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在機(jī)器人視覺研究領(lǐng)域，3D視覺一直都是熱點(diǎn)。隨著機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的不斷廣泛應(yīng)用，機(jī)器人配合3D視覺的應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷增多。例如在物流行業(yè)，機(jī)器人配合3D視覺可完成混拆混碼的任務(wù)，通過3D視覺快速準(zhǔn)確的對(duì)紙箱進(jìn)行尺測(cè)量，機(jī)器人可完成隨機(jī)尺寸紙箱的拆垛和碼垛；在生產(chǎn)線上，多種型號(hào)的工件往往會(huì)被雜亂無章的堆放在料框里，同時(shí)這些工件往往形狀外觀差異很大，通過3D視覺可獲取料框內(nèi)物體的三維輪廓特征信息，機(jī)器人可快速準(zhǔn)確的完成多種工件的分揀；在輕工行業(yè)，通過3D視覺可獲取物體的三維輪廓信息，可使機(jī)器人快速高精度完成涂膠、噴涂等相關(guān)工作。

隨著傳感技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，相應(yīng)的三維信息獲取手段也不斷完善。目前，獲取外界物體三維信息的傳感器主要有以下三種:傳統(tǒng)RGB雙目相機(jī)、結(jié)構(gòu)光相機(jī)、TOF相機(jī)。

三種技術(shù)方案對(duì)比：

圖1 勃肯特自主研發(fā)的串并混聯(lián)六軸機(jī)器人

圖2 勃肯特自主研發(fā)機(jī)器人控制器與結(jié)構(gòu)光3D相機(jī)

勃肯特采用結(jié)構(gòu)光相機(jī)配合自主研發(fā)的串并混聯(lián)六軸機(jī)器人完成相關(guān)3D視覺檢測(cè)抓取項(xiàng)目。其技術(shù)手段主要包括：

1) 物體的三維信息獲?。簽闇?zhǔn)確獲取抓取目標(biāo)的三維信息，采用Eye to hand的相機(jī)安裝方式，將相機(jī)固定在抓取場(chǎng)景的特定位置，以最大限度地快速準(zhǔn)確獲取三維圖像。

2) 機(jī)器人手眼標(biāo)定：采用基于雙四元數(shù)的手眼標(biāo)定方法，在此基礎(chǔ)上通過運(yùn)用旋量一致性定理過濾觀測(cè)數(shù)據(jù)野點(diǎn)，提高了標(biāo)定精度。對(duì)于空間直線的剛體變換，采用單位雙四元數(shù)來計(jì)算比直接用齊次矩陣更為有效。同時(shí)，對(duì)于連續(xù)的剛體變換，可以表示為兩個(gè)單位雙四元數(shù)的相乘，這個(gè)性質(zhì)與齊次矩陣類似。使用單位雙四元數(shù)可以緊湊地表示三維空間的剛體變換。再依據(jù)旋量一致性定理，采用誤差公式，剔除野點(diǎn)。

圖3 手眼標(biāo)定原理圖

圖4 旋量與直線的 Plüker 坐標(biāo)表示

3) 點(diǎn)云精簡(jiǎn)：采用基于包圍盒與隨機(jī)采樣法完成大量點(diǎn)云簡(jiǎn)化，保留抓取目標(biāo)相關(guān)有效帶點(diǎn)云圖。

4) 點(diǎn)云去噪：由于噪聲點(diǎn)或失真點(diǎn)而不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差較大的點(diǎn)和跳躍較大的點(diǎn)。采用高斯濾波方法完成抓取目標(biāo)相關(guān)點(diǎn)云圖的去噪。

5) 點(diǎn)云分割：采用基于邊、區(qū)域、混合、聚類的方法完成抓取目標(biāo)與周圍場(chǎng)景點(diǎn)云的分割，使抓取目標(biāo)點(diǎn)云特征更為清晰，明顯。

6) 位姿估計(jì)：根據(jù)彩色圖像的梯度信息和物體表面的法向量采用特定算法找出最佳待抓取目標(biāo)的最佳位姿。

圖5 基于圖像閾值的點(diǎn)云分割模型 

圖6 視角變換的點(diǎn)云分割模型

圖7 相機(jī)采集的原始圖像

圖8 相機(jī)采集的深度圖像

3D 視覺系統(tǒng)主要分為五大功能模塊：分別是系統(tǒng)標(biāo)定模塊，點(diǎn)云處理模塊，通信模塊，顯示模塊和文件管理模塊。目前勃肯特機(jī)器人研究院研究的3D視覺系統(tǒng)可應(yīng)用于自動(dòng)包裝、碼垛、機(jī)床上下料和焊接等多個(gè)方面。

“柔性”是新時(shí)期對(duì)工業(yè)機(jī)器人提出的新要求，對(duì)于抓取這個(gè)任務(wù)而言，“柔性”意味著不論何種工件出現(xiàn)在工作臺(tái)的何種位置，機(jī)器人可以自動(dòng)的識(shí)別并完成抓取。視覺輔助是解決問題的關(guān)鍵所在。利用視覺傳感器豐富的信息，機(jī)器人可以識(shí)別物體，并判斷物體相對(duì)于機(jī)器人的位置和姿態(tài)。再根據(jù)物體生成抓取位姿，完成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃后，執(zhí)行抓取任務(wù)。其中對(duì)目標(biāo)物體的識(shí)別和定位是抓取成功的前提條件。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)柔性抓取，無需示教的關(guān)鍵所在。然而勃肯特機(jī)器人已逐步實(shí)現(xiàn)了這個(gè)要求，正在往更深的技術(shù)領(lǐng)域不斷探索前進(jìn)。