關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的3D視覺技術(shù)及其應(yīng)用淺析

工業(yè)機(jī)器人作為我國(guó)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(jī)器人的“眼睛”，已成為影響工業(yè)機(jī)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(jī)器人工作的精度、速度及可靠性，已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。本文中，筆者將通過國(guó)內(nèi)外的相關(guān)專利文獻(xiàn)檢索，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的3D視覺技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行介紹。

3D技術(shù)國(guó)外分布狀況

通過德溫特世界專利數(shù)據(jù)庫(kù)和世界專利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)截至2018年2月2日公開的專利文獻(xiàn)進(jìn)行檢索發(fā)現(xiàn)，自1979年美國(guó)通用汽車公司提交的公開號(hào)為US4254433A“視覺運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)”的專利申請(qǐng)之后，全球涉及工業(yè)機(jī)器人3D視覺控制技術(shù)的專利申請(qǐng)總量為2774項(xiàng)。其中該技術(shù)常用類型有：被動(dòng)3D視覺技術(shù)（分為單目3D、雙目3D和多目3D，分別是用一個(gè)、兩個(gè)或兩個(gè)以上相機(jī)組成立體視覺系統(tǒng)）、通過相機(jī)捕捉投射的激光圖像實(shí)現(xiàn)立體測(cè)量的激光3D掃描技術(shù)、利用投影機(jī)通過結(jié)構(gòu)光編碼技術(shù)實(shí)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(hào)，并根據(jù)信號(hào)從發(fā)射到返回的時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量的TOF相機(jī)技術(shù)等。其中單目3D視覺技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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(dá)到較高的精度。同時(shí)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(qiáng)反射表面，TOF相機(jī)技術(shù)速度快、精度較高，但成本又相對(duì)較高。當(dāng)下，被動(dòng)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(jī)器人視覺性能的重要指標(biāo)，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(guó)等一些大型企業(yè)手中，如日本發(fā)那科公司、美國(guó)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(chǎng)的工業(yè)機(jī)器人，其所使用的機(jī)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(hào)為US6490369B1的專利申請(qǐng)，其存儲(chǔ)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(chǔ)信息中的變形圖像轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)圖像，確定真實(shí)圖像的參數(shù)并與模板參數(shù)比較，使得計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別用于機(jī)器人進(jìn)行先期操作的方盒。此外，其公開號(hào)為EP1584426A1的專利申請(qǐng)，還涉及工具中心點(diǎn)的校準(zhǔn)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(gè)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(jī)器人抓取毛坯件后，上料定位孔位置變化等問題，可自動(dòng)完成位置變化，實(shí)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(jī)器視覺中高準(zhǔn)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)，此后一系列專利文獻(xiàn)如公開號(hào)為US6856698B1“快速高精度多維圖形的定位”的專利申請(qǐng)、公開號(hào)為US6850646B1“快速高精度多維圖形的檢測(cè)”的專利申請(qǐng)、公開號(hào)為US6658145B1“快速高精度多維圖形的檢測(cè)”的專利申請(qǐng)，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(jí)別的限制。此外，該公司在2006年至2008年還提交了公開號(hào)為US2007081714A1“用于實(shí)用3D視覺系統(tǒng)的方法和設(shè)備”的專利申請(qǐng)和公開號(hào)為US2008298672A1“通過機(jī)器視覺定位三維對(duì)象的系統(tǒng)和方法”的專利申請(qǐng)，以及公開號(hào)為US2010166294A1“使用機(jī)器視覺進(jìn)行目標(biāo)的三維校準(zhǔn)的系統(tǒng)和方法”的專利申請(qǐng)。與此同時(shí)，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(zhǔn)確、實(shí)時(shí)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(yàn)證。

除了提高技術(shù)精度外，安全性也是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。德國(guó)的西克公司是一家通過3D視覺技術(shù)來提高工業(yè)機(jī)器人安全性的公司。如該公司提交的公開號(hào)為EP2380709A2的專利申請(qǐng)，就采用了結(jié)構(gòu)光3D圖像技術(shù)，在機(jī)器人與操作人員共存于某一區(qū)域中時(shí)，利用3D傳感器來確定操作人員的行動(dòng)軌跡，避免發(fā)生安全事故，進(jìn)而提供智能保障。

3D技術(shù)國(guó)內(nèi)專利布局

筆者通過中國(guó)專利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索發(fā)現(xiàn)，截至2018年2月2日，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人在關(guān)于工業(yè)機(jī)器人3D視覺領(lǐng)域共提交專利申請(qǐng)594件，多涉及3D視覺在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用，且三分之一左右為高校、科研院所申請(qǐng)。一些專注于工業(yè)機(jī)器人研發(fā)的國(guó)內(nèi)企業(yè)，已對(duì)此展開專利布局，如沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)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(qǐng)，且大多數(shù)是在近5年內(nèi)提交的，如公開號(hào)為CN104511905A的專利申請(qǐng)中，其基于色彩條紋的結(jié)構(gòu)光的視覺來引導(dǎo)機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)，可使機(jī)械手臂操作模式更加準(zhǔn)確，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人動(dòng)作速度和準(zhǔn)確性的優(yōu)化。在公開號(hào)為CN106595511A的專利申請(qǐng)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(jī)獲取圖像中被測(cè)量物體的位置信息，再移動(dòng)機(jī)器人使激光照射到被測(cè)物體上，讀取相機(jī)圖像中激光的信息，再利用三角測(cè)量的原理來測(cè)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(guó)工業(yè)機(jī)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(shí)，近幾年，國(guó)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(jìn)行了創(chuàng)新外，還在專利申請(qǐng)量較少的TOF技術(shù)上進(jìn)行了改進(jìn)。如公開號(hào)為CN106772414A的“一種提高TOF相位法測(cè)距雷達(dá)測(cè)距精度的方法”的專利申請(qǐng)，其能夠在不改變硬件技術(shù)的前提下，提高測(cè)距精度。

綜上所述，目前應(yīng)用于工業(yè)機(jī)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(guó)和歐洲等國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)工業(yè)機(jī)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(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，讓工業(yè)機(jī)器人具備一雙“火眼金睛”。