3D視覺技術(shù)攜手機(jī)器人打造夢(mèng)幻視覺

上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，具有類似于人類視力的機(jī)器人系統(tǒng)不再是科幻小說(shuō)中的夢(mèng)想。今后，3D視覺系統(tǒng)將成為機(jī)器人系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)附加設(shè)備，攜手機(jī)器人共同打造夢(mèng)幻般視覺。

坐落在美國(guó)Mich州Rochester Hills地區(qū)的Fanuc Robotics公司的智能機(jī)器人和視覺系統(tǒng)部經(jīng)理Edward Roney先生解釋說(shuō)：“采用由當(dāng)今技術(shù)水平所提供的處理器，我們實(shí)際上可以觀察多幅圖像，并對(duì)一個(gè)物體的幾何形狀進(jìn)行實(shí)時(shí)分析?！盕anuc公司開發(fā)了稱之為iRVision的第一套工業(yè)用集成3D視覺系統(tǒng)，該技術(shù)已應(yīng)用于所有的Fanuc R-30iA型機(jī)器人系統(tǒng)上。

全部工藝由主機(jī)器人上的CPU單元執(zhí)行，因而不會(huì)產(chǎn)生通信延時(shí)的現(xiàn)象，也不需要再附加硬件。

圖1 一套帶有iRVision 3DL視覺系統(tǒng)的FANUC M-710iC/50型機(jī)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(cè)站檢驗(yàn)誤差，然后再放到輸送臺(tái)上。

Lowa州Ellison Technologies Automation公司是一家機(jī)器人系統(tǒng)成套供應(yīng)商，也是一家技術(shù)咨詢公司，按照其總裁John Burg先生的說(shuō)法，隨著生產(chǎn)需求的不斷提高、生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展以及機(jī)器人成本費(fèi)用的不斷增長(zhǎng)，在今后幾年中，3D視覺系統(tǒng)將成為機(jī)器人系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)附加設(shè)備。

John Burg先生說(shuō)：“現(xiàn)在的生產(chǎn)技術(shù)正在以足夠快的步伐向前發(fā)展，但價(jià)格也在不斷上漲，顧客對(duì)視覺系統(tǒng)的易用性和靈活性要求越來(lái)越高。”Burg先生認(rèn)為，F(xiàn)anuc機(jī)器人和3D視覺系統(tǒng)應(yīng)用成熟，已經(jīng)在物流、焊接工藝和機(jī)床的零件裝卸過(guò)程等一系列活動(dòng)中攜手合作，這一技術(shù)將有利于提高工作效率、降低人工勞務(wù)費(fèi)用并提高產(chǎn)品質(zhì)量。他解釋說(shuō)：“采用新技術(shù)和安裝新設(shè)備的其中一個(gè)目的就是要長(zhǎng)期地降低生產(chǎn)成本?！?/p>

因此，為什么3D視覺技術(shù)會(huì)越來(lái)越受到人們的青睞？因?yàn)殡S著其處理能力的提高，處理器和存儲(chǔ)器的費(fèi)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(yīng)的參考模型進(jìn)行對(duì)比，而早期的大部分2D視覺圖像就是建立在這一技術(shù)基礎(chǔ)之上。

1 視覺系統(tǒng)的發(fā)展

機(jī)器人視覺系統(tǒng)最早應(yīng)用于汽車生產(chǎn)線的成套車體生產(chǎn)機(jī)器人上。如果沒有視覺系統(tǒng)，需要采用特殊的工具在車體上加工孔徑，以便使機(jī)器人能夠知道車體的具體位置。然而在視覺攝像系統(tǒng)開發(fā)以后，就再也不需要這類昂貴的加工工具了。機(jī)器人能夠自動(dòng)地確定車體的確切位置，然后通過(guò)數(shù)學(xué)方式計(jì)算出這四個(gè)孔徑的位置。

Fanuc公司的Roney先生進(jìn)一步解釋說(shuō)：“從很早的時(shí)候開始，我們就認(rèn)識(shí)到采用視覺系統(tǒng)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?！卑凑誖oney先生的說(shuō)法，在采用視覺技術(shù)以后，汽車制造商可以在模具和夾具制造方面每年節(jié)約幾百萬(wàn)美元的資金。

