“中國(guó)制造2025”概念是在“互聯(lián)網(wǎng)+”的大背景下提出的，其核心環(huán)節(jié)之一就是機(jī)器人智能化。視覺(jué)技術(shù)代表了機(jī)器的眼睛和大腦，機(jī)器視覺(jué)將使得機(jī)器人智能化變成現(xiàn)實(shí)。基于此，視覺(jué)龍?jiān)趪?guó)內(nèi)機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域率先提出“機(jī)械手+”概念，利用“機(jī)械手+3D視覺(jué)”方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手3D視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)，能幫助機(jī)器人/機(jī)械手產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化功能，從而達(dá)到“中國(guó)制造2025”的要求。

機(jī)器人3D視覺(jué)引導(dǎo)解決方案的組成

機(jī)器人3D視覺(jué)引導(dǎo)解決方案主要由3D圖像采集方案、3D圖像處理方案、手眼標(biāo)定方案以及機(jī)器人控制方案組成。

由于機(jī)器人控制技術(shù)與機(jī)器人品牌不同而不同，因此，本文暫不對(duì)機(jī)器人控制技術(shù)做討論，主要介紹3D圖像采集方案、3D圖像處理處理方案和手眼標(biāo)定方案。

3D圖像采集方案

3D圖像采集方案分為Eye-in-Hand方式和Eye-to-Hand方式兩種。

Eye-in-Hand方式：3D相機(jī)安裝在機(jī)械手上，操作機(jī)械手按照預(yù)先設(shè)定的軌跡帶動(dòng)3D相機(jī)對(duì)被測(cè)物進(jìn)行掃描。被測(cè)物需要在3D相機(jī)的視野范圍(FOV)和測(cè)量范圍(MR)內(nèi)。

Eye-to-Hand方式：3D相機(jī)安裝在機(jī)械手附近的龍門(mén)架上，龍門(mén)架帶動(dòng)3D相機(jī)對(duì)被測(cè)物進(jìn)行掃描。被測(cè)物需要在3D相機(jī)的視野范圍(FOV)和測(cè)量范圍(MR)內(nèi)。

除了以上安裝方式的不同，3D采集方案根據(jù)3D成像原理的不同，又分為被動(dòng)光雙目、主動(dòng)光雙目、激光三角測(cè)量法、結(jié)構(gòu)光原理、TOF原理等采集方式。

被動(dòng)光雙目立體視覺(jué)

被動(dòng)光雙目視覺(jué)由兩只面陣/線陣相機(jī)、光源組成，兩只相機(jī)拍攝相同位置，利用視差圖，可以計(jì)算出物體的高度。可以由2只面陣/線陣相機(jī)從不同角度同事拍攝物體，也可以是1只面陣/線陣相機(jī)不同時(shí)刻，從不同角度拍攝物體。

被動(dòng)光雙目的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需相機(jī)與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以拍攝大視野的范圍。缺點(diǎn)是當(dāng)被測(cè)物表面對(duì)比度較差時(shí)，無(wú)法識(shí)別到物體，就無(wú)法得到物體的3D信息。另外，被動(dòng)光雙目要求每只相機(jī)的識(shí)別精度較高，否則單只相機(jī)的識(shí)別誤差，會(huì)在雙目中放大該誤差。由于這些限制，被動(dòng)光雙目在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域使用比較局限。

為了拓寬視野范圍，消除盲區(qū)，也可以把被動(dòng)光雙目技術(shù)拓寬為被動(dòng)光多目。

主動(dòng)光雙目立體視覺(jué)

為了彌補(bǔ)被動(dòng)光雙目的缺點(diǎn)，工程師對(duì)被測(cè)物打一些紋理光作為輔助。如打一些隨機(jī)點(diǎn)。

主動(dòng)光雙目的原理與被動(dòng)光雙目一樣，也是根據(jù)兩只相機(jī)的像差來(lái)完成。由于主動(dòng)光源可以更好為被測(cè)物增加紋理，因此可以增強(qiáng)此種采集方案的通用性。

激光三角測(cè)量法原理

這種原理的視覺(jué)技術(shù)主要包括2D相機(jī)、鏡頭、激光器、標(biāo)定算法等內(nèi)容。主要利用2D相機(jī)中拍攝到的激光線形變，通過(guò)三角公式即可獲取被測(cè)物的高度信息。

