以機(jī)器視覺(jué)為揀選機(jī)器人

　　20多年來(lái)，機(jī)器視覺(jué)的開(kāi)創(chuàng)者們一直在預(yù)測(cè)什么時(shí)候能夠出現(xiàn)可以從零件箱中任意揀選零件的機(jī)械手。也就是說(shuō)利用機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)向的機(jī)械手，確定零件在一個(gè)零件箱內(nèi)或容器內(nèi)的位置，然后從一大堆胡亂堆放的零件中抓取某個(gè)零件。

　　早期開(kāi)發(fā)這一技術(shù)的人們認(rèn)為，由于隨機(jī)“零件揀選”系統(tǒng)具有高度的靈活性，因此會(huì)給制造廠節(jié)約很大的費(fèi)用，工人再也不需要裝卸來(lái)自供貨商的零件箱。在加工生產(chǎn)線上，昂貴的工裝卡具、工具及以零件為目標(biāo)的進(jìn)料器可以被隨機(jī)化“箱中揀選零件”的系統(tǒng)所取代。

　　可惜，上世紀(jì)80年代初，這一被認(rèn)為可行的技術(shù)不得不面對(duì)殘酷的現(xiàn)實(shí)。在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的“揀選”系統(tǒng)無(wú)法轉(zhuǎn)化為工廠的實(shí)際應(yīng)用。人們發(fā)現(xiàn)有時(shí)候你會(huì)碰到部分零件重疊，照明的變化也會(huì)影響到“揀選”的工作進(jìn)度。當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)在處理大量數(shù)據(jù)方面也遇到了障礙，使問(wèn)題復(fù)雜化。

　　最后，只好先研究不太復(fù)雜的二維機(jī)械手導(dǎo)向方案，即從運(yùn)動(dòng)的傳送帶上撿取單一的零件，這相對(duì)來(lái)說(shuō)比較通用。而普遍的隨機(jī)“揀選”應(yīng)用方案始終沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，直到今天這仍然是工業(yè)界的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。不過(guò)，現(xiàn)在有越來(lái)越多的跡象表明以機(jī)器視覺(jué)為導(dǎo)向的機(jī)械手“揀選”越來(lái)越接近現(xiàn)實(shí)。機(jī)械手經(jīng)銷商，包括Fanuc公司、Motman公司和Staubli公司都推出了“揀選”系統(tǒng)。

　　豐田汽車制造廠已經(jīng)在其發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工線上使用了5個(gè)機(jī)械手的“揀選”系統(tǒng)，系統(tǒng)采用ABB公司的機(jī)械手，配有三維圖像技術(shù)，該技術(shù)由Braintech 公司提供。有人說(shuō)零件全面實(shí)行隨機(jī)“揀選”方案是不切實(shí)際的，如彈簧或幾何形狀復(fù)雜的零件就不宜在早期采用“揀選”方案。相反，經(jīng)銷商更關(guān)注比較簡(jiǎn)單和幾何形狀容易識(shí)別的零件，其中包括圓柱形或圓形的零件。豐田公司的系統(tǒng)只屬于“半隨機(jī)”或“半限制”性的“揀選”系統(tǒng)，也就是說(shuō)在這些系統(tǒng)中，零件并非全部能任意抓取，零件在箱中是松散分布的。

視頻導(dǎo)向“揀選”的應(yīng)用

　　在TRW公司，當(dāng)制動(dòng)轉(zhuǎn)子鑄件從供貨商抵達(dá)工廠時(shí)，零件堆放在一起，相互之間沒(méi)有什么東西隔開(kāi)，裝運(yùn)時(shí)易于搬動(dòng)。TRW公司過(guò)去依靠人工操作，加上提升裝置協(xié)助裝卸鑄件。在某些情況下，工廠還使用非視頻裝備的零件揀選系統(tǒng)。非視頻零件揀選系統(tǒng)每抓一個(gè)零件需要20秒鐘，但由于零件在木箱中不斷變換，也許會(huì)因?yàn)樽ト∈д`，而不得不再用20秒鐘從木箱中撿取不同的零件。

