音袁 王家偉 劉立成 莊萬水

摘 要 本文基于高精度視覺識別與運動控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，針對機器人智能展品的發(fā)展現(xiàn)狀及原理方法等進(jìn)行簡要論述。結(jié)合一種典型的實時智能機器人科普展品“冰球機器人”的研發(fā)成果，闡述工業(yè)數(shù)字高速攝像機視覺識別系統(tǒng)和伺服運動控制系統(tǒng)的運行原理及重要作用，擬開發(fā)一個完整的冰球機器人運動伺服平臺并實現(xiàn)實時智能控制，重點探討該機器人視覺系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計及技術(shù)重難點的解決方案，以期能為國內(nèi)科技館同類科學(xué)展品的設(shè)計創(chuàng)新起到一定參考和借鑒作用。

關(guān)鍵詞 視覺識別系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng) 人工智能 冰球機器人

0 引言

集成計算機高精度視覺識別系統(tǒng)與運動控制系統(tǒng)，是現(xiàn)階段智能設(shè)備設(shè)計與改造中的熱門應(yīng)用技術(shù)之一，該系統(tǒng)通過計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和圖像采集處理技術(shù)，利用高清相機對目標(biāo)進(jìn)行尋找并驅(qū)動電機對執(zhí)行機構(gòu)采取運動控制，以實現(xiàn)對預(yù)定運動目標(biāo)的處理，能夠大幅提高機器智能化水平，在工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中被廣泛運用[1]。與此同時，通過科技館中的科普項目來展示相關(guān)復(fù)雜技術(shù)也成為一種易于被大眾接受的新型傳播途徑。

本文正是基于高精度視覺識別與運動控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，并以“冰球機器人”的研發(fā)成果為例，展示一種人工智能的，能夠感知、預(yù)測、決策和協(xié)調(diào)運動的，真正實現(xiàn)與人類體育競技對抗的自動化智能機器，以期能為科技館同類科學(xué)展品設(shè)計創(chuàng)新起到一定的參考和借鑒作用。

1 研究背景分析

機器人展品是科技館展品的重要組成部分之一。機器人技術(shù)融合了機械、電子、傳感器、計算機、人工智能等多學(xué)科知識，代表著機電一體化的最高成就，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。在日本，人們認(rèn)為機器人是任何高級的自動化機械;歐美國家則指出，機器人應(yīng)該是有計算機控制的，通過編排程序具有可以變化的、多功能的自動化機械[2]。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織給機器人下的定義為：一種可編程和多功能的用來搬運材料、零件、工具的操作機或是為了執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變的、可編程動作的專門系統(tǒng)[3]。

通過對國內(nèi)外50多家大型科技場館進(jìn)行問卷調(diào)查統(tǒng)計，了解到80%以上的觀眾對機器人技術(shù)充滿期待和興趣，特別是機器人的高精度、靈活性技術(shù)，機器人平衡技術(shù)，仿生機器人技術(shù)，擬人型機器人等受到廣大觀眾的關(guān)注[4]。但是，目前科技館行業(yè)同類機器人互動方式的產(chǎn)品一般采用機械臂形式，成本高、無機械傳動機構(gòu)，無法體現(xiàn)機電軟件一體化的科普功能，且存在表現(xiàn)形式落后、缺乏互動性和創(chuàng)新性等諸多問題，難以滿足公眾探索機器人技術(shù)的興趣和愿望，也無法系統(tǒng)展示機器人技術(shù)的構(gòu)成和發(fā)展[5]。因此，探索機器人展品研發(fā)規(guī)律具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2019年第九屆蕪湖科博會中，全新優(yōu)化設(shè)計的冰球機器人首度亮相，得到業(yè)內(nèi)人士和市民群眾的廣泛關(guān)注。本展項為人機互動的競技游戲裝置，冰球機器人通過捕捉冰球運動位置，實時計算出預(yù)測的軌跡并即刻做出相對的反應(yīng)。當(dāng)參與者按下“開始”按鈕后便可取出冰球開始擊球，同時相機高速檢測冰球位置，記錄當(dāng)前時間和位置;連續(xù)記錄3個位置后，AI系統(tǒng)計算出冰球的運動速度和方向，結(jié)合電機的位置和運動速度，計算出最佳碰撞點和碰撞時間，驅(qū)動電機動作;冰球進(jìn)入對方球門后，傳感器做出判斷得分并顯示到屏幕上，冰球則通過回球軌道落回到指定位置，方便參與者取出;當(dāng)?shù)梅诌_(dá)到設(shè)定規(guī)則要求后，比賽結(jié)束，系統(tǒng)顯示比賽結(jié)果。

