介紹
在當(dāng)今全球化市場中，自動化對保持新興市場的高質(zhì)量水平發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也幫助發(fā)達(dá)國家降低不斷上升的人力成本。
最初，我們制造機(jī)器以實(shí)現(xiàn)一些生產(chǎn)、組裝和物料搬運(yùn)任務(wù)的自動化，但現(xiàn)在，在很多自動化任務(wù)中，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)取代了專用機(jī)器設(shè)備，機(jī)器人可以通過編程以執(zhí)行產(chǎn)品處理任務(wù)，甚至還可以轉(zhuǎn)換功能，在新工作場所執(zhí)行新的任務(wù)。
但是，和之前的工具一樣，機(jī)器人在工作中同樣無法“思考”，也不能對意料之外的情況作出反應(yīng)。產(chǎn)品每一次呈現(xiàn)在機(jī)器人面前的位置必須相同，方向保持一致，否則機(jī)器人無法順利完成任務(wù)。
近期，機(jī)器視覺技術(shù)為機(jī)器人帶來了“視覺”能力和不同環(huán)境的應(yīng)變能力?，F(xiàn)在，用視覺技術(shù)引導(dǎo)的機(jī)器人可以用二維機(jī)器視覺“武裝”自己，實(shí)現(xiàn)定位和引導(dǎo)機(jī)械臂的能力，比如在傳送帶上處理擺放位置不一致的工件。只要工件放置在平整的表面上(但尺寸和高度不能超出機(jī)器視覺相機(jī)的視界和焦距深度)，二維視覺引導(dǎo)機(jī)器人可以代替人從事反復(fù)性和存在潛在危險(xiǎn)的任務(wù)，此外，其速度和精確度也高于人的速度和精確度。
現(xiàn)在，三維機(jī)器視覺技術(shù)正將機(jī)器人生產(chǎn)帶向新的高度，實(shí)現(xiàn)更高的效率和生產(chǎn)能力。借助于大量的三維機(jī)器視覺技術(shù)，視覺引導(dǎo)機(jī)器人幾乎可以處理和組裝傳送帶、貨架、貨箱中任何尺寸和現(xiàn)狀的產(chǎn)品，甚至還可以在人的附近工作，且不對人造成安全威脅。牛肉加工、精確焊接和汽車噴漆等以前認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)自動化的任務(wù)現(xiàn)在也可以利用三維視覺引導(dǎo)機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動化，且速度更快，成本更低。
二維VS三維：邁向?qū)嵕?/STRONG>
傳送帶或工作臺本質(zhì)上是一種二維空間。如果產(chǎn)品相對較小，而且放置在平整的表面，則二維引導(dǎo)機(jī)器人解決方案是最具成本效率的一種方案。此類系統(tǒng)通常包括頂部安裝的相機(jī)，并連接到機(jī)器視覺處理系統(tǒng)。相機(jī)向下照射工作平面，可能包括一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)或選擇順應(yīng)性裝配(SCARA)機(jī)器人。這些機(jī)器人提供2-4度的自由度，非常適合二維引導(dǎo)應(yīng)用。
安裝和運(yùn)行視覺引導(dǎo)機(jī)器人應(yīng)用的第一步是對比校準(zhǔn)視覺系統(tǒng)的視覺坐標(biāo)體系和機(jī)器人的物理坐標(biāo)體系。如果兩套坐標(biāo)體系相同，則該過程就很簡單，但是鏡頭畸變、照明變化和其它因素可能影響視覺系統(tǒng)對“實(shí)景”的觀察，可能對視覺引導(dǎo)機(jī)器程序造成誤差。
將相機(jī)直接成垂直狀態(tài)放在傳送帶平面的上方并使用一種校準(zhǔn)機(jī)制(通常包括一個(gè)已知尺寸的校準(zhǔn)“目標(biāo)”)，二維視覺系統(tǒng)就可以將自己的視覺體系與機(jī)器人的物理坐標(biāo)體系對準(zhǔn)?，F(xiàn)在，機(jī)器視覺系統(tǒng)可以從傳送帶表面上的產(chǎn)品的圖像中抽取出有用的位置數(shù)據(jù)。
