關于工業(yè)機器人的3D視覺技術及其應用淺析

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域的應用越來越廣泛，而3D視覺作為工業(yè)機器人的“眼睛”，已成為影響工業(yè)機器人領域應用和性能的關鍵因素。如何通過3D視覺控制技術來提高工業(yè)機器人工作的精度、速度及可靠性，已成為國內外關注的焦點。本文中，筆者將通過國內外的相關專利文獻檢索，對工業(yè)機器人的3D視覺技術及其應用進行介紹。

3D技術國外分布狀況

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視覺控制技術的專利申請總量為2774項。其中該技術常用類型有：被動3D視覺技術（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、利用投影機通過結構光編碼技術實現(xiàn)3D視角重建過程的結構光3D掃描技術、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相機技術等。其中單目3D視覺技術結構簡單但精度低；而雙目和多目3D視覺技術精度較高，但算法和結構相對復雜；激光3D技術速度快，但受到激光散斑缺陷的限制，很難達到較高的精度。同時結構光3D技術精度高、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和結構光3D視覺技術的發(fā)展較為成熟，并被廣泛應用。

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技術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)那科公司在該領域的主要產品是配置在工業(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、結構光法及激光掃描法。其具有代表性的3D視覺系統(tǒng)技術是公開號為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重于通過圖像處理提高系統(tǒng)精度，如其擁有的PatMax技術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，于1997年在全球首次獲得專利授權，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。該技術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技術的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。

除了提高技術精度外，安全性也是工業(yè)機器人應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，就采用了結構光3D圖像技術，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技術國內專利布局

筆者通過中國專利文摘數(shù)據(jù)庫進行檢索發(fā)現(xiàn)，截至2018年2月2日，國內申請人在關于工業(yè)機器人3D視覺領域共提交專利申請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，該公司目前在該領域共提交了十幾件專利申請，且大多數(shù)是在近5年內提交的，如公開號為CN104511905A的專利申請中，其基于色彩條紋的結構光的視覺來引導機器人手臂運動，可使機械手臂操作模式更加準確，該技術實現(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，其采用了遺產算法與Hausdorff距離相結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。從上述技術中可以看出，中國工業(yè)機器人企業(yè)在3D視覺技術方面，特別是在3D技術應用向技術創(chuàng)新方向上所做的努力。與此同時，近幾年，國內企業(yè)除了在激光3D和結構光3D技術等較為成熟的領域進行了創(chuàng)新外，還在專利申請量較少的TOF技術上進行了改進。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的前提下，提高測距精度。

綜上所述，目前應用于工業(yè)機器人領域的3D視覺控制技術已逐漸成熟，很多重要技術來自日本、美國和歐洲等國家地區(qū)，如日本發(fā)那科公司已將3D視覺產品作為附加設備融合到自身產品中。美國視覺技術企業(yè)如康耐視公司，則更注重視覺技術本身，而歐洲視覺技術企業(yè)更專注于某一領域的應用。目前，我國的3D視覺控制技術多涉及高校的理論研究和具體的產品應用，并開始逐漸向能夠研制、生產的視覺技術產品的方向努力。我國工業(yè)機器人企業(yè)，可在某一特定應用領域，趕超并研發(fā)出具有自主知識產權的產品，讓工業(yè)機器人具備一雙“火眼金睛”。