工業(yè) 機(jī)器人智能發(fā)展: 視覺和觸覺感應(yīng)簡化機(jī)器人任務(wù)

機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(Robotic Industries Association)指出，從2003到2005年間，北美機(jī)器人工業(yè)以20%的平均年增長率發(fā)展。在汽車市場需求疲軟以及外國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)動這一強(qiáng)勢增長的原因之一。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)器人問世到現(xiàn)在，在決定部件獲取、檢查自身組件就位狀況、檢測錯(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。這樣的智能大多是基于用來檢測某個(gè)特定狀態(tài)的特定傳感器而實(shí)現(xiàn)的。

比如，機(jī)器人會用“光電眼”，通過識別某個(gè)芯片管腳、制動器或其它部件是否就緒來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)器人會核查“光電眼”來確定某個(gè)部件就位并處于正確的方向，然后才會將之摘取或者進(jìn)行其它操作。

使用“光電眼”或者類似的傳感器是一個(gè)簡單而可靠的途徑，也是正確的選擇。但是，自動化并不總是那么簡單。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，簡單的傳送器都無法適用。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，如果沒有額外的裝置，就很難準(zhǔn)確定位。

二維視覺定位

長期以來，由于無法找到合適的方法來處理這些復(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)就是雙維視覺系統(tǒng)。請登錄自動化成像聯(lián)盟(Automated Imaging Association)網(wǎng)站獲取關(guān)于此技術(shù)的更多信息。

2D視覺系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)攝像機(jī)構(gòu)成，用來拍攝照片以供機(jī)器人進(jìn)行分析并從而決定處理哪些部件。工業(yè)視覺系統(tǒng)歷史并不長，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)用都還是無法實(shí)現(xiàn)的。

圖1：Fanuc的機(jī)器人具有完整機(jī)器人系統(tǒng)

使用視覺系統(tǒng)可以協(xié)助機(jī)器人來摘取放置于由標(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。如果沒有視覺系統(tǒng)，制造商就必須使用相對較貴的成形塑料墊料或者通過其它方法來準(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更昂貴一些，其中光是模具的設(shè)計(jì)和制造就需要6萬到10萬美元。

2D視覺系統(tǒng)可以很好地取代成形墊料或者其它更昂貴的方式來定位箱柜中的部件。不過直到最近幾年，仍然有一些原因使得視覺系統(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等等。隨著視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問題現(xiàn)在都可以很好地解決了。現(xiàn)在的2D視覺系統(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)底下移動并進(jìn)入箱柜內(nèi)部。在每一層的起點(diǎn)，機(jī)器人對會對攝像機(jī)發(fā)來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)器人會取掉隔板，并開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定位部件的成本要低得多。視覺系統(tǒng)還能帶來更高的靈活性，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，這樣的自動疊板卸垛在幾年前根本無法實(shí)現(xiàn)，而現(xiàn)在，有了視覺系統(tǒng)，機(jī)器人方案可行了，也可以負(fù)擔(dān)得起了。

視覺系統(tǒng)給機(jī)器人使用帶來的另外一個(gè)益處，是降低了用來將部件呈送給機(jī)器人的傳送器的成本。在使用2D視覺系統(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。即便是簡單的托板傳送器成本也要3萬美金，而且成本還會隨著傳送器傳送距離的增長而提高。有了2D視覺技術(shù)，部件可以在相對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)檢測到某個(gè)部件已被傳送到末端時(shí)，傳送器會馬上停止。攝像機(jī)還會對部件進(jìn)行定位，以協(xié)助機(jī)器人將之摘取。

和用來在箱柜中從隔板上取走部件一樣，視覺系統(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。

對定位同一平面放置的部件，2D視覺系統(tǒng)是完美的，但它也不是萬能的。在過去幾年里，已經(jīng)有三維視覺系統(tǒng)可以用來定位不在一個(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)器人移動激光器和攝像機(jī)到另一個(gè)部件上方，接著，激光器會將附加準(zhǔn)心對準(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。通過簡單的三角測量，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視覺系統(tǒng)來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，還要避開箱柜壁。

觸覺響應(yīng)

盡管視覺系統(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給機(jī)器人提供觸覺響應(yīng)。在要求高精度的組裝中，力傳感器就會被用來引導(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)過程需要非常準(zhǔn)確，并要經(jīng)過很多個(gè)步驟。經(jīng)過編程的機(jī)器人可以像真正的人一樣，前后移動裝置，直到每一個(gè)步驟都完全符合。

在對一個(gè)復(fù)雜的部件進(jìn)行磨光時(shí)也可以使用力傳感器來提供觸覺響應(yīng)。以前這是由特定的設(shè)備來進(jìn)行的，但是這些設(shè)備可能無法達(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，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)器人在將來將擁有更多功能。盡管在進(jìn)行極其復(fù)雜的區(qū)別上沒有什么可以替代人腦這臺超級電腦，但過去那些曾被認(rèn)為不可能的應(yīng)用現(xiàn)在對于智能機(jī)器人已經(jīng)是“家常便飯”了。