了解工業(yè)機器人的3D視覺技術(shù)及其應(yīng)用狀況
工業(yè)機器人作為我國工業(yè)發(fā)展的重要支撐，如今在制造和物流等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，而3D視覺作為工業(yè)機器人的眼睛，已成為影響工業(yè)機器人領(lǐng)域應(yīng)用和性能的關(guān)鍵因素。本文通過對國內(nèi)外的相關(guān)專利文獻檢索，對工業(yè)機器人的3D視覺技術(shù)及其應(yīng)用進行了介紹。
工業(yè)機器人作為我國工業(yè)發(fā)展的重要支撐，如今在制造和物流等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，而3D視覺作為工業(yè)機器人的眼睛，已成為影響工業(yè)機器人領(lǐng)域應(yīng)用和性能的關(guān)鍵因素。如何通過3D視覺控制技術(shù)來提高工業(yè)機器人工作的精度、速度及可靠性，已成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點。本文中，筆者將通過國內(nèi)外的相關(guān)專利文獻檢索，對工業(yè)機器人的3D視覺技術(shù)及其應(yīng)用進行介紹。
3D技術(shù)國外分布狀況
通過德溫特世界專利數(shù)據(jù)庫和世界專利文摘數(shù)據(jù)庫，對截至2018年2月2日公開的專利文獻進行檢索發(fā)現(xiàn)，自1979年美國通用汽車公司提交的公開號為US4254433A視覺運動跟蹤系統(tǒng)的專利申請之后，全球涉及工業(yè)機器人3D視覺控制技術(shù)的專利申請總量為2774項。其中該技術(shù)常用類型有：被動3D視覺技術(shù)（分為單目3D、雙目3D和多目3D，分別是用一個、兩個或兩個以上相機組成立體視覺系統(tǒng)）、通過相機捕捉投射的激光圖像實現(xiàn)立體測量的激光3D掃描技術(shù)、利用投影機通過結(jié)構(gòu)光編碼技術(shù)實現(xiàn)3D視角重建過程的結(jié)構(gòu)光3D掃描技術(shù)、通過LED發(fā)射高頻光信號，并根據(jù)信號從發(fā)射到返回的時間差來實現(xiàn)距離測量的TOF相機技術(shù)等。其中單目3D視覺技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單但精度低；而雙目和多目3D視覺技術(shù)精度較高，但算法和結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜；激光3D技術(shù)速度快，但受到激光散斑缺陷的限制，很難達到較高的精度。同時結(jié)構(gòu)光3D技術(shù)精度高、速度快，卻無法用于透明、黑色或強反射表面，TOF相機技術(shù)速度快、精度較高，但成本又相對較高。當下，被動3D、激光3D和結(jié)構(gòu)光3D視覺技術(shù)的發(fā)展較為成熟，并被廣泛應(yīng)用。
精度是衡量工業(yè)機器人視覺性能的重要指標，目前很多提高視覺精度的基礎(chǔ)技術(shù)和核心專利都掌握在日本、美國等一些大型企業(yè)手中，如日本發(fā)那科公司、美國康耐視公司等。
發(fā)那科公司在該領(lǐng)域的主要產(chǎn)品是配置在工業(yè)現(xiàn)場的工業(yè)機器人，其所使用的機器視覺系統(tǒng)包括立體視覺法、結(jié)構(gòu)光法及激光掃描法。其具有代表性的3D視覺系統(tǒng)技術(shù)是公開號為US6490369B1的專利申請，其存儲有具備ID參數(shù)及鏡頭確定位置信息的方盒模板，它將存儲信息中的變形圖像轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸崍D像，確定真實圖像的參數(shù)并與模板參數(shù)比較，使得計算機能夠識別用于機器人進行先期操作的方盒。此外，其公開號為EP1584426A1的專利申請，還涉及工具中心點的校準系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)那科公司還于2006年研發(fā)了fanuciRVision3DL視覺系統(tǒng)，該視覺系統(tǒng)由一個安裝于地面上的3D激光傳感器來完成視覺數(shù)據(jù)采集，該技術(shù)解決了機器人抓取毛坯件后，上料定位孔位置變化等問題，可自動完成位置變化，實現(xiàn)高精度上料。