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

2 視覺系統(tǒng)的工作原理

視覺系統(tǒng)采用運(yùn)算技術(shù)來(lái)識(shí)別圖像，然后通過(guò)培訓(xùn)，教會(huì)機(jī)器人識(shí)別事物并尋找所需要的東西。圖像建立在大量的像素?cái)?shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，系列中的每一個(gè)像素都有一個(gè)灰度等級(jí)，然后通過(guò)運(yùn)算技術(shù)分析數(shù)據(jù)。

機(jī)器人可以判斷出圖像的拍攝位置，因此能夠識(shí)別物體所處的位置，然后判斷其相應(yīng)的尺寸、形狀和質(zhì)量；也可以根據(jù)圖像和運(yùn)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(yīng)該落下的地方掉落。

坐落在Mich州Lansing鎮(zhèn)的Aptura Machine Visioning公司的總裁David Dechow先生解釋說(shuō)：“帶有視覺系統(tǒng)的機(jī)器人，最終將能夠在任何方向上操縱任何類型的零件?！辈捎秒S機(jī)附帶的攝像系統(tǒng)或遙控?cái)z像機(jī)，可以獲取一個(gè)物體的快速拍攝圖像并找到該物體與機(jī)器人的相對(duì)位置。Ind州Ft.Wayne市Guide Engineering公司的控制工程師Jeremy Pennington先生說(shuō)：“然后，該FANUC機(jī)器人可以利用這一位置數(shù)據(jù)來(lái)確定該物體所處的位置，無(wú)論將機(jī)器人移動(dòng)到什么位置都可以實(shí)現(xiàn)?！?/p>

3 3D視覺系統(tǒng)的應(yīng)用

3D視覺系統(tǒng)可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，其中在容器中揀取零件、機(jī)床上的工件裝卸以及包裝和焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)取得了理想的成效。

3.1 應(yīng)用于容器中的零件揀取

至今為止，機(jī)器人主要應(yīng)用于揀取容器中任意堆放的零件。達(dá)到這一目的需要滿足三個(gè)基本要素：視覺系統(tǒng)、容器防碰撞以及防碰撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。需要視覺系統(tǒng)，這是毋庸置疑的事情，因?yàn)槭紫刃枰业搅慵烤乖谑裁吹胤?。然而，只依靠容器壁進(jìn)行檢測(cè)具有一定的局限性，因?yàn)闄C(jī)器人的手爪還將進(jìn)一步深入到容器的底部，因此零件的揀取將會(huì)越來(lái)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(jī)械手臂本身的局限性。在這樣的工作條件下，一旦當(dāng)零件的位置被確定以后，機(jī)器人就開始進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算，確定其是否真的能夠從容器中揀取這一零件。第三個(gè)要素就是防碰撞檢測(cè)。最終，機(jī)械手必然會(huì)觸及到容器壁，因此它需要區(qū)分究竟是屬于軟接觸還是硬接觸，如果是硬接觸可能會(huì)損壞機(jī)器人系統(tǒng)。

Fanuc公司的Roney先生說(shuō)：“我們應(yīng)用機(jī)器人在容器中結(jié)構(gòu)性和任意性揀取零件方面已獲得了巨大成功?！?所謂結(jié)構(gòu)性揀取零件是指容器中的每一個(gè)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(rèn)為，后一種零件揀取方式更具有挑戰(zhàn)性，但如果具備上述三大要素（視覺系統(tǒng)、容器防碰撞和防碰撞檢測(cè)系統(tǒng)），那么一切皆可能實(shí)現(xiàn)。

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

3.2 應(yīng)用于機(jī)床上的工件裝卸

Ellison Technologies公司的Burg先生說(shuō)：“在許多應(yīng)用領(lǐng)域中，在揀取零件以后，直接將其安裝到機(jī)床上進(jìn)行加工。在大部分情況下，該機(jī)床的夾具系統(tǒng)不允許機(jī)器人的零件安裝位置出現(xiàn)任何差錯(cuò)。”因此，零件的精確就位對(duì)零件的夾緊系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的。

機(jī)器人能夠確定圖像拍攝的位置，因此能夠識(shí)別物體所處的位置，然后對(duì)該物體的大小、類型和質(zhì)量作出相應(yīng)的判斷。

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

圖4 FANUC LR Mate 200iC型機(jī)器人系統(tǒng)正在對(duì)來(lái)自智能零件輸送器輸送的各種大小和形狀的螺栓進(jìn)行分類和自動(dòng)揀取。

