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機(jī)器人「視覺伺服」控制的新方法
【塑料機(jī)械網(wǎng) 技術(shù)學(xué)堂】 顛覆性創(chuàng)新技術(shù)不但是投資者追逐的風(fēng)口，更是實(shí)業(yè)者努力創(chuàng)造的現(xiàn)實(shí)。走過130年創(chuàng)新路，ABB繼續(xù)在數(shù)字化浪潮中御風(fēng)而行，通過自有實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了眾多技術(shù)突破，同時(shí)攜手新興科技領(lǐng)域翹楚，致力于開放式創(chuàng)新。
人工智能、深度學(xué)習(xí)、邊緣計(jì)算、數(shù)字孿生、Factory 2.0……熱詞頻現(xiàn)，數(shù)字化技術(shù)與各行業(yè)的交匯將產(chǎn)生什么化學(xué)反應(yīng)？數(shù)據(jù)與算法將如何賦能新制造，重新定義未來工廠？近期，我們將集中介紹ABB新的科研成果和應(yīng)用案例，跟我們一起來探尋這些熱詞背后的真相吧！
工業(yè)機(jī)器人新需求
「更高生產(chǎn)柔性」
機(jī)器人聯(lián)合會(huì)的研究報(bào)告指出，自動(dòng)化生產(chǎn)在范圍內(nèi)高速增長，且日益呈現(xiàn)出小批量、多批次、混合生產(chǎn)的特點(diǎn)。這就要求工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化解決方案具有更高的生產(chǎn)柔性，以適應(yīng)更復(fù)雜的產(chǎn)品多樣性，且能在更短的時(shí)間內(nèi)完成生產(chǎn)調(diào)試，從而快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品切換。
基于傳感信息的機(jī)器人伺服控制技術(shù)，特別是視覺伺服技術(shù)，是提升生產(chǎn)柔性的重要手段。一般來說，視覺伺服技術(shù)分為兩大類，即基于位置的視覺伺服(PBVS)和基于圖像的視覺伺服(IPVS)。
近年來，很多研究將視覺伺服技術(shù)用于抓取快速移動(dòng)的物體，系統(tǒng)的響應(yīng)速度之快，甚至可以用于抓取飛行中的物體。一般整個(gè)控制系統(tǒng)包括一套多相機(jī)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、一個(gè)即時(shí)運(yùn)動(dòng)觀測器，以及一個(gè)即時(shí)運(yùn)動(dòng)重規(guī)劃控制器。視覺伺服技術(shù)在諸多工業(yè)場景中都有廣泛的應(yīng)用前景。
技術(shù)挑戰(zhàn)
「更高生產(chǎn)柔性」
隨著工業(yè)中對(duì)于在動(dòng)態(tài)或是未知環(huán)境下作業(yè)的需求增加，對(duì)工業(yè)機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)高速伺服地對(duì)周圍變化的狀況做出相應(yīng)提出了新的要求。但高速相機(jī)的較高成本也使得一般工業(yè)用戶望而卻步，在這種條件下，如何利用低成本相機(jī)實(shí)現(xiàn)快速地跟蹤抓取移動(dòng)中的物體，以便將視覺伺服技術(shù)用于一般工業(yè)場景，成為了需要解決的現(xiàn)實(shí)問題。
實(shí)現(xiàn)追蹤
「ABB EGM模塊」
ABB中國研究院的科學(xué)家們提出了一種新的視覺伺服控制方法，借助ABB EGM(External Guided Motion)模塊，使得工業(yè)機(jī)器人只需搭配較低幀率相機(jī)，即能完成高速物體的跟蹤。該方法的特點(diǎn)在于視覺伺服所需的反饋信號(hào)不僅僅來自相機(jī)采集的圖像信息，而且還融合了機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)信息。
這種方法將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)反饋與視覺傳感信號(hào)相融合，用來產(chǎn)生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)。與傳統(tǒng)的僅基于視覺反饋伺服的控制方法相比，新方法提高了視覺伺服的控制頻率，降低了對(duì)于相機(jī)高幀率的依賴，從而提高了低幀率條件下伺服控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。
視覺伺服控制系統(tǒng)整體架構(gòu)由相機(jī)、圖像處理器、機(jī)器人控制器以及視覺伺服控制器構(gòu)成
在隨機(jī)運(yùn)動(dòng)物體跟蹤實(shí)驗(yàn)中，新的伺服控制方法被應(yīng)用于一臺(tái)IRB1200工業(yè)機(jī)器人上，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速且任意運(yùn)動(dòng)的小球的跟蹤。實(shí)驗(yàn)表明，該視覺伺服控制方法能使工業(yè)機(jī)器人對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行有效跟蹤。即使相機(jī)幀率低至16FPS(幀/秒)，工業(yè)機(jī)器人仍能對(duì)運(yùn)動(dòng)中的物體進(jìn)行動(dòng)態(tài)高精度跟蹤，接近采用高速相機(jī)的所獲得高速跟蹤的精度。
*ABB IRB 1200 視覺伺服技術(shù)追蹤演示站將在7月25日–27日亮相世界工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)。歡迎親臨現(xiàn)場，觀看視覺伺服演示，感受人工智能的魅力！
傳統(tǒng)視覺伺服控制方法所需的高幀率相機(jī)成本普遍較高，制約了視覺伺服在一般工業(yè)場景中的應(yīng)用。這一新的視覺伺服控制方法只需使用一般低幀率相機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)高幀率相機(jī)相當(dāng)?shù)乃欧阅埽瑥亩档土艘曈X伺服的使用成本，為視覺伺服在更多工業(yè)場景中的應(yīng)用鋪平了道路。
什么是“視覺伺服”？
視覺伺服(visual servo)概念在1979年被提出，常見于機(jī)器人技術(shù)方面的研究。“伺服”一詞源于希臘語“奴隸”的意思 ，人們想將相應(yīng)設(shè)備可以服從控制信號(hào)的要求而動(dòng)作。
視覺伺服，一般指的是，通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，通過圖像反饋的信息，來讓機(jī)器系統(tǒng)對(duì)機(jī)器做進(jìn)一步控制或相應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)整的行為。
機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)是機(jī)器視覺和機(jī)器人控制的有機(jī)結(jié)合，是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，其內(nèi)容涉及圖象處理、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、控制理論等研究領(lǐng)域。目前，機(jī)器人視覺伺服控制系統(tǒng)的分類方式主要有以下幾種：
按照攝像機(jī)的數(shù)目的不同，分為單目視覺伺服系統(tǒng)、雙目視覺伺服系統(tǒng)以及多目視覺伺服系統(tǒng)
按照攝像機(jī)放置位置的不同，分為手眼系統(tǒng)(eye in hand)和固定攝像機(jī)系統(tǒng)(eye to hand或stand alone)
按照機(jī)器人的空間位置或圖像特征，分為基于位置的視覺伺服系統(tǒng)和基于圖像的視覺伺服系統(tǒng)
按照采用閉環(huán)關(guān)節(jié)控制器的機(jī)器人，分為動(dòng)態(tài)觀察-移動(dòng)系統(tǒng)和直接視覺伺服
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