目前國內(nèi)科技館中大多數(shù)機器人都是通過表演動作來展示效果，形式較為單一[6]，而本裝置基于高精度視覺識別與運動控制系統(tǒng)，通過參與者直接和機器人進(jìn)行人機交互趣味比賽，讓觀眾更直觀感受到機器人的運動控制和處理能力，驚嘆于冰球機器人精準(zhǔn)動作的神奇之處。如此，通過機器人展品將觀眾單一的輸入導(dǎo)出為多種輸出，使展品本身具備更持久的生命力。

2 展項基本描述

冰球機器人是一個集高精度視覺識別、人工智能和高速運動控制于一體的互動科普裝置，主要由臺體、冰球機器人、防護(hù)機構(gòu)組成，它利用外部感知技術(shù)實現(xiàn)機器人動作控制。觀眾手持互動裝置，點擊開始按鈕，與機器人開始冰球?qū)?zhàn)，同時屏幕顯示對戰(zhàn)時間和得分情況。利用2臺伺服電機、運動軌道、1臺工業(yè)相機和上位機組成控制系統(tǒng)，采用氣浮臺面模擬實際冰球低摩擦運動，結(jié)合燈光、回球軌道、臺體和半封閉防護(hù)罩組成一個冰球機器人。比賽時機器人通過工業(yè)相機識別跟蹤冰球動作，通過AI計算判斷出最佳擊球位置、時間和速度，控制擋塊準(zhǔn)時運行至指定位置將球擊回，當(dāng)傳感器檢測到球進(jìn)球門后回合結(jié)束，從而完成一場冰球比賽過程。

如圖1所示，參觀者參與時，通過點擊開始和難易程度按鈕，啟動游戲，然后手拿擊球器將球片擊打向機器人方向，系統(tǒng)攝像頭將采集球片數(shù)據(jù)，并通過算法控制機構(gòu)動作，將球準(zhǔn)確無誤擊回參與方，以此反復(fù)，直至一方進(jìn)球，球片通過回收機構(gòu)轉(zhuǎn)至臺體前端，參與者拿起球片進(jìn)行下一場比拼。當(dāng)單方進(jìn)球滿5個時，則游戲結(jié)束，顯示屏實時顯示擊球軌跡畫面和得分情況。

[圖1 冰球機器人展品效果圖]<O：＼Macfile-f＼CY＼2019年＼科學(xué)教育與博物館＼2019-5＼圖＼高精度視覺識別-1.tif>

如圖2所示，本展品包括七個部分，主要模塊名稱分別為：冰球互動擊球機構(gòu)、球片浮動平臺、球片回收機構(gòu)、攝像頭采集部分、計算機部分、顯示器部分、多媒體部分。攝像頭部分進(jìn)行球片運動軌跡采集并輸入計算機部分，計算機部分控制冰球互動擊球機構(gòu)進(jìn)行擊球，并將得分結(jié)果輸出到顯示器部分。球片在浮動平臺上小阻力運動，并通過球片回收機構(gòu)回收至臺體前端。

如圖3所示，冰球互動擊球機構(gòu)由伺服電機、同步帶、X向滑軌、Y向滑軌、擊球部分、主動輪、張緊從動輪、換向輪等部件構(gòu)成。機構(gòu)啟動時，左右伺服電機帶動主動輪轉(zhuǎn)動，擊球部分在同步帶的帶動下，通過從動輪和換向輪實現(xiàn)動作。機構(gòu)通過左右電機的轉(zhuǎn)向和速度差值實現(xiàn)擊球部分的X向、Y向、斜向運動，并結(jié)合程序算法實現(xiàn)互動擊球。