激光三角測(cè)量法的安裝方法是一個(gè)重要影響因素，目前市場(chǎng)上流行的方法是激光線直射被測(cè)物，2D相機(jī)與激光器成一定角度(即測(cè)量角)拍攝。

2D相機(jī)的分辨率、安裝的測(cè)量角都會(huì)影響到Z向分辨率。2D相機(jī)分辨率越大，Z向分辨率就越大，但由于輸出了過(guò)多的無(wú)用數(shù)據(jù)，會(huì)影響到掃描速度的提高;測(cè)量角越大，Z向分辨率也越大，但盲區(qū)也會(huì)越大。因此，搭建3D視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮被測(cè)物實(shí)際情況，選擇合適的相機(jī)和安裝方法。

除2D相機(jī)和測(cè)量角外，激光器的光束質(zhì)量也是影響測(cè)量精度的主要因素。選擇一個(gè)非高斯光束和均勻度好的激光器，對(duì)于提高測(cè)量精度非常重要。

激光三角測(cè)量法原理視覺(jué)技術(shù)特點(diǎn)是：可同時(shí)獲得X和Z向信息，相機(jī)與被測(cè)物之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)可得到Y(jié)向信息，適合測(cè)量近距離、小視野、高速、高精度的場(chǎng)合。

結(jié)構(gòu)光原理

結(jié)構(gòu)光原理的3D相機(jī)由相機(jī)和投影儀組成。投影儀投射出一系列條紋光，條紋光按照編碼進(jìn)行變換，相機(jī)拍攝到條紋后，最終解算出物體的3D信息。為了消除盲區(qū)，結(jié)構(gòu)光原理的3D相機(jī)一般會(huì)采用2只相機(jī)和1個(gè)投影儀的方式搭建。

其特點(diǎn)是：相機(jī)與被測(cè)物之間必須相對(duì)靜止，精度高，但采集時(shí)間較長(zhǎng)。

TOF原理

TOF原理的相機(jī)是利用光飛行的時(shí)間差來(lái)獲取物體的高度。可用于大視野、遠(yuǎn)距離、低精度、低成本的3D圖像采集。

其特點(diǎn)是：檢測(cè)速度快，視野范圍較大，工作距離遠(yuǎn)，價(jià)格便宜，但精度低，易受環(huán)境光的干擾。因此一般在戶(hù)內(nèi)使用。

3D圖像處理方案

當(dāng)前，機(jī)器人3D視覺(jué)在自動(dòng)化焊接、自動(dòng)化切割、自動(dòng)化裝配、自動(dòng)化抓取、自動(dòng)化碼垛等應(yīng)用較多，一般要求圖像處理能識(shí)別物體的位姿或者物體邊緣的3D坐標(biāo)。因此，對(duì)于3D圖像處理技術(shù)要解決的問(wèn)題有2個(gè)，物體識(shí)別和邊緣輪廓提取。可采用以下方式來(lái)解決此問(wèn)題。

手眼標(biāo)定方案

手眼標(biāo)定的技術(shù)要解決圖像坐標(biāo)與機(jī)器人坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。根據(jù)Eye-in-Hand方式和Eye-to-Hand方式的不同，標(biāo)定方法稍有不同，但最終是把被測(cè)物相對(duì)于相機(jī)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成被測(cè)物相對(duì)于工具坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

從圖像中得到物體坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系之間的仿射關(guān)系，再根據(jù)手眼標(biāo)定關(guān)系——也就是相機(jī)坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系之間的仿射關(guān)系，可以獲取到物體坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系之間的仿射關(guān)系，進(jìn)一步提取機(jī)械手可識(shí)別的位姿信息來(lái)進(jìn)行引導(dǎo)。

從圖像中得到物體坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系之間的仿射關(guān)系，再根據(jù)手眼標(biāo)定關(guān)系——也就是相機(jī)坐標(biāo)系和基坐標(biāo)系之間的仿射關(guān)系，以及基坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系之間的關(guān)系(后一種可由機(jī)器人內(nèi)部轉(zhuǎn)換)，可以獲取到物體坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系之間的仿射關(guān)系，進(jìn)一步提取機(jī)械手可識(shí)別的位姿信息來(lái)進(jìn)行引導(dǎo)。