3D机器视觉引导机器人执行任务—技术与应用频道- 视觉系统设计

Andrew Wilson

机器视觉和机器人技术正在联手推动自动化向更高的可靠性水平发展。集成这两种技术的系统，与制造自动化领域早期部署的系统截然不同。随着低成本智能相机、基于PC的图像采集卡以及模式匹配软件的问世，很多供应商和系统集成商正在将机器视觉和机器人控制系统的最佳特性很好地结合在一起。

2012年11月于德国斯图加特举行的VISION 2012展会，已经很明显地呈现出了这种趋势。展会上，多家公司都展示了基于视觉的机器人系统，用于执行各种工业自动化任务。大会上展示的很多系统均采用了3D成像技术定位和分析位于各种场景中的物体。

激光器和机器人

在VISION 2012展会上，ImagingLab公司展示了为水产品公司SINTEF开发的一套系统，用于实现切鱼片过程的自动化（见图1）。首先，当鱼沿着传送带输送时，必须要重新创建鱼的3D图像，这里采用Z-Laser公司提供的结构化激光照亮鱼的身体。然后，这种结构化激光与可见光一起，被SICK公司的3-D Ranger相机捕获。

图1：为了实现切鱼片过程的自动化，用结构化激光照亮鱼的身体。插图：被相机捕获的图像随后被用于呈现鱼的彩色图像和3D模型。

在现场演示中，结构化激光源和相机均安装在DENSO Robotics公司提供的机器人上。在这种配置中，光源和相机在静止的鱼身体上移动。

通过将ImagingLab公司的机器人库和AQSENSE公司的3D机器视觉库（MVL）结合在一起，从机器人那里捕获的图像既可呈现为3D模型，也可以呈现为彩色图像。这便可以确定鱼的大小和质量，以及如何定位切割方案来切割鱼片。目前，该系统使用结构化和彩色图像数据；未来其还有可能使用紫外（UV）和红外（IR）成像器，以提供有关鱼的质量的其他额外信息。

为了简化配置3D系统的任务，AQSENSE公司还展示了其3DExpress预处理软件。该软件专门设计用于与一些结构光系统和3D相机一起使用，允许来自这些系统和相机的数据自动生成一个3D模型、操控点云（point cloud），并最终输出结果，以致于这些结果能够被标准的第三方成像工具进一步处理，如Teledyne DALSA公司的Sherlock，或编程语言，如C++和.NET。了解更多关于3DExpress的视频指南可登录http://bit.ly/SLxmQw。

理解基于结构光的系统，可能需要在开发中进行测试。Tordivel公司在展会上发布了其Scorpion Vision软件包的最新版本Version X。该软件包括一个3D建模工具，其允许开发人员基于3D CAD模型模拟3D立体视觉。通过将被检测部分的CAD模型导入到软件包中，开发人员可以用结构化线光源模拟成像效果。这种模拟的线性光，随后再生出一个成像部分的虚拟3D模型，从而能够使开发人员在任何结构化光系统被安装之前，优化激光角度和距离。

荷兰瓦赫宁根大学食品与生物研究中心的业务开发经理Rick van de Zedde，已经在一套用于检查并分类番茄幼苗的系统中采用了3D成像技术。

在VISION 2012展会上，van de Zedde还讲述了其他已经成功实现的项目，包括一套自动采摘玫瑰的系统。首先用一套3D视觉系统测量玫瑰花的成熟度和位置。随后，这些3D位置被馈送到机器人控制器。控制器用于控制采摘机器人，而采摘机器人用于夹紧单个玫瑰。另有第二个视觉系统用于跟踪茎干，并有第二个机器人取回玫瑰。采摘下的玫瑰用一个移动槽输送。有兴趣观看该系统工作视频的读者，可登录http://bit.ly/V65iUR。

容器内物体的挑选

视觉引导的机器人的一个主要工业用途是物体挑选，即从一个容器或箱子中无序的物体中挑选出想要的物体。这样的挑选任务，为那些依靠被挑选物体类型的视觉引导机器人系统的设计者提出了全新的挑战。在JMP Engineering 公司的控制专家Kevin Ackerman进行的题为《如何实现2.5D视觉引导机器人》的网络演讲中，很好地展示了这一点。在演讲中，Ackerman展示了许多能够实现容器内物体挑选的系统，挑选的材料范围从谷物食品盒到汽车部件。该系统基于现成的相机、激光器和软件。

在VISION 2012展会上，很多公司展示这样的能力是如何实现的。MVTec Software公司与Convergent Information Technologies公司联合展示了MVTec公司的HALCON11图像处理软件和Convergent公司的AutomAPPPS路径规划软件，可以用来快速配置容器内物体挑选应用。使用该开发环境，工程师可以选择不同的机器人制造商、夹具和抓取模式，以及多种2D和3D传感器。在展会上，很多公司展示了工业机器人，这些机器人能够识别任意姿势的物体，随后并能挑选和放置这些物体（见图2）。

图2：MVTec Software 公司与Convergent Information Technologies 公司联合展示了MVTec公司的HALCON11图像处理软件和Convergent公司的AutomAPPPS路径规划软件。工业机器人可以在这些软件的帮助下识别任意姿势的物体，随后并能挑选并将物体放到合适的放置。

德国Fraunhofer制造与工程研究所也展示了视觉引导的机器人。在其展示的系统中，物体识别任务是基于软件实现的，该软件能在一个3D点云内比较几何图元的最相像性。利用Fraunhofer IPA 3-D物体识别和定位算法，大约在0.5 s内就能完成容器中具有明显几何特征的物体的挑选任务。据Fraunhofer研究所表示，一个典型的系统能够准确地定位物体，其定位精度能达到±0.5 mm。

为了检查某些镜面类物体的表面，该研究所还展示了一种相位测量技术。该技术使用漫显示（diffuse display）作为图案发生器，以照亮被测量的物体。安装了机器人后，该系统可用于测量非常大的镜面物体表面，如汽车车身面板。

如果说VISION 2012展会上最令人印象深刻的演示，也许要数Robomotive公司的展示了。该公司总经理Michael Vermeer展示了其称为“类人机器人”（humanoid robot），的机器人。该机器人与一个3-D结构光成像系统配合使用，能够从一个容器中随机地挑选机械购物车零件（见图3）。这些零件被挑选出来后，交给双叉臂机器人将其装配成一个完整的购物车车轮。有兴趣观看该系统工作视频的读者，可登录http://bit.ly/Ud6XqW。