頂部安裝的相機(jī)將圖像發(fā)送到運(yùn)行圖像處理軟件的臺式電腦或內(nèi)嵌電腦中，以建立從機(jī)器人中心或從起始點(diǎn)到目標(biāo)對象的二維地圖。(如果工作區(qū)相對于相機(jī)的空間分辨率來說過大，則工作區(qū)域的上方需要安裝多個(gè)相機(jī)，比如，一個(gè)安裝在機(jī)器人拾起產(chǎn)品的位置、一個(gè)安裝在焊接站點(diǎn)，另一個(gè)安裝在輸出傳送帶上方。)
在每一種應(yīng)用中，機(jī)器視覺的算法(比如結(jié)合圖形對比算法)分析每個(gè)相機(jī)的圖片，并在圖片中定位對象特征，比如角、螺紋或其它明顯的表面特征。之后，通過測量從對象到傳送帶表面已知點(diǎn)的距離。
視覺系統(tǒng)可以為機(jī)器人建立一個(gè)二維地圖或一個(gè)程序路徑，包括距離機(jī)器人中心的距離和方向。這種位置通常稱之為“補(bǔ)償”，之后該數(shù)值將發(fā)送給機(jī)器人控制器，控制器將利用距離和方向信息引導(dǎo)機(jī)器人到達(dá)對象位置。這就是二維視覺引導(dǎo)機(jī)器人。
現(xiàn)在，假設(shè)工作臺上的對象不是微芯片這種只有幾毫米的小物件，無法作為二維空間的產(chǎn)品進(jìn)行處理。比如說，需要從貨架上取下隨意放置的汽車葉子板，應(yīng)該怎么辦?
在這種情況下，視覺引導(dǎo)機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)人員就不能再利用位置和方向始終相同的物件擺放平面了。在這樣的汽車零件處理應(yīng)用中，每一次處理的面板都比上一次處理的面板略遠(yuǎn)。因此，每一個(gè)面板在三維空間中的位置都相對于上一個(gè)面板的位置有所不同 ( 平移 )，還可能有不同的方向(旋轉(zhuǎn))。在最具挑戰(zhàn)性的“貨箱分揀”應(yīng)用中，零件可能緊密擺放在箱內(nèi)，且沒有結(jié)構(gòu)性包裝和襯墊物，視覺系統(tǒng)必須在三維空間內(nèi)定位零件，包括位置和方向，從而準(zhǔn)確地調(diào)整自由度為6度的鉸接機(jī)器人的行程，以便準(zhǔn)確地處理零件。
使用三維視覺引導(dǎo)機(jī)器人
機(jī)器視覺提供4種技術(shù)用于三維機(jī)器人引導(dǎo)：
? 單相機(jī)三角測量
? 立體或多相機(jī)三角測量
? 結(jié)構(gòu)光
? 飛行時(shí)間(ToF)
設(shè)計(jì)師需要理解每種解決方案的利弊，以及他們?nèi)绾斡糜诠I(yè)應(yīng)用。單相機(jī)和多相機(jī)三角測量：單相機(jī)和多相機(jī)三角測量都使用同一視界內(nèi)從不同角度拍攝的多張圖像。通常在機(jī)械臂上安裝一個(gè)相機(jī)，從而使機(jī)器人能夠帶著相機(jī)移動，拍攝多張圖片，相對于多相機(jī)三維視覺引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)，這種方法需要的時(shí)間更多，但成本更低。
同樣，使用幾何圖形搜索算法定位每個(gè)圖像中的關(guān)鍵特征。由于每幅圖像代表一個(gè)不同的角度，因此，重要特征的位置、形狀和尺寸也會有變化。通過數(shù)據(jù)分析各圖像中各種特征的變化情況，將位置、形狀和尺寸的變化與校準(zhǔn)設(shè)置時(shí)對“校準(zhǔn)目標(biāo)”進(jìn)行的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，機(jī)器視覺系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地計(jì)算出零件的三維位置和方向。系統(tǒng)對比的圖像越多，則三維數(shù)據(jù)越精確。但是，拍攝圖片量增多，處理能力將會下降。