　　非視頻系統(tǒng)也許對(duì)于低批量生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)效果很好，因?yàn)殍T件的抓放時(shí)間為每60秒鐘一個(gè)。但在工廠的新生產(chǎn)線上，其所允許的零件抓放周期為15秒鐘，于是不許采用一套有視頻導(dǎo)向的“揀選”系統(tǒng)。

　　JMP公司為TRW公司提供了兩套系統(tǒng)。每套系統(tǒng)配置了一套由Fanuc公司提供的Fanuc 710ib-45機(jī)械手和一臺(tái)帶有VisionPro軟件的攝像機(jī)，該機(jī)由Cognex公司提供，還配有來(lái)自Shafi公司的Reliabot軟件，由其控制著機(jī)械手/視頻之間的通信及機(jī)械手的導(dǎo)向功能。JMP公司的生產(chǎn)經(jīng)理Ken McLaughlin先生說(shuō)，Cognex公司的攝像頭安裝在機(jī)械手臂上，可用于確定零件的X和Y坐標(biāo)，機(jī)械手臂上還裝有紅外（IR）傳感器，用于尋找零件箱中某一堆零件層的高度。

　　當(dāng)操作員將裝有堆疊鑄件的零件箱放入系統(tǒng)時(shí)，觸動(dòng)起動(dòng)按鈕，機(jī)械手開(kāi)始升到一個(gè)高度，攝像頭攝取圖像，包括確定所有堆放零件的X-Y位置，然后用IR傳感器確定每一堆零件的高度，之后決定夾取順序。如果發(fā)現(xiàn)有零件的高度不正常，它會(huì)繼續(xù)探測(cè)，直至其水平與其他堆疊零件的水平一致。

　　由于采用了視頻導(dǎo)向系統(tǒng)，即使零件堆放箱傾斜了20度，機(jī)械手仍可抓取零件。經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的受動(dòng)器與隨動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，保證部分零件的朝向和角度適合于零件的夾取。被夾取的零件由機(jī)械手放到傳送器上，然后傳送到加工系統(tǒng)上，整個(gè)過(guò)程在12秒周期時(shí)間內(nèi)完成，滿足了TRW公司的15秒要求。

　　在開(kāi)發(fā)TRW系統(tǒng)的過(guò)程中，按照Mclaughlin先生的說(shuō)法將它叫做“2.5維視頻”系統(tǒng)，它能找到一個(gè)零件的X、Y和Z坐標(biāo)，同時(shí)使用端部受動(dòng)器，以使補(bǔ)償零件滾動(dòng)、節(jié)距和偏轉(zhuǎn)等變化。而三維系統(tǒng)則采用兩臺(tái)攝像機(jī)，以立體模式工作，它可以在6度的自由范圍內(nèi)確定零件的位置。

　　如果是形狀復(fù)雜的零件，如支管或變速箱零件就需要采用“半隨機(jī)”方案，在零件箱內(nèi)需要特別裝置，使零件保持一定的方向性。但圓形或圓柱形一類形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的零件，如制動(dòng)轉(zhuǎn)子，無(wú)論采用半隨機(jī)或全隨機(jī)模式都可撿取。

　　Fanuc的“揀選”技術(shù)依賴于一臺(tái)固定安裝于零件箱上方的攝像頭，通過(guò)這一攝像頭可以找到“大致位置”，鑒別和排列15個(gè)待夾取的候選件。其軟件通過(guò)匹配算法，將看到的零件從多個(gè)方向和角度與數(shù)據(jù)庫(kù)中待撿取的零件試樣進(jìn)行比較，然后找到需要夾取的零件。安裝在機(jī)械手上的一個(gè)Fanuc傳感器，用于各個(gè)零件的“精密定位”。攝像頭首先尋找X和Y坐標(biāo)位置以及零件的名稱，同時(shí)與攝像頭成一定安裝角度的激光器根據(jù)三角測(cè)量技術(shù)提供Z坐標(biāo)、偏轉(zhuǎn)和節(jié)距。機(jī)械手運(yùn)行到由“大致定位”鑒別出第一個(gè)零件，然后檢查；如果是它所看到的，機(jī)械手就夾取這一零件，如果不是，機(jī)械手再移動(dòng)到第二個(gè)零件上。

