TI DLP®技術(shù)驅(qū)動結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)實現(xiàn)箱揀精度

在工業(yè)環(huán)境中，每天需要處理不同形狀、尺寸、材料和光學(xué)特性(如反射比、吸收等)的零件。這些零件必須以特定的方向挑選和放置，然后進行加工。將這些零件隨機從存放的環(huán)境(容器或其他)中自動挑選并放置的活動通常被稱為箱揀。但這對機器人末端執(zhí)行器(一種連接到機械臂末端的設(shè)備)提出了挑戰(zhàn)，它需要準確地知道要抓取物體的3D位置、尺寸及其想方向。為了做到在箱子外壁和箱內(nèi)其他物體周圍準確導(dǎo)航，機器人的機器視覺系統(tǒng)除了需要獲取2D相機信息外，還需要獲取深度信息。

對于箱揀來說，捕獲物體3D影像的難題可以由結(jié)構(gòu)光技術(shù)解決?；诮Y(jié)構(gòu)光技術(shù)的3D掃描儀/相機通過將一系列圖案投射到被掃描的物體上而工作，并且用相機或傳感器來捕獲圖案失真。然后三角剖分算法計算數(shù)據(jù)并輸出3D點云。圖像處理軟件(如MVTech開發(fā)的Halcon)計算物體位置和機械臂的最佳進場路線(圖1)。

圖1：使用Halcon將管接頭與其各自的3D模型進行匹配的示例(來源：MVTech開發(fā)的Halcon)

DLP技術(shù)通過安裝在半導(dǎo)體芯片頂部的微鏡矩陣(也稱為數(shù)字微鏡器件，DMD)提供高速圖案投射能力，如圖2所示。DMD上的每個像素表示投影圖像中的一個像素，并允許像素精確圖像投影。微鏡在~ 3us時可以轉(zhuǎn)換，以通過投影透鏡將入射光反射到物體上或光塊上。前者可以在投影場景中獲得明亮像素，而后者可以創(chuàng)建暗像素。DLP技術(shù)也具備獨特的優(yōu)勢，能夠使用各種光源(如燈、LED和激光)在寬波長范圍(420 nm – 2500 nm)內(nèi)投射圖案。

用于箱揀的由DLP技術(shù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)光具備多種優(yōu)勢：

抗環(huán)境光照能力強。工廠的光照條件，如低曝光和不同照明區(qū)域之間的高對比度，導(dǎo)致傳感器曝光不足或會對機器視覺系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的閃光燈，對需要機器視覺的應(yīng)用(如箱揀)來說是一大挑戰(zhàn)。由DLP技術(shù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)光本身具有主動照明，這使得它能夠抵抗這些條件。

無活動部件。結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)可以立即捕獲整個場景，不再需要將光束掃過物體或通過光束移動物體(如在掃描解決方案中)。結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)保護在宏觀尺度內(nèi)不使用活動部件，這使其能夠免受機械磨損。

實時3D圖像采集。DLP芯片中的微鏡以高速度控制，可提供高達32kHz的自定義圖案投影。除此之外，DLP控制器提供觸發(fā)輸出和輸入，可用于使相機和其他設(shè)備與投影圖案序列保持同步。這些功能有助于實現(xiàn)允許同時掃描和挑選的實時3D圖像采集。

投影圖案的高對比度和高分辨率。由于每塊微鏡可以將光反射到目標或吸收表面上，因而可以獲得高對比度，使得能夠在不受物體表面屬性影響情況下進行準確的點檢測。再加上使用具有2560 x 1600塊鏡子的高分辨率DLP芯片，可以探測到微米級的物體。

適用于物體參數(shù)。與使用衍射光學(xué)元件的系統(tǒng)相比，可編程圖案和各種點編碼方案(如相移或格雷編碼)使結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)更適合對象參數(shù)。

加快開發(fā)時間。盡管機器人提供較高的重復(fù)性，但在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，箱揀需要精確性。因為在這種環(huán)境下，每次從儲存箱中取出一個物體時，所揀選的物體的位置和方向都會發(fā)生變化。成功應(yīng)對這一挑戰(zhàn)需要可靠的工藝流程——從機器視覺到計算軟件，再到機器人的靈巧性和抓取器。使所有東西協(xié)同工作可能是一項耗費大量開發(fā)時間的挑戰(zhàn)。