工業機器人視覺三維成像技術

        2020-07-20 13:10:00來源: 瀏覽量:
        核心摘要:國家智能制造高速發展,在很多應用場景下,需要為工業機器人安裝一雙眼睛,即機器人視覺成像感知系統,使機器人具備識別、分析、處理等更高級的功能,可以正確對目標場景的狀態進行判斷與分析,做到靈活地自行解決發生的問題
        Hand-eye),如下圖二所示。
        工業機器人視覺三維成像技術
         
        圖 二  兩種機器人手眼系統的結構形式
        (a)眼在手機器人系統,(b)眼看手機器人系統
         
        有些應用場合,為了更好地發揮機器人手眼系統的性能,充分利用固定成像眼看手系統全局視場和隨動成像眼在手系統局部視場高分辨率和高精度的性能,可采用兩者混合協同模式,如用固定成像眼看手系統負責機器人的定位,使用隨動成像眼在手系統負責機器人的定向;或者利用固定成像眼看手系統估計機器人相對目標的方位,利用隨動成像眼在手系統負責目標姿態的高精度估計等,如圖三所示。
        機器人視覺三維成像技術
         
        圖 三   機器人協同視覺系統原理圖
         
        機器人視覺三維成像方法
        3D視覺成像可分為光學和非光學成像方法。目前應用最多的還是光學方法,其包括:飛行時間法、激光掃描法、激光投影成像、立體視覺成像等。
         
        飛行時間3D成像
         
        飛行時間(TOF)相機每個像素利用光飛行的時間差來獲取物體的深度。目前已經有飛行時間面陣相機商業化產品,如Mesa Imaging AG SR-4000, PMD Technologies Cam Cube 3.0,微軟Kinect V2等。
         
        TOF成像可用于大視野、遠距離、低精度、低成本的3D圖像采集,其特點是:檢測速度快、視野范圍較大、工作距離遠、價格便宜,但精度低,易受環境光的干擾。例如Camcueb3.0具有可靠的深度精度(<3mm @ 4m),每個像素對應一個3D數據。
         
        掃描3D成像
         
        掃描3D成像方法可分為掃描測距、主動三角法、色散共焦法。掃描測距是利用一條準直光束通過1D測距掃描整個目標表面實現3D測量的。主動三角法是基于三角測量原理,利用準直光束、一條或多條平面光束掃描目標表面完成3D成像,如圖四所示。色散共焦通過分析反射光束的光譜,獲得對應光譜光的聚集位置, 如圖五所示。
        機器人視覺三維成像技術
         
        圖 四   線結構光掃描三維點云生成示意圖
        機器人視覺三維成像技術
         
        圖 五   色散共焦掃描三維成像示意圖
         
        掃描3D成像的最大優點是測量精度高。其中色散共焦法還有其它方法難以比擬的優點,如非常適合測量透明物體、高反與光滑表面的物體。但缺點是速度慢、效率低;用于機械手臂末端時,可實現高精度3D測量,但不適合機械手臂實時3D引導與定位,因此應用場合有限。另外主動三角掃描在測量復雜結構面形時容易產生遮擋,需要通過合理規劃末端路徑與姿態來解決。
         
        結構光投影3D成像
         
        結構光投影三維成像目前是機器人3D視覺感知的主要方式。結構光成像系統是由若干個投影儀和相機組成,常用的結構形式有:單投影儀-單相機、單投影儀-雙相機、單投影儀-多相機、單相機-雙投影儀和單相機-多投影儀等。結構光投影三維成像的基本工作原理是:投影儀向目標物體投射特定的結構光照明圖案,由相機攝取被目標調制后的圖像,再通過圖像處理和視覺模型求出目標物體的三維信息。
         
        根據結構光投影次數劃分,結構光投影三維成像可以分成單次投影3D和多次投影3D方法。單次投影3D主要采用空間復用編碼和頻率復用編碼形式實現。由于單次投影曝光和成像時間短,抗振動性能好,適合運動物體的3D成像,如機器人實時運動引導,手眼機器人對生產線上連續運動產品進行抓取等操作。但是深度垂直方向上的空間分辨率受到目標視場、鏡頭倍率和相機像素等因素的影響,大視場情況下不容易提升。
         
        多次投影3D具有較高空間分辨率,能有效地解決表面斜率階躍變化和空洞等問題。不足之處在于:
         
        1.對于連續相移投影方法,3D重構的精度容易受到投影儀、相機的非線性和環境變化的影響;
        2.抗振動性能差,不合適測量連續運動的物體;
        3.在Eye-in-Hand視覺導引系統中,機械臂不易在連續運動時進行3D成像和引導;
        4.實時性差,不過隨著投影儀投射頻率和CCD/CMOS圖像傳感器采集速度的提高,多次投影方法實時3D成像的性能也在逐步改進。
         
        對于粗糙表面,結構光可以直接投射到物體表面進行視覺成像;但對于大反射率光滑表面和鏡面物體3D成像,結構光投影不能直接投射到被成像表面,需要借助鏡面偏折法。
        偏折法對于復雜面型的測量,通常需要借助多次投影方法,因此具有多次投影方法相同的缺點。另外偏折法對曲率變化大的表面測量有一定的難度,因為條紋偏折后反射角的變化率是被測表面曲率變化率的2倍,因此對被測物體表面的曲率變化比較敏感,很容易產生遮擋難題。
         
        立體視覺3D成像
         
        立體視覺字面意思是用一只眼睛或兩只眼睛感知三維結構,一般情況下是指從不同的視點獲取兩幅或多幅圖像重構目標物體3D結構或深度信息,如圖六所示。
        機器人視覺三維成像技術
         
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