3D視覺技術攜手機器人打造夢幻視覺

上海發那科機器人有限公司

隨著科學技術的不斷進步，具有類似于人類視力的機器人系統不再是科幻小說中的夢想。今后，3D視覺系統將成為機器人系統的標準附加設備，攜手機器人共同打造夢幻般視覺。

坐落在美國Mich州Rochester Hills地區的Fanuc Robotics公司的智能機器人和視覺系統部經理Edward Roney先生解釋說：“采用由當今技術水平所提供的處理器，我們實際上可以觀察多幅圖像，并對一個物體的幾何形狀進行實時分析。”Fanuc公司開發了稱之為iRVision的第一套工業用集成3D視覺系統，該技術已應用于所有的Fanuc R-30iA型機器人系統上。

全部工藝由主機器人上的CPU單元執行，因而不會產生通信延時的現象，也不需要再附加硬件。

圖1 一套帶有iRVision 3DL視覺系統的FANUC M-710iC/50型機器人正在從帶有腳輪的小車上揀取零件，并將其輸送到檢測站檢驗誤差，然后再放到輸送臺上。

Lowa州Ellison Technologies Automation公司是一家機器人系統成套供應商，也是一家技術咨詢公司，按照其總裁John Burg先生的說法，隨著生產需求的不斷提高、生產技術的不斷發展以及機器人成本費用的不斷增長，在今后幾年中，3D視覺系統將成為機器人系統的標準附加設備。

John Burg先生說：“現在的生產技術正在以足夠快的步伐向前發展，但價格也在不斷上漲，顧客對視覺系統的易用性和靈活性要求越來越高。”Burg先生認為，Fanuc機器人和3D視覺系統應用成熟，已經在物流、焊接工藝和機床的零件裝卸過程等一系列活動中攜手合作，這一技術將有利于提高工作效率、降低人工勞務費用并提高產品質量。他解釋說：“采用新技術和安裝新設備的其中一個目的就是要長期地降低生產成本。”

因此，為什么3D視覺技術會越來越受到人們的青睞？因為隨著其處理能力的提高，處理器和存儲器的費用不斷降低，編程員可以做更多的工作，不僅是拍攝一幅圖像，還可以將其與相應的參考模型進行對比，而早期的大部分2D視覺圖像就是建立在這一技術基礎之上。

1 視覺系統的發展

機器人視覺系統最早應用于汽車生產線的成套車體生產機器人上。如果沒有視覺系統，需要采用特殊的工具在車體上加工孔徑，以便使機器人能夠知道車體的具體位置。然而在視覺攝像系統開發以后，就再也不需要這類昂貴的加工工具了。機器人能夠自動地確定車體的確切位置，然后通過數學方式計算出這四個孔徑的位置。

Fanuc公司的Roney先生進一步解釋說：“從很早的時候開始，我們就認識到采用視覺系統是降低工具成本的一種很好的方法。加工工具是非常昂貴的，而且是固定不變的。如果制造商需要在第二年改變車型，那么必須更新全部工具。”按照Roney先生的說法，在采用視覺技術以后，汽車制造商可以在模具和夾具制造方面每年節約幾百萬美元的資金。

圖2 用于12個組裝件的零件安放在一輛小車上，每一個組裝件的正確零件位于每一個插槽之中。FANUC M-16iB型機器人使用iRVision 3DL視覺系統讓小車正確就位。

2 視覺系統的工作原理

視覺系統采用運算技術來識別圖像，然后通過培訓，教會機器人識別事物并尋找所需要的東西。圖像建立在大量的像素數據基礎之上，系列中的每一個像素都有一個灰度等級，然后通過運算技術分析數據。

機器人可以判斷出圖像的拍攝位置，因此能夠識別物體所處的位置，然后判斷其相應的尺寸、形狀和質量；也可以根據圖像和運算法則更改程序，例如，不同大小的零件可以采用不同的路徑，零件A將在零件B應該落下的地方掉落。

坐落在Mich州Lansing鎮的Aptura Machine Visioning公司的總裁David Dechow先生解釋說：“帶有視覺系統的機器人，最終將能夠在任何方向上操縱任何類型的零件。”采用隨機附帶的攝像系統或遙控攝像機，可以獲取一個物體的快速拍攝圖像并找到該物體與機器人的相對位置。Ind州Ft.Wayne市Guide Engineering公司的控制工程師Jeremy Pennington先生說：“然后，該FANUC機器人可以利用這一位置數據來確定該物體所處的位置，無論將機器人移動到什么位置都可以實現。”

