工业基础技术 7

工业机器人技术及应用(第三版)第6章

工业机器人视觉感知培养对智能技术的敏锐洞察力，激发其探索新技术、新应用的创新意识。建立跨学科思维模式，能灵活运用多学科知识，解决复杂的工程问题。01价值塑造02知识传授03能力培养掌握工业机器人视觉系统的组成。理解工业机器人手眼标定的原理与方法。熟悉常用视觉传感器指令及其应用。掌握视觉系统的集成方法和调试技巧，能够根据实际应用场景，选择合适的视觉系统，并进行系统集成。掌握视觉传感器的编程方法和实际应用技巧，能够根据实际任务需求编写和调试视觉传感器的控制程序。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter601

````01工业机器人传感器020304工业机器人手眼标定光源镜头工业相机工业视觉系统组成常用视觉传感器指令视觉控制器机器视觉软件标定原理标定方法学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter602视觉机器人：超级工程之高速列车建设的“黄医生”“黄医生”是中国铁路高速综合检测列车的昵称，其配备的30多个摄像头和300多种传感器使其具备视觉机器人的功能。在它通行的线路上，任何微小的瑕疵都会无所遁形。视觉机器人通过摄像头和传感器获取图像信息，并进行处理和分析，以实现对环境的感知和理解。而“黄医生”正是通过这些设备在高速运行过程中实时记录下的数十万种数据和参数，检测高铁沿线的各种设施和动态，以确保高铁系统的安全与稳定。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter603内部传感器用于满足机器人末端执行器的运动要求以及碰撞安全而安装在操作机(机器人本体)上的位置、速度、碰撞等传感器。0102外部传感器指第二代和第三代工业机器人系统中用于感知外部环境状态所采用的传感器。工业机器人传感器可以分为两类除依靠“肢体”和“大脑”外，工业机器人还需要先进的传感装置来丰富自己的“知觉”，以提升对自身状态和外部环境的“感知”能力。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评6.1工业机器人传感器Chapter604工业机器人常见的内部传感器旋转编码器力传感器防碰撞传感器主要用来测量机器人操作机各运动关节（轴）的角位置和角位移。主要用来测量机器人自身力与外部环境力之间的相互作用力。主要用来检测机器人操作机和末端执行器与工件、夹具以及周边设备之间发生的碰撞，是一种机器人过载保护装置。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评6.1工业机器人传感器Chapter605工业机器人常见的外部传感器视觉传感器超声波传感器接触/接近觉传感器主要的工业应用包括机器人引导（定位、纠偏、实时反馈）、物品检测（防错、计数、分类、表面伤缺）、和测量（距离、角度、平面度、全跳动、表面轮廓等）。在工业方面，超声波传感器的典型应用场合是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。此外，还可用于包装、制瓶、塑料加工等行业的液位监测、透明物体和材料探测、距离测量等。主要用来感知机器人与周围对象物或障碍物的接近程度，判断机器人是否接触物体，避免碰撞，实现无冲击接近和抓取操作。激光雷达主要用于环境感知，建图，目标探测、跟踪与识别，以及环境监测、地形绘制、导航辅助等。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评6.1工业机器人传感器Chapter606工业视觉利用机器视觉技术来提高生产过程的自动化程度和智能化水平，实现工件的快速定位、测量、检测等重复性劳动的自动化。一套典型的工业视觉系统如下图所示。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评

一套典型的工业视觉系统光

源镜

头工业相机视觉控制器机器视觉软件连接电缆6.2工业视觉系统组成Chapter607

光源是工业视觉系统的重要组成部分，它作为辅助成像设备，为目标环境的图像获取提供足够的光线。

当被测物体的特征与光源色温不同时，会吸收光线，特征在图像中呈现黑色；当色温相同时，则会反射光线，特征在图像中呈现白色，如下图所示。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评光源部分红外光可见光部分紫外光暖色光冷色光红色调蓝色调光

源6.2工业视觉系统组成Chapter608光

源常见的工业视觉系统光源包括LED光源、卤素光源、高频荧光灯、光纤卤素灯等。这些光源各有特点，适用于不同的应用场景。环形光源背光源条形光源同轴光源AOI光源点光源学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评6.2工业视觉系统组成Chapter609作为视觉系统的眼睛，镜头在光束调制和聚焦图像方面起着至关重要的作用，将目标场景的图像准确地投射到工业相机光学传感器上。定焦镜头变焦镜头增倍镜按焦距，镜头可以分为定焦镜头、变焦镜头和增倍镜。焦距固定结构简单成像质量优异通过调节焦距来改变视角，便于观察不同距离的物体可以增加镜头的倍数，用于放大微小物体或远距离目标按接口类型，镜头可以分为C接口镜头、CS接口镜头、U接口镜头和特殊接口镜头等。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评镜