計算機部分由計算機、電機控制器構(gòu)成。計算機通過攝像頭采集數(shù)據(jù)，運用算法控制伺服電機的啟動與停止。攝像頭采集部分由攝像頭、攝像頭固定支架組成。攝像頭對運動中的球片進(jìn)行圖像采集，并將數(shù)據(jù)輸入到計算機，計算機中的程序通過算法算出球片運動軌跡。顯示器模塊，顯示器模塊顯示當(dāng)前互動游戲的得分情況。

本展項設(shè)計特點：（1）利用高速工業(yè)相機動態(tài)跟蹤冰球運動;（2）根據(jù)三點計算冰球運動軌跡，計算出冰球的速度和方向;（3）采用補光技術(shù)，降低外界光源對冰球識別造成的影響;（4）采用半封閉結(jié)構(gòu)，運動控制部分和參與者隔離開，安全性高;（5）采用CoreXY連接方式組合2臺伺服電機，結(jié)構(gòu)簡潔，運行速度快;（6）采用氣浮機構(gòu)消除桌面摩擦力，模擬冰球真實動作。

3 原理闡釋與難點解決

冰球機器人主要由機械運動機構(gòu)、伺服運動控制系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)構(gòu)成，是一個以CoreXY結(jié)構(gòu)為主體的機器人，它利用工業(yè)數(shù)字高速攝像機視覺系統(tǒng)，對桌面圖像實時監(jiān)測，利用圖像處理技術(shù)鎖定冰球的坐標(biāo)位置，通過不同時刻圖像的差異比對，計算出冰球的運動軌跡并推導(dǎo)出冰球的運動方向，然后由伺服運動控制系統(tǒng)控制機械臂高速并準(zhǔn)確的移動到預(yù)計位置上攔截并擊打冰球，實現(xiàn)冰球桌面互動的人機對戰(zhàn)。

經(jīng)研發(fā)團(tuán)隊經(jīng)測試，預(yù)估觀眾擊球的速度可達(dá)到5 m/s以上，臺面的總長度是1.2 m，觀眾操作區(qū)域長度是0.4 m，實際機器人監(jiān)控有效區(qū)域是0.8 m，所以當(dāng)觀眾擊球后，機器人從識別冰球到反擊成功的最大時間只有0.16 s。若要冰球機器人贏球，那么對其快速定位和運算識別功能則有很高的要求，亟待解決的就是電機運動速度跟不上、識別速率較慢、吹風(fēng)不均勻?qū)е伦烂孀枇Υ蟮入y題。

通過反復(fù)的性能提升與方法改進(jìn)，研發(fā)團(tuán)隊采用USB 3.0高清工業(yè)相機，最高速度達(dá)210 fps（每秒幀數(shù)），圖像清晰度高，輔以采用OpenCV 3.0專業(yè)圖像處理技術(shù)，采用金字塔法同時生成一張大圖和一張小圖，結(jié)合幀差法，在小圖中快速識別運動物體，確定運動范圍，并在此范圍內(nèi)通過在大圖來識別定位冰球的精確位置。利用金字塔法，則可在實現(xiàn)冰球快速定位的同時還能保證識別精度。另外，將工業(yè)相機安裝在臺面正上方，周圍布置了補光系統(tǒng)，降低外界光線對冰球識別的干擾。經(jīng)試驗，在相機采集過程可以同步實現(xiàn)冰球定位，識別速度達(dá)到相機最高速度110 fps，也就是機器人不到0.01 s就能捕捉畫面、找準(zhǔn)冰球，再計算出反擊位置，并控制電機的運動速度和軌跡，進(jìn)行擊球，如圖4所示。

除了高精度視覺識別系統(tǒng)，還需要準(zhǔn)確快速的運算控制系統(tǒng)——建立冰球運動模型，結(jié)合相機定位冰球?qū)嶋H運動位置，計算其運動軌跡并快速做出反應(yīng)。冰球機器人采用CoreXY連接方式組合2臺伺服電機，結(jié)構(gòu)簡潔，運行速度快，由于通過運動控制卡直接控制電機，進(jìn)一步消除計算機與電機通訊延時。如，以計算出球位置到機器人擊球位置距離0.6 m，冰球速度2 m/s為例，時間差10 ms，末端距離差20 mm，識別角度偏差1度末端誤差就是10 mm。同時，還可通過設(shè)置電機最大運動速度和反擊位置選取方法，來改變游戲模式的難易程度。