單相機(jī)和多相機(jī)三角測量三維視覺引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)可以提供較大區(qū)域內(nèi)的精確三維位置數(shù)據(jù)，這也是為什么該技術(shù)通常用于汽車和其它耐用品行業(yè)組裝、分配和噴漆應(yīng)用的原因。
結(jié)構(gòu)光：結(jié)構(gòu)光也是利用三角測量法，結(jié)構(gòu)光帶來的準(zhǔn)確度高于傳統(tǒng)照明的單相機(jī)和多相機(jī)三維視覺引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)光解決方案使用標(biāo)準(zhǔn)燈(定時(shí)線性過濾器)或激光光線在表面上投射光線。光線為照明帶來了“結(jié)構(gòu)”，而不僅僅是整個(gè)區(qū)域的照明。
通過分析圖像(圖像顯示了投射到對象表面上的光線)并測量光線形狀的變化情況，三維視覺系統(tǒng)可以創(chuàng)建目標(biāo)對象表面的“地圖”。這種技術(shù)從一臺相機(jī)的一副圖像上生成三維數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)光三維視覺引導(dǎo)機(jī)器人的精確性隨著相機(jī)的空間分辨率和透射光密度的提高而提高，隨著工作區(qū)域尺寸的增加而降低。
結(jié)構(gòu)光三維引導(dǎo)機(jī)器人解決方案非常適用于光滑、反射性零件等不易為幾何圖形搜索算法找到表面特征的零件。這種特殊的照明為整套系統(tǒng)增加了精確度和成本，如果是相干光線，則可以提高安全顧慮。但是如果是片狀金屬物件或拋光金屬件，則結(jié)構(gòu)光就是最具成本效益的解決方案。
Time of ight飛行時(shí)間：盡管飛行時(shí)間(ToF)技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)多年，但飛行時(shí)間(ToF)相機(jī)與商用工業(yè)相機(jī)相比還是一種新相機(jī)。這種專用相機(jī)使用多種光學(xué)件以非接觸式測量光線從照明器到達(dá)目標(biāo)物件再反射回相機(jī)的時(shí)間。每一個(gè)像素構(gòu)成一個(gè)具體的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)。但是，相比于傳統(tǒng)的CCD和 CMOS工業(yè)相機(jī)，這種專用相機(jī)的像素通常較低，因此空間分辨率也較低。
對于在較大的工作空間數(shù)值精確值以毫米或厘米計(jì)算的要求， 3D VGR應(yīng)用ToF相機(jī)成為吸引人的解決方案。
著手三維視覺引導(dǎo)機(jī)器人技術(shù)
每一個(gè)視覺引導(dǎo)機(jī)器人應(yīng)用都從同一個(gè)出發(fā)點(diǎn)著手：目標(biāo)零件。用戶應(yīng)該問一些問題，包括但不限于：
? 我的零件是什么，在視覺系統(tǒng)中是什么樣子?(或大或小、反光或不反光、易碎或堅(jiān)固)
? 應(yīng)用本質(zhì)上是二維還是三維?
? 應(yīng)用需要什么類型的機(jī)器人?(沖洗或清潔室SCARA 機(jī)器人?大載荷笛卡爾坐標(biāo)?三維生產(chǎn)或物料搬運(yùn)專用鉸接式機(jī)器人?) ? 你在組裝零件時(shí)是否檢查質(zhì)量或跟蹤產(chǎn)品?(使用一個(gè)專用智能相機(jī)進(jìn)行檢查，缺陷分類或在視覺引導(dǎo)機(jī)器人解決方案中增加一個(gè)自動ID識別相機(jī))
? 我需要什么機(jī)器視覺系統(tǒng)?(二維視覺引導(dǎo)機(jī)器人的智能相機(jī)?單相機(jī)結(jié)構(gòu)光解決方案和電腦主機(jī)以調(diào)節(jié)處理能力?多相機(jī)立體方案，用于實(shí)現(xiàn)高分辨率或大范圍三維視覺引導(dǎo)機(jī)器人?)
