工業(yè)機(jī)器人智能發(fā)展:視覺(jué)和觸覺(jué)感應(yīng)簡(jiǎn)化任務(wù)
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| (發(fā)布日期：2007-11-7 13:57:21) 來(lái)源： |
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機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)（Robotic Industries Association）指出，從2003到2005年間，北美機(jī)器人工業(yè)以20%的平均年增長(zhǎng)率發(fā)展。在汽車市場(chǎng)需求疲軟以及外國(guó)廠商的壓力不斷增加的背景下，這一成就是如何取得的？成本的普遍降低是原因之一。從機(jī)器人到整套系統(tǒng)，價(jià)格都在不斷降低。機(jī)器人性能的不斷改進(jìn)也是驅(qū)動(dòng)這一強(qiáng)勢(shì)增長(zhǎng)的原因之一。現(xiàn)在的機(jī)器人可以執(zhí)行很多幾年前還無(wú)法執(zhí)行的任務(wù)。機(jī)器人還能在更短的時(shí)間完成更多的事情，提供了更高的生產(chǎn)力水平。
最重要的原因則應(yīng)該是機(jī)器人智能的不斷改進(jìn)。從機(jī)器人問(wèn)世到現(xiàn)在，在決定部件獲取、檢查自身組件就位狀況、檢測(cè)錯(cuò)誤狀態(tài)或相關(guān)因素上的智能經(jīng)歷了數(shù)個(gè)發(fā)展等級(jí)。這樣的智能大多是基于用來(lái)檢測(cè)某個(gè)特定狀態(tài)的特定傳感器而實(shí)現(xiàn)的。
比如，機(jī)器人會(huì)用“光電眼”，通過(guò)識(shí)別某個(gè)芯片管腳、制動(dòng)器或其它部件是否就緒來(lái)判定是否存在并處于正確的方向。接著，這個(gè)“光電眼”連接PLC或者直接連到機(jī)器人控制器中。在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間，機(jī)器人會(huì)核查“光電眼”來(lái)確定某個(gè)部件就位并處于正確的方向，然后才會(huì)將之摘取或者進(jìn)行其它操作。
使用“光電眼”或者類似的傳感器是一個(gè)簡(jiǎn)單而可靠的途徑，也是正確的選擇。但是，自動(dòng)化并不總是那么簡(jiǎn)單。有各種類型的部件需要處理，因此區(qū)分部件的方法可能更為復(fù)雜。
不管是部件是制造程序，簡(jiǎn)單的傳送器都無(wú)法適用。比如，放在由滑托板隔成數(shù)層的箱柜中的部件，一般就用于金屬部件。而擁有復(fù)雜幾何構(gòu)造的部件，如果沒(méi)有額外的裝置，就很難準(zhǔn)確定位。
二維視覺(jué)定位
長(zhǎng)期以來(lái)，由于無(wú)法找到合適的方法來(lái)處理這些復(fù)雜事項(xiàng)，某些行業(yè)里機(jī)器人的使用總是無(wú)法擴(kuò)大。最近這種狀況終于有所改觀了。其中作用最大的技術(shù)就是雙維視覺(jué)系統(tǒng)。請(qǐng)登錄自動(dòng)化成像聯(lián)盟（Automated Imaging Association）網(wǎng)站獲取關(guān)于此技術(shù)的更多信息。
2D視覺(jué)系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)攝像機(jī)構(gòu)成，用來(lái)拍攝照片以供機(jī)器人進(jìn)行分析并從而決定處理哪些部件。工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)歷史并不長(zhǎng)，但現(xiàn)在在價(jià)格、性能和可靠性上已經(jīng)發(fā)展到可以用于一些應(yīng)用中，而僅僅幾年前這些應(yīng)用都還是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
