視覺是人類最重要的感覺器官，占據(jù)了80%以上的人類信息獲取。機器視覺作為替代人眼的強大技術(shù)，日益取得重大突破和廣泛應(yīng)用。機器視覺系統(tǒng)可以代替人眼完成測量、定位、識別和檢測等工作，在制造、安防、文化等產(chǎn)業(yè)中具有大量的應(yīng)用商機。
機器視覺不僅可以克服人眼標(biāo)準(zhǔn)的不一致性、非重復(fù)性和主觀性等問題，為行業(yè)制定品質(zhì)管控的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，還能在高速、高光譜、高分辨率、高可靠性以及工作持續(xù)性、環(huán)境適應(yīng)性等方面全面超越人眼極限。
背景介紹及案例概述
近些年，隨著工業(yè)自動化與物流技術(shù)的不斷發(fā)展，如何使用自動化設(shè)備提高物流效率，減少人工，成為目前物流行業(yè)最關(guān)心的問題。機器視覺系統(tǒng)可以迅速獲取大量圖像信息，并進(jìn)行自動處理，該特點使得機器視覺幫助物流行業(yè)快速向智能化、自動化方向邁進(jìn)。目前在工業(yè)自動化應(yīng)用中，機器視覺廣泛應(yīng)用于缺陷檢查、掃描識別、定位判斷和位置測量等領(lǐng)域。在節(jié)省人力成本提高整體作業(yè)效率的同時可以極大的提高空間利用率，從而降低運輸成本。
隨著電商、物流行業(yè)的快速發(fā)展，分揀方式的發(fā)展迫在眉睫，人工分揀存在效率低，錯誤率高，成本高等缺點，特別是在拆碼垛應(yīng)用中，由于作業(yè)強度大，工作內(nèi)容單一，人工作業(yè)的質(zhì)量及效率普遍低下，自動化拆碼垛系統(tǒng)應(yīng)運而生，而傳統(tǒng)自動化拆碼垛應(yīng)用中，“拆”和“碼”的對象往往要求是規(guī)則且尺寸單一的貨物，這就限制了自動化應(yīng)用的范圍，尤其是拆碼垛作業(yè)環(huán)節(jié)中，來料完全隨機的情況下。該情境下，用傳統(tǒng)的人工示教的方式難度大且效率低下，為了解決此問題，?？禉C器人研發(fā)了一套基于機器視覺引導(dǎo)的機械臂拆碼垛方案，可以解決多SKU且來料無序的問題。
?？禉C器人采用自主研發(fā)的高精度3D相機配合機器人運動控制平臺軟件同時搭配智能算法的方案，將AI算法，深度學(xué)習(xí)緊密結(jié)合，突破傳統(tǒng)自動化拆碼垛的使用場景限制，可應(yīng)對垛形復(fù)雜多變，箱體種類繁多且隨機的場景。
方案介紹
該方案中，3D相機負(fù)責(zé)獲取作業(yè)范圍內(nèi)，如托盤或傳送帶上箱體的深度信息及高清2D圖像，并將深度信息及2D圖像信息發(fā)送給機器人控制平臺軟件，平臺軟件中內(nèi)置3D視覺算法和智能軌跡規(guī)劃算法，3D視覺算法通過AI深度學(xué)習(xí)+3D點云分割的方法將箱體在托盤或皮帶線上的位置快速且準(zhǔn)確的定位到，智能軌跡規(guī)劃算法提供準(zhǔn)確的抓取點位、放置點位和軌跡點位，引導(dǎo)機械臂快速抓取和碼放動作。
3D視覺引導(dǎo)拆碼垛系統(tǒng)
方案中使用的3D相機為?？禉C器人最新推出的大視野雙目結(jié)構(gòu)光立體相機，兼具高精度、大景深、大視野的特點，相機檢測精度達(dá)到±3mm, 檢測范圍達(dá)到1800mm，近視場為1350mm×1200mm，遠(yuǎn)視場為3650mm×2750mm(如圖2所示)，輕松適配1.2m*1m*1.8m等主流垛形。同時具備極高的檢測效率和穩(wěn)定性，從拍照到軌跡算法輸出抓取點位的時間小于1.5s。
3D相機視野示意圖
為了客戶更方便的自主搭建機械臂拆碼垛控制系統(tǒng)，海康機器人專門研發(fā)了一款機器人運動控制平臺軟件。軟件采用圖形化，無代碼式的編程界面，簡單易用(如圖3所示)。軟件內(nèi)置軌跡規(guī)劃、碰撞檢測及抓取規(guī)劃等多種智能算法，同時軟件可適配國內(nèi)外各種主流品牌機器人。
