关于工业机器人的3D视觉技术及其应用浅析

工业机器人作为我国工业发展的重要支撑，如今在制造和物流等领域的应用越来越广泛，而3D视觉作为工业机器人的“眼睛”，已成为影响工业机器人领域应用和性能的关键因素。如何通过3D视觉控制技术来提高工业机器人工作的精度、速度及可靠性，已成为国内外关注的焦点。本文中，笔者将通过国内外的相关专利文献检索，对工业机器人的3D视觉技术及其应用进行介绍。

3D技术国外分布状况

通过德温特世界专利数据库和世界专利文摘数据库，对截至2018年2月2日公开的专利文献进行检索发现，自1979年美国通用汽车公司提交的公开号为US4254433A“视觉运动跟踪系统”的专利申请之后，全球涉及工业机器人3D视觉控制技术的专利申请总量为2774项。其中该技术常用类型有：被动3D视觉技术（分为单目3D、双目3D和多目3D，分别是用一个、两个或两个以上相机组成立体视觉系统）、通过相机捕捉投射的激光图像实现立体测量的激光3D扫描技术、利用投影机通过结构光编码技术实现3D视角重建过程的结构光3D扫描技术、通过LED发射高频光信号，并根据信号从发射到返回的时间差来实现距离测量的TOF相机技术等。其中单目3D视觉技术结构简单但精度低；而双目和多目3D视觉技术精度较高，但算法和结构相对复杂；激光3D技术速度快，但受到激光散斑缺陷的限制，很难达到较高的精度。同时结构光3D技术精度高、速度快，却无法用于透明、黑色或强反射表面，TOF相机技术速度快、精度较高，但成本又相对较高。当下，被动3D、激光3D和结构光3D视觉技术的发展较为成熟，并被广泛应用。

精度是衡量工业机器人视觉性能的重要指标，目前很多提高视觉精度的基础技术和核心专利都掌握在日本、美国等一些大型企业手中，如日本发那科公司、美国康耐视公司等。

发那科公司在该领域的主要产品是配置在工业现场的工业机器人，其所使用的机器视觉系统包括立体视觉法、结构光法及激光扫描法。其具有代表性的3D视觉系统技术是公开号为US6490369B1的专利申请，其存储有具备ID参数及镜头确定位置信息的方盒模板，它将存储信息中的变形图像转变为真实图像，确定真实图像的参数并与模板参数比较，使得计算机能够识别用于机器人进行先期操作的方盒。此外，其公开号为EP1584426A1的专利申请，还涉及工具中心点的校准系统。在此基础上，发那科公司还于2006年研发了fanuciRVision3DL视觉系统，该视觉系统由一个安装于地面上的3D激光传感器来完成视觉数据采集，该技术解决了机器人抓取毛坯件后，上料定位孔位置变化等问题，可自动完成位置变化，实现高精度上料。

康耐视公司则主要侧重于通过图像处理提高系统精度，如其拥有的PatMax技术作为机器视觉中高准确度、高速度、高处理量的物体定位技术，于1997年在全球首次获得专利授权，此后一系列专利文献如公开号为US6856698B1“快速高精度多维图形的定位”的专利申请、公开号为US6850646B1“快速高精度多维图形的检测”的专利申请、公开号为US6658145B1“快速高精度多维图形的检测”的专利申请，均涉及PatMax技术。该技术采用一系列不依赖于像素网格的边界曲线而获取物体的几何形状，随后在图像中寻找与其相似的图像，这种技术最显著的特征在于不受特定灰度级别的限制。此外，该公司在2006年至2008年还提交了公开号为US2007081714A1“用于实用3D视觉系统的方法和设备”的专利申请和公开号为US2008298672A1“通过机器视觉定位三维对象的系统和方法”的专利申请，以及公开号为US2010166294A1“使用机器视觉进行目标的三维校准的系统和方法”的专利申请。与此同时，该公司于2011年5月推出了以这些专利为基础技术的VisionPro3D软件系统，能够提供准确、实时的定位3D位置信息，还可应用于汽车等精密制造业中的装卸、打包和组装验证。

除了提高技术精度外，安全性也是工业机器人应用中一项非常重要的指标。德国的西克公司是一家通过3D视觉技术来提高工业机器人安全性的公司。如该公司提交的公开号为EP2380709A2的专利申请，就采用了结构光3D图像技术，在机器人与操作人员共存于某一区域中时，利用3D传感器来确定操作人员的行动轨迹，避免发生安全事故，进而提供智能保障。

3D技术国内专利布局

笔者通过中国专利文摘数据库进行检索发现，截至2018年2月2日，国内申请人在关于工业机器人3D视觉领域共提交专利申请594件，多涉及3D视觉在工业机器人上的应用，且三分之一左右为高校、科研院所申请。一些专注于工业机器人研发的国内企业，已对此展开专利布局，如沈阳新松机器人自动化股份有限公司，该公司目前在该领域共提交了十几件专利申请，且大多数是在近5年内提交的，如公开号为CN104511905A的专利申请中，其基于色彩条纹的结构光的视觉来引导机器人手臂运动，可使机械手臂操作模式更加准确，该技术实现了机器人动作速度和准确性的优化。在公开号为CN106595511A的专利申请中，其采用了遗产算法与Hausdorff距离相结合的图像匹配方法找到相机获取图像中被测量物体的位置信息，再移动机器人使激光照射到被测物体上，读取相机图像中激光的信息，再利用三角测量的原理来测量物体的三维信息的技术。从上述技术中可以看出，中国工业机器人企业在3D视觉技术方面，特别是在3D技术应用向技术创新方向上所做的努力。与此同时，近几年，国内企业除了在激光3D和结构光3D技术等较为成熟的领域进行了创新外，还在专利申请量较少的TOF技术上进行了改进。如公开号为CN106772414A的“一种提高TOF相位法测距雷达测距精度的方法”的专利申请，其能够在不改变硬件技术的前提下，提高测距精度。

综上所述，目前应用于工业机器人领域的3D视觉控制技术已逐渐成熟，很多重要技术来自日本、美国和欧洲等国家地区，如日本发那科公司已将3D视觉产品作为附加设备融合到自身产品中。美国视觉技术企业如康耐视公司，则更注重视觉技术本身，而欧洲视觉技术企业更专注于某一领域的应用。目前，我国的3D视觉控制技术多涉及高校的理论研究和具体的产品应用，并开始逐渐向能够研制、生产的视觉技术产品的方向努力。我国工业机器人企业，可在某一特定应用领域，赶超并研发出具有自主知识产权的产品，让工业机器人具备一双“火眼金睛”。