用于引导机器人智能抓取的嵌入式测控系统和方法与流程

本发明涉及机器人领域，尤其涉及用于引导机器人智能抓取的嵌入式机器视觉测控系统。

背景技术：

机器人智能抓取系统是一种工业现场常用的物体搬运放置系统。广泛应用于机械、电子、半导体、制药等众多领域。在机器人智能抓取技术中，视觉引导技术起着关键作用，使用机器视觉技术采集图像分析处理之后输出物体的空间位置，并通过对执行装置输出控制信号达到对物体的控制抓取，之后再经过图像采集与处理计算出物体放置的精确位置，进行放置。从而达到使机器人智能抓取系统有效地代替人类完成特定场合物体搬运的功能。

目前用于引导机器人智能抓取的视觉测控系统主要分为两种，第一种由工控机和视觉传感器组成，第二种由嵌入式设备和视觉传感器组成。在第一种用于引导机器人智能抓取的视觉测控系统中，工控机虽然具有实时处理速度较快，性能强大的优点，但是其成本高、占用空间大、安装不方便的缺点仍然不可忽视，这也是制约工控机在工业机器视觉作业现场大规模使用的一个因素。近年来随着嵌入式芯片技术以及机器视觉的发展和研究，嵌入式机器视觉测控系统应运而生，并且在引导机器人智能抓取中得到了一定的发展和应用。

如中国专利200910028931.1，提供了一种嵌入式机器视觉测控系统，这种装置使用FPGA和DSP分别来采集和处理图片，虽然起到了图像实时采集处理的作用，但是图像处理算法的编写无法借助于集成的OPENCV开发库，图像处理难度较大且不够优化，无法实现普遍的推广和使用。

如中国专利200910234422.4，提供了一种嵌入式机器视觉智能终端，采用ARM9芯片负责一切数字和逻辑运算，虽然简化了图像处理的编程难度并可以实时修改视觉传感器的参数，但并不具有视觉传感器补光灯光源且所采用WINCE操作系统，难于裁剪，对资源要求较高，实时性较差，在光线较暗外界环境较复杂的环境中使用效果较差，并且图像处理的实时性不能保证，极难应用到实际的工业现场中。

目前国内外引导机器人智能抓取所使用的嵌入式机器视觉测控系统主要为国外知名机器视觉公司生产，这类机器视觉产品往往定价高，且售后服务并不能令人满意。在国内，用于引导机器人智能抓取的嵌入式机器视觉测控技术属于一个新兴的技术领域，近年来随着国家工业4.0计划的提出，国内机器人技术蓬勃发展，机器视觉技术正变得越来越重要，开发具有自主知识产权的用于引导机器人智能抓取的嵌入式机器视觉测控系统具有深远重大的意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是实现一种成本较低、占用空间小、安装方便、环境适应能力强的抓取机器人的嵌入式测控系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：用于引导机器人智能抓取的嵌入式测控系统，包括嵌入式ARM11处理器、摄像头传感器模块和补光灯光源；所述嵌入式ARM11处理器与摄像头传感器模块之间通过USB接口相连接，所述嵌入式ARM11处理器控制摄像头传感器模块的图像采集与停止，所述嵌入式ARM11处理器通过I/O口连接补光灯光源为其提供电源，所述嵌入式ARM11与机器人抓取执行机构之间通过以太网接口相连接进行数据的收发通信。

所述嵌入式ARM11处理器通过九针调试串口与PC机相连接、通过LVDS接口连接可触摸显示屏，所述嵌入式ARM11通过九针调试串口与PC机相连接前期进行引导机器人智能抓取图像处理文件的下载，所述嵌入式ARM11平台与可触摸显示屏之间通过LVDS接口相连接用于所采集图像、工作状态的实时显示以及摄像头参数的修改。

所述嵌入式ARM11处理器为三星ITOP4412核心处理器，所述可触摸显示屏为电阻屏，所述摄像头传感器模块为最高1200万像素可选的无畸变120度广角摄像头，所述补光灯光源为LED光源。