3 3D視覺系統的應用

3D視覺系統可以應用于很多領域，其中在容器中揀取零件、機床上的工件裝卸以及包裝和焊接領域中的應用已經取得了理想的成效。

3.1 應用于容器中的零件揀取

至今為止，機器人主要應用于揀取容器中任意堆放的零件。達到這一目的需要滿足三個基本要素：視覺系統、容器防碰撞以及防碰撞監測系統。需要視覺系統，這是毋庸置疑的事情，因為首先需要找到零件究竟在什么地方。然而，只依靠容器壁進行檢測具有一定的局限性，因為機器人的手爪還將進一步深入到容器的底部，因此零件的揀取將會越來越困難。在容器中揀取零件所使用的造型方式完全能夠理解零件的揀取工具、傳感器和機械手臂本身的局限性。在這樣的工作條件下，一旦當零件的位置被確定以后，機器人就開始進行自動運算，確定其是否真的能夠從容器中揀取這一零件。第三個要素就是防碰撞檢測。最終，機械手必然會觸及到容器壁，因此它需要區分究竟是屬于軟接觸還是硬接觸，如果是硬接觸可能會損壞機器人系統。

Fanuc公司的Roney先生說：“我們應用機器人在容器中結構性和任意性揀取零件方面已獲得了巨大成功。” 所謂結構性揀取零件是指容器中的每一個零件都是正面朝上的，而任意性揀取零件是指零件在容器中是任意堆放的。Roney先生認為，后一種零件揀取方式更具有挑戰性，但如果具備上述三大要素（視覺系統、容器防碰撞和防碰撞檢測系統），那么一切皆可能實現。

圖3 FANUC LR Mate 200iC型機器人正在揀取堆放在任意位置上的計算機芯片，然后將其排放就位。

3.2 應用于機床上的工件裝卸

Ellison Technologies公司的Burg先生說：“在許多應用領域中，在揀取零件以后，直接將其安裝到機床上進行加工。在大部分情況下，該機床的夾具系統不允許機器人的零件安裝位置出現任何差錯。”因此，零件的精確就位對零件的夾緊系統來說是非常關鍵的。

機器人能夠確定圖像拍攝的位置，因此能夠識別物體所處的位置，然后對該物體的大小、類型和質量作出相應的判斷。

如果沒有上述這些功能，那么機床將可能發生損失慘重的故障。因此，采用視覺技術有利于零件的正確定位。

圖4 FANUC LR Mate 200iC型機器人系統正在對來自智能零件輸送器輸送的各種大小和形狀的螺栓進行分類和自動揀取。

圖5 FANUC R-2000iA機器人系統正在對來自傳輸帶的金屬零件進行視覺選取。

3.3 應用于包裝領域

視覺技術對包裝應用領域也是十分關鍵的。例如食品往往需要通過輸送機或滑塊裝置輸送到食品揀取區域，因此不存在重復定位的問題。但事實上，由于食品處在不同的位置上，因此需要有一個重新調整方向和揀取的過程，然后將其放入到包裝箱中。而視覺系統能夠幫助機器人找到相應的食品，并根據要求完成包裝任務。

3.4 應用于焊接領域

在進行焊接的時候，機器人可以利用視覺系統，以適應兩個焊接元件之間的微妙變化。即使在點焊應用領域，也可利用視覺技術校正誤差。

4 系統在實際中的應用

Ellison Technologies Automation公司安裝了一套帶有3D視覺技術的機器人系統，用于處理板材。該板材由最初的板條切割而成，然后落入到一個桶里，再輸送到一個裝有機器人的工作室內，利用焊接技術，在板材上敷焊一層硬質材料，使其具有較長的使用壽命。

Burg先生解釋說：“焊接工藝可能會污染夾鉗。如果夾鉗碰到新的零件，那么這個零件就會受到污染。”在采用視覺技術前，不得不采用手工的方式進行必要的調節。現在，每一個零件上的各個位置都可以進行驗證。“該技術允許機器人通過3D攝像系統來顯示整個零件的狀況，”Burg先生繼續說，“它允許在沒有人工干預的情況下操作運行。”

在采用視覺技術之前的10年時間里，該公司擁有4套Fanuc機器人系統，至少有一套機器人系統經常需要人工進行調節。現在，該公司只需要3套機器人系統，就能完成同樣的工作量，而且很少需要進行人工干預。

5 3D視覺系統的未來

在生產成本進一步降低和采用更強大系統的情況下，未來的機器人3D視覺系統將會發生什么樣的變化呢？

Fanuc公司的Roney先生回答說：“可能將會進入到更令人感興趣的所謂視覺伺服系統。到目前為止，我們所考慮應用的視覺系統只通過某一個點來及時尋找一個物體。”然而，零件往往處于運動狀態，此時，采用單點準時快速攝像可能效果不佳；而采用視覺伺服系統可以繼續獲得有關物體位置的多種信息。這一系統允許機器人進行導向工作，時刻了解該物體所處的位置。

Roney先生建議說：“這一系統遲早會在組裝生產線上得到應用，因為在組裝生產線上，組裝件總是懸掛在一條不斷運轉的傳動鏈上或是其他的材料輸送裝置上。”即使沒有得到進一步的發展，但很顯然，這種視覺伺服系統的處理能力必將不斷提高，而生產成本也必將逐步下降。在今后幾年內，采用這種組合方式可以使3D視覺技術得到更廣泛的應用。