圖5 FANUC R-2000iA機(jī)器人系統(tǒng)正在對(duì)來(lái)自傳輸帶的金屬零件進(jìn)行視覺選取。

3.3 應(yīng)用于包裝領(lǐng)域

視覺技術(shù)對(duì)包裝應(yīng)用領(lǐng)域也是十分關(guān)鍵的。例如食品往往需要通過(guò)輸送機(jī)或滑塊裝置輸送到食品揀取區(qū)域，因此不存在重復(fù)定位的問題。但事實(shí)上，由于食品處在不同的位置上，因此需要有一個(gè)重新調(diào)整方向和揀取的過(guò)程，然后將其放入到包裝箱中。而視覺系統(tǒng)能夠幫助機(jī)器人找到相應(yīng)的食品，并根據(jù)要求完成包裝任務(wù)。

3.4 應(yīng)用于焊接領(lǐng)域

在進(jìn)行焊接的時(shí)候，機(jī)器人可以利用視覺系統(tǒng)，以適應(yīng)兩個(gè)焊接元件之間的微妙變化。即使在點(diǎn)焊應(yīng)用領(lǐng)域，也可利用視覺技術(shù)校正誤差。

4 系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用

Ellison Technologies Automation公司安裝了一套帶有3D視覺技術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)，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(gè)桶里，再輸送到一個(gè)裝有機(jī)器人的工作室內(nèi)，利用焊接技術(shù)，在板材上敷焊一層硬質(zhì)材料，使其具有較長(zhǎng)的使用壽命。

Burg先生解釋說(shuō)：“焊接工藝可能會(huì)污染夾鉗。如果夾鉗碰到新的零件，那么這個(gè)零件就會(huì)受到污染?！痹诓捎靡曈X技術(shù)前，不得不采用手工的方式進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在，每一個(gè)零件上的各個(gè)位置都可以進(jìn)行驗(yàn)證?！霸摷夹g(shù)允許機(jī)器人通過(guò)3D攝像系統(tǒng)來(lái)顯示整個(gè)零件的狀況，”Burg先生繼續(xù)說(shuō)，“它允許在沒有人工干預(yù)的情況下操作運(yùn)行?！?/p>

在采用視覺技術(shù)之前的10年時(shí)間里，該公司擁有4套Fanuc機(jī)器人系統(tǒng)，至少有一套機(jī)器人系統(tǒng)經(jīng)常需要人工進(jìn)行調(diào)節(jié)。現(xiàn)在，該公司只需要3套機(jī)器人系統(tǒng)，就能完成同樣的工作量，而且很少需要進(jìn)行人工干預(yù)。

5 3D視覺系統(tǒng)的未來(lái)

在生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低和采用更強(qiáng)大系統(tǒng)的情況下，未來(lái)的機(jī)器人3D視覺系統(tǒng)將會(huì)發(fā)生什么樣的變化呢？

Fanuc公司的Roney先生回答說(shuō)：“可能將會(huì)進(jìn)入到更令人感興趣的所謂視覺伺服系統(tǒng)。到目前為止，我們所考慮應(yīng)用的視覺系統(tǒng)只通過(guò)某一個(gè)點(diǎn)來(lái)及時(shí)尋找一個(gè)物體。”然而，零件往往處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，采用單點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)快速攝像可能效果不佳；而采用視覺伺服系統(tǒng)可以繼續(xù)獲得有關(guān)物體位置的多種信息。這一系統(tǒng)允許機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)向工作，時(shí)刻了解該物體所處的位置。

Roney先生建議說(shuō)：“這一系統(tǒng)遲早會(huì)在組裝生產(chǎn)線上得到應(yīng)用，因?yàn)樵诮M裝生產(chǎn)線上，組裝件總是懸掛在一條不斷運(yùn)轉(zhuǎn)的傳動(dòng)鏈上或是其他的材料輸送裝置上。”即使沒有得到進(jìn)一步的發(fā)展，但很顯然，這種視覺伺服系統(tǒng)的處理能力必將不斷提高，而生產(chǎn)成本也必將逐步下降。在今后幾年內(nèi)，采用這種組合方式可以使3D視覺技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。