使用視覺(jué)系統(tǒng)可以協(xié)助機(jī)器人來(lái)摘取放置于由標(biāo)準(zhǔn)滑托板隔成數(shù)層的箱柜中的部件。這是將部件從一個(gè)車間傳到另一個(gè)車間甚至在同一個(gè)車間內(nèi)進(jìn)行傳送的通用方法。如果沒(méi)有視覺(jué)系統(tǒng)，制造商就必須使用相對(duì)較貴的成形塑料墊料或者通過(guò)其它方法來(lái)準(zhǔn)確摘取箱內(nèi)的部件。這種能置于箱柜中的成形塑料墊料相對(duì)更昂貴一些，其中光是模具的設(shè)計(jì)和制造就需要6萬(wàn)到10萬(wàn)美元。
2D視覺(jué)系統(tǒng)可以很好地取代成形墊料或者其它更昂貴的方式來(lái)定位箱柜中的部件。不過(guò)直到最近幾年，仍然有一些原因使得視覺(jué)系統(tǒng)的使用苦難重重，包括不同批部件顏色的差異、箱柜具體狀況的差異和重復(fù)使用的隔板上的記號(hào)等等。隨著視覺(jué)技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問(wèn)題現(xiàn)在都可以很好地解決了。現(xiàn)在的2D視覺(jué)系統(tǒng)已經(jīng)可以定位大多數(shù)堆疊于箱柜內(nèi)部隔板頂層的部件。
這種應(yīng)用一般的方法就是使用一個(gè)安裝在箱柜上的攝像機(jī)來(lái)定位部件。攝像機(jī)安裝在足夠的高度，因此機(jī)器人可以在攝像機(jī)底下移動(dòng)并進(jìn)入箱柜內(nèi)部。在每一層的起點(diǎn)，機(jī)器人對(duì)會(huì)對(duì)攝像機(jī)發(fā)來(lái)的該層部件的圖片進(jìn)行分析，然后逐個(gè)定位。
如果需要更精確的定位，也可以將攝像機(jī)安裝在機(jī)器人上，由機(jī)器人將攝像機(jī)移動(dòng)到一個(gè)或一組部件上端并拍照，然后將照片傳回給機(jī)器人進(jìn)行分析并定位。當(dāng)某一層上所有部件都被取走之后，機(jī)器人會(huì)取掉隔板，并開(kāi)始摘取下一層的部件。
不管是將攝像機(jī)固定，還是安裝在機(jī)器人上，所增加的成本都比使用一個(gè)特別的墊料或者其它方法來(lái)定位部件的成本要低得多。視覺(jué)系統(tǒng)還能帶來(lái)更高的靈活性，以處理同一條線上的不同部件，或者適應(yīng)部件的更替。由于成本上的原因，這樣的自動(dòng)疊板卸垛在幾年前根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而現(xiàn)在，有了視覺(jué)系統(tǒng)，機(jī)器人方案可行了，也可以負(fù)擔(dān)得起了。
視覺(jué)系統(tǒng)給機(jī)器人使用帶來(lái)的另外一個(gè)益處，是降低了用來(lái)將部件呈送給機(jī)器人的傳送器的成本。在使用2D視覺(jué)系統(tǒng)之前，很多部件都必須在由托板傳送器傳送的固定托板上定位。即便是簡(jiǎn)單的托板傳送器成本也要3萬(wàn)美金，而且成本還會(huì)隨著傳送器傳送距離的增長(zhǎng)而提高。有了2D視覺(jué)技術(shù)，部件可以在相對(duì)便宜的帶式傳送器上進(jìn)行傳送。被操作員或者機(jī)器人放到傳送器上的部件接著會(huì)被傳送給機(jī)器人。當(dāng)安裝于傳送器末端的一個(gè)攝像機(jī)檢測(cè)到某個(gè)部件已被傳送到末端時(shí)，傳送器會(huì)馬上停止。攝像機(jī)還會(huì)對(duì)部件進(jìn)行定位，以協(xié)助機(jī)器人將之摘取。