? 我需要什么相機(jī)才能滿足用戶需求為機(jī)器人生成二維或三維補(bǔ)償數(shù)據(jù)以檢查產(chǎn)品的缺陷?(智能相機(jī)、高分辨率CCD、高幀率CMOS、頂部安裝、機(jī)器人安裝等)
? 機(jī)器視覺系統(tǒng)需要完成什么任務(wù)?對圖像處理軟件的選擇有什么影響?我需要什么電腦硬件才能避免視覺引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)降低生產(chǎn)速度?(你是否需要一種專用三維視覺引導(dǎo)機(jī)器人算法?是否需要專用于機(jī)器人控制器生產(chǎn)商的應(yīng)用程序編程接口【API】)?需要智能相機(jī)還是電腦主機(jī)?)
? 什么類型的燈光或燈光組最適合你的視覺引導(dǎo)機(jī)器人應(yīng)用?(閃光、彩色、激光等?)
我需要在機(jī)器人、視覺系統(tǒng)和工廠網(wǎng)絡(luò)之間建立什么網(wǎng)絡(luò)連接)系統(tǒng)是否連接到生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)?是否保存圖像以用于后續(xù)分析?)
? 操作員如何與視覺引導(dǎo)機(jī)器人解決方案進(jìn)行溝通? (機(jī)器人控制器或視覺系統(tǒng)上的觸摸屏、人機(jī)界面?)
與熟悉視覺引導(dǎo)機(jī)器人應(yīng)用的集成商合作，可以輕松回答這些問題，并幫助你避開常見麻煩。
比如，機(jī)器人上安裝相機(jī)需要線纜將數(shù)據(jù)從相機(jī)發(fā)送到視覺系統(tǒng)。機(jī)器人連續(xù)反復(fù)的動作可能擠壓線纜，而不恰當(dāng)?shù)木€纜可能限制機(jī)器人的運(yùn)動。
很多公司提供專為視覺引導(dǎo)機(jī)器人應(yīng)用而設(shè)計(jì)的特種“柔軟”電纜避免這種問題。機(jī)器視覺供應(yīng)商可以通過提供以太網(wǎng)供電(PoE)解決方案，將數(shù)據(jù)線和電源線融合在一條線上，減少了機(jī)器人必須安裝的線纜數(shù)量。
基礎(chǔ)上也可以幫助用戶選擇高質(zhì)量機(jī)器視覺軟件解決方案，輕松滿足機(jī)器人和視覺系統(tǒng)之間的重要校準(zhǔn)和通訊需求。比如，康耐視VisionPro的校準(zhǔn)操作不僅僅糾正所有工業(yè)相機(jī)常見的鏡頭變形和衰減問題，也能加速將視覺設(shè)備的坐標(biāo)體系與機(jī)器人的坐標(biāo)體系進(jìn)行匹配。
大部分機(jī)器人使用串行或以太網(wǎng)通訊方式與視覺系統(tǒng)進(jìn)行通訊，每個(gè)機(jī)器人控制器都對數(shù)據(jù)的通訊方式有獨(dú)特的要求。康耐視為使用標(biāo)準(zhǔn)場通訊和特殊串行通訊方式的機(jī)器人提供驅(qū)動程序，從而解決了這一問題。包括：
視覺引導(dǎo)機(jī)器人的競爭優(yōu)勢
有效利用機(jī)器人系統(tǒng)的公司可以提高生產(chǎn)能力，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低返工和浪費(fèi)，提高產(chǎn)品的幾何質(zhì)量，讓生產(chǎn)更加靠近終端市場而無需考慮是否有低價(jià)勞動力可用，降低現(xiàn)有人力成本，增加生產(chǎn)班次而無需增加雇傭員工、培訓(xùn)和加班支出，并保護(hù)從事危險(xiǎn)和反復(fù)性任務(wù)的工人。
通過專家機(jī)器視覺技術(shù)，這些公司現(xiàn)在能夠跟蹤產(chǎn)品、減少賠償、提高供應(yīng)鏈管理水平、提高質(zhì)量并提高生產(chǎn)線和流程的故障排除水平，并且通過增加二維和三維機(jī)器視覺引導(dǎo)技術(shù)，可以大幅度提高機(jī)器人自動化的應(yīng)用范圍?？偠灾曈X引導(dǎo)機(jī)器人技術(shù)可以極大地提高公司的質(zhì)量底線、節(jié)省時(shí)間、支出和資源。
（轉(zhuǎn)載）