所述摄像头传感器模块和补光灯光源集成为一体，所述摄像头传感器模块的摄像头位于补光板中心，所述补光灯光源围绕摄像头一周均匀设置，所述补光板边缘设有固定孔并通过螺钉固定在摄像头传感器模块的底座上。

基于所述用于引导机器人智能抓取的嵌入式测控系统的测控方法，前期用户根据需要通过PC机开发出机器人智能抓取视觉引导测控可执行文件，通过调试串口下载到嵌入式ARM11开发平台之后；

1)系统开始工作；

2)判断是否获得抓取触发信号，若是执行下一步，若否等待；

3)触发摄像头传感器模块采集图像；

4)摄像头传感器模块采集待抓取物体的图像信息；

5)嵌入式ARM11处理器计算出物体的空间坐标位置；

6)向机器人抓取执行机构发出抓取执行信号，并停止图像采集；

7)机器人抓取执行机构抓取物体至需要放置位置上方时，再次触发摄像头传感器模块采集图像；

8)摄像头传感器模块采集放置区域图像信息；

9)嵌入式ARM11处理器计算出空间位置用于待放置物体的放置；

10)向机器人抓取执行机构发出放置执行信号，并停止图像采集；

11)返回步骤2)。

所述嵌入式ARM11处理器实时将所拍摄到的图像信息发送至可触摸显示屏显示，所述可触摸显示屏根据用户操作通过嵌入式ARM11处理器对摄像头的亮度、对比度、色调、饱和度、清晰度、白平衡、曝光度或图像增益度等参数信息进行调节。

系统工作前，用户可根据需要由PC机开发出机器人智能抓取视觉引导测控可执行文件，通过调试串口下载到嵌入式ARM11开发平台中。

本发明的优点在于:

1、本发明使用目前最高性能的ARM11嵌入式开发平台，其操作系统为Linux+Qt操作系统，此种开源操作系统，可裁剪满足各种需求，灵活强大，可控性高，实时性较好，开发调试方便；

2、本发明为ARM11嵌入式开发平台移植经过裁剪、编译和优化之后的图像处理OPENCV库，后期的图像处理算法可直接在OPENCV库的基础上进行，大大缩短了图像处理算法的开发周期，可最大程度优化、简化图像处理算法，保障图像处理的实时性；

3、本发明为视觉传感器设计了环形补光灯光源，可保证视觉传感器在光线较暗，外界环境较复杂的情况下依然能够采集到高质量的图像，保障了视觉测控系统在实际工业现场的实用性；

4、本发明可以通过调试串口下载执行用户根据需要开发出的各种用于引导机器人智能抓取的作业软件，用于系统调度执行，并且视觉传感器参数可调，具有普遍适用性。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1为嵌入式测控系统框图；

图2为嵌入式测控方法流程图；

图3为可触摸显示屏显示示意图；

图4为摄像头传感器模块和补光灯光源集成结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，用于引导机器人智能抓取的嵌入式测控系统主要包括嵌入式ARM11处理器、摄像头传感器模块、补光灯光源和可触摸显示屏。

嵌入式ARM11处理器为系统核心部件，由于系统基于ARM处理器构建，其能够移植成熟的OPENCV库，图像处理算法能够借助OPENCV库来完成，并采用开源、易于裁剪、实时性较好的Linux系统，开发调试方便，易于推广和使用。

嵌入式ARM11处理器优选综合性能较强的三星ITOP4412核心处理器，其为基于Cortex-A9内核的四核处理器，最高主频为1.6GHZ,具有2GB双通道DDR3，16GB超大内存，能够满足图像处理实时性的需求。

嵌入式ARM11处理器通过USB通信接口连接摄像头传感器模块，摄像头传感器模块采用USB免驱摄像头传感器，摄像头传感器模块通过USB通信接口向嵌入式ARM11处理器发送所采集的图像信息，嵌入式ARM11处理器通过USB接口向摄像头传感器模块发送采集/停止信号。