　　由于多種原因可能會(huì)造成系統(tǒng)錯(cuò)過(guò)所要撿取的零件，錯(cuò)過(guò)的越多，系統(tǒng)搜索零件所花的時(shí)間就越長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)零件不斷地精密調(diào)整后，F(xiàn)anuc系統(tǒng)隨機(jī)抓放零件所需的平均工作周期已從2002年的22秒鐘下降到今天的15秒鐘。

　　成績(jī)是肯定的，但……

　　Motoman公司已與Shafi公司在“揀選”技術(shù)的應(yīng)用方面形成了戰(zhàn)略關(guān)系，關(guān)于這一技術(shù)，人們已經(jīng)等待了很長(zhǎng)時(shí)間，但“揀選”技術(shù)并不是一劑萬(wàn)能良藥，也不是一切應(yīng)用領(lǐng)域的終極目標(biāo)。人們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到它對(duì)某些應(yīng)用領(lǐng)域是有意義的，但對(duì)其他的應(yīng)用領(lǐng)域就不一定。

　　Shafi公司也有同感。例如在某些“揀選”應(yīng)用領(lǐng)域，可靠的抓放操作需要兩個(gè)過(guò)程。你需要將零件從箱中取出來(lái)，然后放下或重新夾起，或者進(jìn)行其他的操作，總之是用機(jī)械手將零件精密地放到目標(biāo)位置上。在工廠，人們所關(guān)心的是能否將它撿取，是否能在每隔X秒鐘的時(shí)間內(nèi)使它精確就位。

　　機(jī)械手隨機(jī)“揀選”的周期時(shí)間取決于機(jī)械手的工藝流程，以及在特定的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，機(jī)械手需要移動(dòng)的距離。為了使“揀選”系統(tǒng)切實(shí)可行，必須使攝像頭在2或3秒的時(shí)間內(nèi)完成確認(rèn)。對(duì)于幾何形狀簡(jiǎn)單的零件而言，Shafi公司已經(jīng)達(dá)到了目標(biāo)，時(shí)間降低到4至6秒，主要是因?yàn)樗麄儾捎昧溯^快的處理器，算法也有所改進(jìn)。

　　從某種程度而言，“揀選”方案是否獲得成功，關(guān)鍵在于零件的不同幾何形狀和應(yīng)用要求，Shafi公司開(kāi)發(fā)的“揀選”系統(tǒng)依賴于固定安裝的攝像機(jī)、機(jī)械手上安裝的攝像機(jī)以及那些使用激光器的照明裝置。

　　另一項(xiàng)技術(shù)涉及到獲取零件的三維位置，即以很快的速度，攝取零件的2至3個(gè)圖像，每個(gè)圖像采用不同的照明，以便協(xié)助確定其三維位置。尤其是當(dāng)零件的一部分被擋住時(shí)，采用這一技術(shù)特別有效。

　　如果某種應(yīng)用領(lǐng)域允許的話，最好還是采用固定安裝的攝像機(jī)方案。在一個(gè)零件被揀取后，攝像頭將移到下一個(gè)被抓取的零件上，同時(shí)機(jī)械手抓放另一個(gè)零件。而如果是安裝在機(jī)械手上的移動(dòng)攝像頭可能會(huì)遇到被碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，如碰到零件箱或其它零件，而固定安裝的攝像頭則不用操心這個(gè)問(wèn)題。