头6.2工业视觉系统组成Chapter610工业相机是视觉系统的核心组件，负责捕捉目标(物)环境图像，它能够将光线转换为电子信号，再转换为数字图像。按照传感器结构特性，工业相机可分为线阵相机和面阵相机。线阵相机面阵相机学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评工业相机6.2工业视觉系统组成Chapter611CMOS相机则具有较高的集成度和较低的价格CCD相机在色彩还原和动态范围等方面表现较好0102按照传感器芯片类型此外，按照输出色彩，工业相机还可分为单色（黑白）相机和彩色相机。单色相机只能获取黑白图像，而彩色相机可以获取彩色图像。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评工业相机6.2工业视觉系统组成Chapter612

视觉控制器是整套视觉系统的中心枢纽，负责处理从相机捕获的图像，执行预处理、特征提取、图像分析等任务，并输出目标物的各种信息。包含以下两模块。图像采集模块负责收集工业相机拍摄的图像数据，并将其传输到图像处理器中进行处理。图像处理器可以对图像进行预处理、特征提取、模式识别等操作，并输出相应的控制信号。Chapter6学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评视觉控制器6.2工业视觉系统组成13通用型软件适用于各种不同的应用场景，具有较为通用的图像处理和分析功能。通用型

机器视觉软件是用于自动化检测、识别和定位等功能的工具集合，它能够模拟人类的视觉功能，实现对图像的采集、处理、分析和理解。专用型软件则是针对特定的应用领域进行开发的，具有更强的针对性和适用性。专用型学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评机器视觉软件6.2工业视觉系统组成条码识别软件人脸识别软件Chapter614工业视觉系统的工作过程学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评6.2工业视觉系统组成Chapter615一个场景是如何从三维变成二维的？又该如何将二维图像空间中的目标物位姿及其变化与工业机器人在三维空间中的运动相匹配？将工业机器人坐标系与视觉系统坐标系关联起来（分两步骤）手眼标定机座坐标系与工件坐标系或工具坐标系之间的精确转换；（通过机器人工具、工件坐标系设置实现）工件坐标系或工具坐标系与像素坐标系之间的精确转换。（通过相机标定实现，如右图所示）相机标定通过捕获带有特定图案的标定物来计算工业相机的参数，用简单的数学模型来表达复杂的成像过程。求解这个数学模型，也就是求解相机的参数（内参和外参）。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评6.3工业机器人手眼标定Chapter616

此处配套数字教学资源，详细使用方法见PPT第二页使用指南完整的工业机器人手眼标定流程可概况为：机座坐标系→标定物坐标系→相机坐标系→图像坐标系→像素坐标系学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评标定原理6.3工业机器人手眼标定Chapter617标定物标定法1.方法：依托多图匹配特征点，借助算法模型求解相机内外参数。2.优缺点：无需标定物与预设运动，灵活性强，对图像匹配点精度要求高。自标定法1.方法：利用已知尺寸标定物，建立实物坐标点与图像点对应关系，依托针孔相机、畸变等模型，通过算法求解相机内外参数。2.优缺点：精度高、结果稳定，需海量标定数据，且对标定参照物位姿把控要求严苛1.方法：控制相机做平移旋转等预设运动采图，结合机械运动参数，解算相机内外参数。2.优缺点：操作简便，需精准把控相机运动，对机械参数精度要求高。主动视觉标定法020103较为常用的机器人手眼标定方法有三种学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评标定方法6.3工业机器人手眼标定Chapter618经典的标定物标定法：该方法使用单平面棋盘格作为标定物，通过拍摄棋盘格在不同角度和位置下的多幅图像，来计算相机的内外参数。张氏标定法010203040506制作标定板如下图所示特征提取求解参数拍摄图像建立对应关系验证与优化步

骤棋盘格标定板将标定板放置在不同的位置和角度，使用相机从不同的视角拍摄多幅图像学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评标定方法6.3工业机器人手眼标定Chapter61902拍摄图像03特征提取学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评标定方法6.3工业机器人手眼标定Chapter620图像（预）处理指令位姿控制指令目标检测指令图像采集指令视觉传感器指令是指定机器人何时、如何“眼观”周围并响应其环境的指令，包含图像采集指令、图像(预)处理指令、目标检测指令和位姿控制指令等。常见的机器人视觉传感器指令及其功能指定机器人何时通过“眼睛”获取目标环境（物）的原始图像指定机器人按照系列处理流程如何从图像中提取特定的特征指定机器人通过特定的算法指定机器人根据目标检测数据，自动或自主规划最优的运动路径，并调整自身的姿态学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评6.4常用视觉传感器指令Chapter621