康耐視公司則主要側(cè)重于通過圖像處理提高系統(tǒng)精度，如其擁有的PatMax技術(shù)作為機器視覺中高準確度、高速度、高處理量的物體定位技術(shù)，于1997年在全球首次獲得專利授權(quán)，KUKA機器人維修，此后一系列專利文獻如公開號為US6856698B1快速高精度多維圖形的定位的專利申請、公開號為US6850646B1快速高精度多維圖形的檢測的專利申請、公開號為US6658145B1快速高精度多維圖形的檢測的專利申請，均涉及PatMax技術(shù)。該技術(shù)采用一系列不依賴于像素網(wǎng)格的邊界曲線而獲取物體的幾何形狀，隨后在圖像中尋找與其相似的圖像，這種技術(shù)最顯著的特征在于不受特定灰度級別的限制。此外，該公司在2006年至2008年還提交了公開號為US2007081714A1用于實用3D視覺系統(tǒng)的方法和設(shè)備的專利申請和公開號為US2008298672A1通過機器視覺定位三維對象的系統(tǒng)和方法的專利申請，以及公開號為US2010166294A1使用機器視覺進行目標的三維校準的系統(tǒng)和方法的專利申請。與此同時，該公司于2011年5月推出了以這些專利為基礎(chǔ)技術(shù)的VisionPro3D軟件系統(tǒng)，能夠提供準確、實時的定位3D位置信息，還可應(yīng)用于汽車等精密制造業(yè)中的裝卸、打包和組裝驗證。
除了提高技術(shù)精度外，安全性也是工業(yè)機器人應(yīng)用中一項非常重要的指標。德國的西克公司是一家通過3D視覺技術(shù)來提高工業(yè)機器人安全性的公司。如該公司提交的公開號為EP2380709A2的專利申請，就采用了結(jié)構(gòu)光3D圖像技術(shù)，在機器人與操作人員共存于某一區(qū)域中時，利用3D傳感器來確定操作人員的行動軌跡，避免發(fā)生安全事故，進而提供智能保障。
3D技術(shù)國內(nèi)專利布局
筆者通過中國專利文摘數(shù)據(jù)庫進行檢索發(fā)現(xiàn)，KUKA機器人示教器維修，截至2018年2月2日，國內(nèi)申請人在關(guān)于工業(yè)機器人3D視覺領(lǐng)域共提交專利申請594件，多涉及3D視覺在工業(yè)機器人上的應(yīng)用，且三分之一左右為高校、科研院所申請。一些專注于工業(yè)機器人研發(fā)的國內(nèi)企業(yè)，已對此展開專利布局，如沈陽新松機器人自動化股份有限公司，該公司目前在該領(lǐng)域共提交了十幾件專利申請，KUKA機器人維修，且大多數(shù)是在近5年內(nèi)提交的，如公開號為CN104511905A的專利申請中，其基于色彩條紋的結(jié)構(gòu)光的視覺來引導(dǎo)機器人手臂運動，可使機械手臂操作模式更加準確，該技術(shù)實現(xiàn)了機器人動作速度和準確性的優(yōu)化。在公開號為CN106595511A的專利申請中，其采用了遺產(chǎn)算法與Hausdorff距離相結(jié)合的圖像匹配方法找到相機獲取圖像中被測量物體的位置信息，再移動機器人使激光照射到被測物體上，讀取相機圖像中激光的信息，再利用三角測量的原理來測量物體的三維信息的技術(shù)。從上述技術(shù)中可以看出，中國工業(yè)機器人企業(yè)在3D視覺技術(shù)方面，特別是在3D技術(shù)應(yīng)用向技術(shù)創(chuàng)新方向上所做的努力。與此同時，近幾年，國內(nèi)企業(yè)除了在激光3D和結(jié)構(gòu)光3D技術(shù)等較為成熟的領(lǐng)域進行了創(chuàng)新外，還在專利申請量較少的TOF技術(shù)上進行了改進。如公開號為CN106772414A的一種提高TOF相位法測距雷達測距精度的方法的專利申請，其能夠在不改變硬件技術(shù)的前提下，提高測距精度。
綜上所述，目前應(yīng)用于工業(yè)機器人領(lǐng)域的3D視覺控制技術(shù)已逐漸成熟，很多重要技術(shù)來自日本、美國和歐洲等國家地區(qū)，如日本發(fā)那科公司已將3D視覺產(chǎn)品作為附加設(shè)備融合到自身產(chǎn)品中。美國視覺技術(shù)企業(yè)如康耐視公司，則更注重視覺技術(shù)本身，而歐洲視覺技術(shù)企業(yè)更專注于某一領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，我國的3D視覺控制技術(shù)多涉及高校的理論研究和具體的產(chǎn)品應(yīng)用，并開始逐漸向能夠研制、生產(chǎn)的視覺技術(shù)產(chǎn)品的方向努力。我國工業(yè)機器人企業(yè)，可在某一特定應(yīng)用領(lǐng)域，趕超并研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，讓工業(yè)機器人具備一雙火眼金睛。