嵌入式ARM11处理器通过普通I/O口连接补光灯光源，其通过这两个普通I/O为补光灯光源提供电源，由于采用了补光灯光源为摄像头补光，使得本套装置实时性较好，在光线较暗，外界环境较复杂的环境中依然具有很好的使用效果。

如图4所示，摄像头传感器模块和补光灯光源集成为一体，摄像头传感器模块的摄像头和补光灯光源位于补光板的同一侧，补光板可以采用白板，提高补光光源的效果，摄像头传感器模块的摄像头位于补光板中心，补光灯光源围绕摄像头一周均匀设置，补光灯光源采用15颗LED补光灯光源，摄像头采用最高1200万像素可选的无畸变120度广角摄像头，补光板边缘设有固定孔，通过穿过固定孔的螺钉将补光板固定在摄像头传感器模块的底座上，保障摄像头在较复杂的外界环境下依然能够实时采集到高质量的图像，并能在进一步简化摄像头操作，降低了系统成本。

嵌入式ARM11处理器通过LVDS接口连接可触摸显示屏，可触摸显示屏选择电阻屏，防止复杂工业现场中由于屏幕过于灵敏，造成的误操作。嵌入式ARM11处理器实时将所拍摄到的图像信息发送至可触摸显示屏显示，可触摸显示屏根据用户操作通过嵌入式ARM11处理器对摄像头的亮度、对比度、色调、饱和度、清晰度、白平衡、曝光度或图像增益度等参数信息进行调节。如图3所示，嵌入式ARM11处理器向可触摸显示屏的实时显示信息包括图片信息和参数信息，图片信息为在图像预览区显示的拍摄到的图像，参数信息为嵌入式ARM11处理器的工作状态、传感器参数、物体位置信息。同时用户可以通过对可触摸显示屏的操作向嵌入式ARM11处理器发送控制信息，包括亮度、对比度、色调、饱和度、清晰度、白平衡、曝光度或图像增益度的调节信息，调节摄像头和处理器的工作参数。

嵌入式ARM11处理器通过以太网连接机器人抓取执行机构，以太网的通信采用TCP/IP协议，该协议为面向连接的网络通信协议，可靠性高，传输速率快，嵌入式ARM11处理器与机器人抓取执行机构通过TCP/IP协议进行数据通信。

嵌入式ARM11处理器通过九针调试串口与PC机相连接，系统工作前期，用户可根据需要通过PC机开发出机器人智能抓取视觉引导测控软件，通过调试串口下载到嵌入式ARM11处理器中。

如图2所示，基于上述用于引导机器人智能抓取的嵌入式测控系统的测控方法如下：

1)系统开始工作，系统进行初始化；

2)判断是否获得抓取触发信号，若是执行下一步，若否等待，触发信号可以人工输入，也可以根据预设程序在达到某个设定条件时自动产生；

3)触发摄像头传感器模块进行图像采集；

4)摄像头传感器模块采集待抓取物体的图像信息，并将图像信息输送至嵌入式ARM11处理器；

5)嵌入式ARM11处理器获得图像信息后，根据图像信息计算出物体的空间坐标位置；

6)嵌入式ARM11处理器向机器人抓取执行机构发出抓取执行信号，并停止摄像头传感器模块的图像采集；

7)机器人抓取执行机构抓取物体至需要放置位置上方时，触发摄像头传感器模块；

8)摄像头传感器模块采集放置区域图像信息，并将图像信息输送至嵌入式ARM11处理器；

9)嵌入式ARM11处理器获得图像信息后，根据图像信息计算出待放置物体的放置坐标位置；

10)嵌入式ARM11处理器向机器人抓取执行机构发出放置执行信号，并停止摄像头传感器模块的图像采集；

11)返回步骤2)，如此循环往复。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。