此处配套数字教学资源，详细使用方法见PPT第二页使用指南机器人自适应上料编程

带式输送机是一种常见的物料输送设备，广泛应用于各行各业的生产线中。这种方式具有输送速度快、输送距离长、可承载大量物料等优点，但精度略低。

针对此类物料输送场景，视觉导引技术的引入，极大地提升了机器人对复杂环境和多变物料的适应能力。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter622机器人自适应上料编程本案例要求采用示教编程或离线编程方法（视教学条件而定）采用离线编程方法完成固定式（眼在手外，eye-to-hand）视觉导引机器人冲压上料作业任务编程包括系统搭建、手眼标定、特征提取和程序编制四个环节。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter623策略分析

此处配套数字教学资源，详细使用方法见PPT第二页使用指南机器人自适应上料编程01系统搭建系统搭建的主要任务是建立机器人视觉集成系统的硬件和软件环境机器人自适应上料系统实体装备的物理空间布局现场工程师需要基于计算机图形学建立机器人自适应上料系统设备的三维模型，如（模拟）压力机、带式输送机等，并在虚拟数字空间中复现实体装备的物理空间布局。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter624机器人自适应上料编程02手眼标定手眼标定目的确定机器人末端执行器（夹持器）与相机视图之间的准确关系通常涉及对标定板或已知尺寸和位置的参照物进行多次拍照，并利用这些数据计算出机器人末端执行器与相机之间的位置和姿态关系。点阵板标定工业相机内参和外参示意学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter625机器人自适应上料编程03特征提取现场工程师可以利用计算机图像处理技术，如边缘检测、区域分割、形态学处理等，从捕获的图像中提取出有关物料的特征，包括物料的轮廓、纹理和颜色等。圆形物料的特征提取和基准定位示意学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter626机器人上料作业的运动规划机器人自适应上料编程04程序编程学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter62704程序编程机器人自适应上料编程学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter628机器人上料作业的指令位姿04程序编程机器人自适应上料编程不断地调试和优化，最终实现对物料安全、快速的抓取，确保机器人上料过程的准确性和稳定性。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter629激光雷达与SLAM建图激光SLAM效果图

激光雷达（分为机械式与固态式）为机器人提供了环境感知的“眼睛”，是SLAM系统的核心传感器。基于激光测距原理，SLAM系统通过点云采集与滤波、特征提取、ICP等算法进行位姿估计，同时构建并更新栅格或拓扑地图。引入回环检测与闭环优化可减少误差累积，提升定位建图的精度与鲁棒性。激光SLAM已广泛应用于自动驾驶、仓储物流与无人机等领域，未来将结合人工智能技术，实现更复杂动态环境下的自主导航与智能化作业。学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评Chapter630学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评（1）工业机器人的视觉系统主要由硬件设备和______________两大部分组成。（2）机器人传感器可以分为内部传感器和__________传感器。（3）工业视觉系统的核心组件是__________，负责捕捉目标环境图像。（4）手眼标定是解决工业视觉系统与工业机器人之间__________不一致问题的过程。（5）张氏标定法是一种基于______________________的机器人手眼标定方法。机器视觉软件外部工业相机坐标系单平面棋盘格标定物Chapter6311.填空题学习目标知识地图国之重器知识讲解典型案例拓展阅读知识测评（1）（

）不是工业机器人视觉系统中常用的传感器类型。A.视觉传感器B.超声波传感器C.接触/接近觉传感器D.温度传感器（2）工业视觉系统的工作过程主要包括（

）环节。A.图像捕获、图像处理、图像理解

C.硬件选择、软件开发、系统集成B.图像捕获、数据分析、结果输出D.目标检测、特征提取、位姿控制（3）（

）不是工业视觉系统的组成部分。A.光源B.镜头C.工业相机D.执行机构DADChapter6322.选择题学习目标知识地图国之重器知识讲解典型