此外，冰球臺面排列許多整齊的氣孔，系統(tǒng)工作后有氣流噴出，而冰球下方為凹面，氣流沖擊凹面時就可以將冰球浮在臺面上，消除了臺面與冰球的摩擦力，即可真實模擬實際冰球在冰面上的光滑運動，大大減少了運動阻力。同時，安全性也是展品展項設(shè)計中的必備要素。本展項整體采用半封閉結(jié)構(gòu)，將包含運行軌道的運動控制部分用鋼化玻璃進(jìn)行封閉，只留縫隙供冰球運動，防止高速運動的機構(gòu)撞擊到參與者，消除安全隱患。

我們通過機器人技術(shù)互動體驗系列展品展示關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，探索出機器人展品研發(fā)應(yīng)遵循的普遍規(guī)律總結(jié)如下：（1）充分做好現(xiàn)狀調(diào)查，理清機器人技術(shù)的發(fā)展方向和科技館目標(biāo)需求，確定展示內(nèi)容與特殊要求。（2）將機器人研發(fā)與科技館展示技術(shù)相結(jié)合，確定互動展示形式。（3）對展品進(jìn)行詳細(xì)的功能分析，根據(jù)展示性、體驗性和安全性確定展品組成與結(jié)構(gòu)。（4）機器人展品的整體設(shè)計需滿足安全可靠、維護(hù)方便、成本合理等要求。（5）同時注重操作的可重復(fù)性，科技館人流量大、展品使用頻率極高，要求展品體驗滿足不同受眾群體的使用習(xí)慣，演示現(xiàn)象和效果在合理的時間內(nèi)能夠重復(fù)再現(xiàn)等。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，國家把科普基礎(chǔ)設(shè)施工程列為實施全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃的四大基礎(chǔ)工程之一，良好的政策給我國科技館事業(yè)帶來前所未有的發(fā)展機遇。與此同時，科技部也按照國家重點研發(fā)計劃統(tǒng)一部署，啟動“智能機器人”重點專項工作。展品展項是科技場館長久發(fā)展的生命基石，而隨著科普場館戰(zhàn)略地位的逐步提高，社會各界對機器人展品的創(chuàng)新也有了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

冰球機器人是一款充滿競技智慧的高科技展品，重點展示人工智能在自動程序設(shè)計、視覺感知、反應(yīng)控制等諸多領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。通過把“高高在上”的機器人展品與人們熟悉的日常生活、休閑運動相結(jié)合，進(jìn)一步為大眾創(chuàng)新提供支撐。希望此次創(chuàng)新實踐對同類機器人展品研發(fā)和全國科技館展品建設(shè)能夠起到一定的借鑒作用，特別是在快速定位和優(yōu)化運算識別等互動機器人關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面，并借此引發(fā)業(yè)內(nèi)對一系列機器感知和控制技術(shù)的深入探索和相互交流。此外，我們也將繼續(xù)致力于利用前沿技術(shù)推動科學(xué)知識的普及與傳播，使科學(xué)更加平民化、更具親和力，實現(xiàn)科技館展品研發(fā)的新局面、新形勢。

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Abstract Based on the theoretical basis of high-precision visual recognition and motion control system， this paper briefly introduces the development status and principle methods of robot intelligent exhibits. Combining the research and development results of an intelligent "ice hockey robot"， the operation principle and function of the industrial digital high-speed camera visual recognition system and servo motion control system are expounded. It is proposed to develop a complete ice hockey robot motion servo platform and realize real-time intelligent control. The focus is on the design of the robot vision system and the solutions to the technical difficulties. The purpose is to provide a reference for the innovation of scientific exhibits in the same category of domestic science museums.

Keywords visual identification systemmotion， control systemartificial， intelligenceice， hockey robot