438的功能安全标准。b)工业机器人应符合GB11291的安全规定。7c)光源应符合GB7000.1-2007的安全要求以及GB7000.7-2005的相关条目。7检验方法7.1像素分辨率检验像素分辨率检测参考ISO12233-2000执行。7.2坏点个数检验采用40-60流明的均匀化光源，使相机对其拍摄照片，检测照片中亮度低于正常值90%的点的个数，即为坏点个数。7.3空间均匀性检验采用95%均匀化光源，使相机对其拍摄照片，统计其灰度直方图的分布情况，以峰值灰度的86.5%作为边界，计算均匀性。7.4系统可靠性检验7.4.1视觉单元空转检验a)视觉单元空转时间不得少于4h，达到稳定工作温度后，在视觉处理部件外壁处测量，升温范围不超过20℃且低于相机工作温度。b)视觉单元在检测范围内应采样流畅，运行平稳。c)视觉单元在工作范围内，进行采样时不应有抖动，告诉连续采样时不应有振动。7.4.2视觉单元负荷检验视觉单元在规定采样负荷内正常工作，负荷检验时间为1h。7.5安全检测按GB11291-2011工业机器人安全规范的规定、GB2894-2