机器人视觉传感技术及应用

《现代测试技术》课程

题目机器人视觉传感器的应用

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机器人视觉传感器的应用

摘要

机器人视觉技术是指机器人工作时通过视觉传感器对环境物体获取视觉信息，让机器人识别物体来进行各种工作。本文介绍了机器人技术中所常用的视觉传感器的种类、结构。原理和功能。介绍了弧焊机器人视觉传感技术较为前沿的一些应用和研究，包括焊缝跟踪和获取熔池信息。简要说明了视觉技术在农业采摘机器人方面的应用。

关键词：机器人、视觉、弧焊、采摘机器人

1．绪论

机器人视觉是使机器人具有视觉感知功能的系统。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，让机器人能够辨识物体，并确定其位置及各种状态。机器人视觉视觉侧重于研究以应用为背景的专用视觉系统，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。

2.机器人常用的视觉传感器

2.1光电二极管与光电转换器件

图2.1是pn型光电二级管的结构。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，所以被广泛用于照度计和分广度计等测量装置中。

图2.1 pn型光电二极管结构

在高响应的发光二极管中pin结型与雪崩型。前者在pn结边界插入一个本征半导体i层取代其耗尽层。给它施加反向偏压，可以减少结电容，获得高速响应；而后者是在pn结上加100伏左右的反向偏置电压产生强电场，激励载流子加速，与原子碰撞产生电子雪崩现象。这些高速型二极管的响应速度很快，能用于高速光通信等。

2.2 PSD

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。

2.3CCD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（Metal 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。

图2.2所示为行间传送方式，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。

图2.2 CCD摄像器件的结构

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。

2.4 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CMOS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。

3. 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位，但是，传统的手工焊接力一法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。声学传感器主要用于GMAW过程熔滴过渡的检测、等离子穿孔焊等。力学传感器能够反映熔池振荡频率同熔池体积之间的关系，但日前只能用于步进焊接，无法实现

连续行走。电弧传感器由于直接检测电弧自身的特性，不需要外加传感器及附件，应用简单，主要用于焊缝跟踪和熔敷控制。据统计，焊工进行手弧焊操作时获取的信息有80%来自视觉。熟练的焊接工人通过观测熔池、工件的接头、电弧的形状和熔滴过渡形式等来预测背而的形状和尺寸参数，通过调节焊接参数实现熔透的控制，保证焊接质量的稳定。下文介绍了视觉传感技术及其在机器人焊接中的作用。

3.1 弧焊视觉传感技术的优点

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。

3.2焊接熔池视觉传感

熔池形状和尺寸对于焊缝成形具有非常重要的作用，熔池形状和尺寸的传感是焊缝成形控制的基础，焊接过程中的声、光、电、磁、热等信急可以用来传感熔池的形状信息。

3.2.1主动式一维视觉传感技术

对于连续电流GTAW，熔池连续处在强烈电弧光的笼罩下，采用常规的CCD 摄像方法很难排除弧光干扰得到清晰的熔池原始图像。有人提出了一种由高能量密度脉冲激光器和与激光脉冲同步的电子快门频闪高速摄像机组成的“频闪视觉”系统检测高亮度区景物的方法。辅助光源采用高密度脉冲激光或者Xe灯闪烁光源在脉冲期间强度高于弧光强度，视觉传感器采用频闪高速CCD摄像机捕捉瞬时清晰的熔池图像。频闪视觉方法在GMAW、GTAW、等离子弧焊（PAW）、