和用來(lái)在箱柜中從隔板上取走部件一樣，視覺(jué)系統(tǒng)在傳送帶上也可以協(xié)助機(jī)器人準(zhǔn)確定位并摘取大多數(shù)部件。
對(duì)定位同一平面放置的部件，2D視覺(jué)系統(tǒng)是完美的，但它也不是萬(wàn)能的。在過(guò)去幾年里，已經(jīng)有三維視覺(jué)系統(tǒng)可以用來(lái)定位不在一個(gè)平面上的部件。比如，這些部件可能是彼此層疊的，但也可能隨著部件的疊起而兩端換位。此時(shí)2D圖像就不能提供足夠的信息來(lái)處理這種位移了。
一個(gè)已經(jīng)在實(shí)際使用中得到證明的簡(jiǎn)單方法是，在2D攝像機(jī)的基礎(chǔ)上再結(jié)合激光器光帶。在箱柜頂部安裝2D攝像機(jī)對(duì)部件進(jìn)行大致定位，并確認(rèn)下一個(gè)要選擇的部件。然后在機(jī)器人上安裝另一個(gè)攝像機(jī)，并結(jié)合激光器。機(jī)器人移動(dòng)激光器和攝像機(jī)到另一個(gè)部件上方，接著，激光器會(huì)將附加準(zhǔn)心對(duì)準(zhǔn)部件上的某個(gè)目標(biāo)。部件上的這個(gè)目標(biāo)可以是一條邊、一個(gè)圓或者其它明顯標(biāo)志。通過(guò)簡(jiǎn)單的三角測(cè)量，攝像機(jī)就可以立體定位部件的位置和方向。
最高端的應(yīng)用是利用3D視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)定位箱柜中任意方向的部件，但這顯然困難重重，比如，部件有可能彼此混雜在一起，而且，還要避開(kāi)箱柜壁。
觸覺(jué)響應(yīng)
盡管視覺(jué)系統(tǒng)是機(jī)器人智能傳感器最通用的方法，卻不是唯一的方法。還有一種6度隨意力傳感器可用來(lái)給機(jī)器人提供觸覺(jué)響應(yīng)。在要求高精度的組裝中，力傳感器就會(huì)被用來(lái)引導(dǎo)力度合適的部件進(jìn)行插入操作，比如，將軸狀物插入到某個(gè)孔中。帶有力傳感器的機(jī)器人還可以用于更復(fù)雜的組裝任務(wù)，比如將裝置插入到外殼。這個(gè)過(guò)程需要非常準(zhǔn)確，并要經(jīng)過(guò)很多個(gè)步驟。經(jīng)過(guò)編程的機(jī)器人可以像真正的人一樣，前后移動(dòng)裝置，直到每一個(gè)步驟都完全符合。
在對(duì)一個(gè)復(fù)雜的部件進(jìn)行磨光時(shí)也可以使用力傳感器來(lái)提供觸覺(jué)響應(yīng)。以前這是由特定的設(shè)備來(lái)進(jìn)行的，但是這些設(shè)備可能無(wú)法達(dá)到所要求的精確度。給機(jī)器人添加6D力傳感器，然后加上一個(gè)磨盤(pán)，機(jī)器人就可以在方向改變的情況下仍保持一個(gè)不變的力度，抵消了重力影響。
今后的方案
智能傳感器技術(shù)在各種領(lǐng)域機(jī)器人的成功運(yùn)用中起著至關(guān)重要的作用。隨著智能傳感器技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，機(jī)器人在將來(lái)將擁有更多功能。盡管在進(jìn)行極其復(fù)雜的區(qū)別上沒(méi)有什么可以替代人腦這臺(tái)超級(jí)電腦，但過(guò)去那些曾被認(rèn)為不可能的應(yīng)用現(xiàn)在對(duì)于智能機(jī)器人已經(jīng)是“家常便飯”了。 |
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