基于3D视觉技术的机器人系统

随着科学技术的不断进步，具有类似于人类视力的机器人系统不再是科幻小说中的梦想。今后，3D视觉系统将成为机器人系统的标准附加设备，携手机器人共同打造梦幻般视觉。坐落在Mich州Rochester Hills地区的Fanuc Robotics公司的智能机器人和视觉系统部经理Edward Roney先生解释说：“采用由当今技术水平所提供的处理器，我们实上可以观察多幅图像，并对一个物体的几何形状进行实时分析。” Fanuc 公司开发了称之为iRVision的第一套工业用集成3D视觉系统，该技术已应用于所有的Fanuc R-30iA型机器人系统上。全部工艺由主机器人上的CPU单元执行，因而不会产生通信延时的现象，也需要再附加硬件。　　Iowa州Ellison Technologies Automation公司是一家机器人系统成套供应商，也是一家技术咨询公司，按照其总裁John Burg先生的说法，随着生产需求的不断提高、生产技术的不断发展以及机器人成本费用的不断增长，在今后几年中，3D视觉系统将成为机器人系统的标准附加设备。
　　John Burg先生说：“现在的生产技术正在以足够快的步伐向前发展，但价格也在不断上涨，顾客对视觉系统的易用性和灵活性要求越来越高。”Burg先生认为，Fanuc机器人和3D视觉系统应用成熟，已经在物流、焊接工艺和机床的零件装卸过程等一系列活动中携手合作，这一技术将有利于提高工作效率、降低人工劳务费用并提高产品质量。他解释说：“采用新技术和安装新设备的其中一个目的就是要长期地降低生产成本。”
　　因此，为什么3D视觉技术会越来越受到人们的青睐？因为随着其处理能力的提高，处理器和存储器的费用不断降低，编程员可以做更多的工作，不仅是拍摄一幅图像，还可以将其与相应的参考模型进行对比，而早期的大部分2D视觉图像就是建立在这一技术基础之上。
　　视觉系统的发展
　　机器人视觉系统最早应用于汽车生产线的成套车体生产机器人上。如果没有视觉系统，需要采用特殊的工具在车体上加工孔径，以便使机器人能够知道车体的具体位置。然而在视觉摄像系统开发以后，就再也不需要这类昂贵的加工工具了。机器人能够自动地确定车体的确切位置，然后通过数学方式计算出这四个孔径的位置。
　　如图2所示：用于12个组装件的零件安放在一辆小车上，每一个组装件的正确零件位于每一个插槽之中。FANUC M-16iB型机器人使用iRVision 3DL视觉系统让小车正确就位。

　　Fanuc 公司的Roney先生进一步解释说：“从很早的时候开始，我们就认识到采用视觉系统是降低工具成本的一种很好的方法。加工工具是非常昂贵的，而且是固定不变的。如果制造商需要在第二年改变车型，那么必须更新全部工具。”按照Roney先生的说法，在采用视觉技术以后，汽车制造商可以在模具和夹具制造方面每年节约几百万美元的资金。
　　视觉系统采用运算技术来识别图像，然后通过培训，教会机器人识别事物并寻找所需要的东西。图像建立在大量的像素数据基础之上，系列中的每一个像素都有一个灰度等级，然后通过运算技术分析数据。
　　机器人可以判断出图像的拍摄位置，因此能够识别物体所处的位置，然后判断其相应的尺寸、形状和质量；也可以根据图像和运算法则更改程序，例如，不同大小的零件可以采用不同的路径，零件A将在零件B应该落下的地方掉落。
　　坐落在Mich州Lansing镇的Aptura Machine Visioning公司的总裁David Dechow先生解释说：“带有视觉系统的机器人，最终将能够在任何方向上操纵任何类型的零件。”采用随机附带的摄像系统或遥控摄像机，可以获取一个物体的快速拍摄图像并找到该物体与机器人的相对位置。Ind州Ft.Wayne市Guide Engineering公司的控制工程师Jeremy Pennington先生说：“然后，该FANUC机器人可以利用这一位置数据来确定该物体所处的位置，无论将机器人移动到什么位置都可以实现。”
　　3D视觉系统的应用
　　3D视觉系统可以应用于很多领域，其中在容器中拣取零件、机床上的工件装卸以及包装和焊接领域中的应用已经取得了理想的成效。
　　1.应用于容器中的零件拣取
　　至今为止，机器人视觉系统主要应用于拣取容器中任意堆放的零件。达到这一目的需要满足三个基本要素：视觉系统、容器防碰撞以及防碰撞监测系统。需要视觉系统，这是毋庸置疑的事情，因为首先需要找到零件究竟在什么地方。然而，只依靠容器壁进行检测具有一定的局限性，因为机器人的手爪还将进一步深入到容器的底部，因此零件的拣取将会越来越困难。在容器中拣取零件所使用的造型方式完全能够理解零件的拣取工具、传感器和机械手臂本身的局限性。在这样的工作条件下，一旦当零件的位置被确定以后，机器人就开始进行自动运算，确定其是否真的能够从容器中拣取这一零件。第三个要素就是防碰撞检测。最终，机械手必然会触及到容器壁，因此它需要区分究竟是属于软接触还是硬接触，如果是硬接触可能会损坏机器人系统。
　　Fanuc公司的Roney先生说：“我们应用机器人在容器中结构性和任意性拣取零件方面已获得了巨大成功。” 所谓结构性拣取零件是指容器中的每一个零件都是正面朝上的，而任意性拣取零件是指零件在容器中是任意堆放的。Roney先生认为，后一种零件拣取方式更具有挑战性，但如果具备上述三大要素（视觉系统、容器防碰撞和防碰撞检测系统），那么一切皆可能实现。