拆碼垛視覺定位模塊采用AI深度學(xué)習(xí)+3D點云分割的方案。利用RGBD相機實時對堆垛進(jìn)行拍照，獲取包裹、托盤的三維數(shù)據(jù)(深度圖+RGB圖)。定位處理流程如圖4所示，首先利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)對RGB圖進(jìn)行包裹的粗定位;然后利用物體表面紋理特征和點云邊緣特征進(jìn)行包裹精定位，并基于包裹表面點云計算出最優(yōu)的抓取點坐標(biāo);最后利用預(yù)先獲取到的手眼標(biāo)定關(guān)系將視覺位姿轉(zhuǎn)換到機械臂坐標(biāo)系下執(zhí)行抓取處理。
視覺定位技術(shù)路線
?？禉C器人3D相機擁有卓越的抗環(huán)境光能力，在典型廠房光照條件下(>20000lx)，?？禉C器人3D相機的點云數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于其他相機，對比圖片如圖5所示。同時?？禉C器人3D相機對高反光及黑色物體的點云呈現(xiàn)效果上也優(yōu)于其他相機，對比圖像如圖6所示。實際測試樣本中在高反光金屬和黑色紙箱處，其他3D相機在這部分區(qū)域的點云數(shù)據(jù)已有較大程度的損失，而?？禉C器人3D相機仍能保證相對完整的呈現(xiàn)。
抗環(huán)境光對比
高反光和黑色物體對比測試
本方案采用2D+3D聯(lián)合視覺定位處理，具有精度高、魯棒性強、抗環(huán)境光能力強、無懼深色物體的特點，能準(zhǔn)確適用于各種箱體、包裝盒、料盒、編織袋、工件等物件，且定位效果與精度不受物體擺放位姿的影響。
定位效果圖
智能軌跡規(guī)劃算法包含對拆垛流程及碼垛流程的點位規(guī)劃，如圖8所示，由拆垛分析/碼垛分析決策出路徑規(guī)劃的終點構(gòu)型，再依據(jù)感知信息、環(huán)境配置等進(jìn)行碰撞檢測，規(guī)劃出一條安全的拆/碼垛路徑，其中，拆跺分析及碼垛分析的大致流程如下：
拆垛分析是基于3D視覺分類好的點云，通過平面擬合并計算出其對應(yīng)的法向量、重心位置等信息，以獲得每類點云的拆垛點位置;同時由外接矩形確定物體尺寸，用以在路徑規(guī)劃過程中進(jìn)行碰撞檢測;隨后通過基坐標(biāo)/托盤變換關(guān)系、機器人狀態(tài)及拆垛方式等對拆垛位姿的代價進(jìn)行評估，最終確定最優(yōu)拆垛構(gòu)型。
碼垛分析是對由用戶編輯或自動生成的垛型(如圖9所示)進(jìn)行解碼，并通過基坐標(biāo)/托盤變換關(guān)系計算等對各放置位姿的代價進(jìn)行評估排序，獲得放置構(gòu)型序列，并根據(jù)輸入的放置索引及機械臂逆運動學(xué)位姿獲得最終的放置構(gòu)型，同時內(nèi)部儲存已碼垛箱子信息用于路徑規(guī)劃過程中的碰撞檢測。
拆碼垛整體流程
碼垛規(guī)則定義示意圖
總結(jié)
海康機器人3D視覺引導(dǎo)拆碼垛系統(tǒng)旨在解決在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中對未知形狀物體無法抓取或抓取成功率低的問題。基于高精度3D相機對抓取物和環(huán)境的2D彩色圖像信息，同時結(jié)合3D點云數(shù)據(jù)，精確提取抓取物邊緣輪廓，依靠智能算法，篩選最優(yōu)抓取點位，并基于軟件中設(shè)定的環(huán)境約束，輸出最優(yōu)軌跡點位，提高了整體系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過使用該系統(tǒng)，用戶可以輕松應(yīng)對多SKU且來料完全隨機的拆碼垛場景，在滿足自動化拆碼垛需求的同時，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。
（轉(zhuǎn)載）
