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    20多年來，機器視覺的開創(chuàng)者們一直在預(yù)測什么時候能夠出現(xiàn)可以從零件箱中任意揀選零件的機械手。也就是說利用機器視覺導(dǎo)向的機械手，確定零件在一個零件箱內(nèi)或容器內(nèi)的位置，然后從一大堆胡亂堆放的零件中抓取某個零件。  

    早期開發(fā)這一技術(shù)的人們認(rèn)為，由于隨機“零件揀選”系統(tǒng)具有高度的靈活性，因此會給制造廠節(jié)約很大的費用，工人再也不需要裝卸來自供貨商的零件箱。在加工生產(chǎn)線上，昂貴的工裝卡具、工具及以零件為目標(biāo)的進(jìn)料器可以被隨機化“箱中揀選零件”的系統(tǒng)所取代。 

    可惜，上世紀(jì)80年代初，這一被認(rèn)為可行的技術(shù)不得不面對殘酷的現(xiàn)實。在實驗室開發(fā)的“揀選”系統(tǒng)無法轉(zhuǎn)化為工廠的實際應(yīng)用。人們發(fā)現(xiàn)有時候你會碰到部分零件重疊，照明的變化也會影響到“揀選”的工作進(jìn)度。當(dāng)時的計算機在處理大量數(shù)據(jù)方面也遇到了障礙，使問題復(fù)雜化。  

    最后，只好先研究不太復(fù)雜的二維機械手導(dǎo)向方案，即從運動的傳送帶上撿取單一的零件，這相對來說比較通用。而普遍的隨機“揀選”應(yīng)用方案始終沒有實現(xiàn)，直到今天這仍然是工業(yè)界的一項挑戰(zhàn)。不過，現(xiàn)在有越來越多的跡象表明以機器視覺為導(dǎo)向的機械手“揀選”越來越接近現(xiàn)實。機械手經(jīng)銷商，包括Fanuc公司、Motman公司和Staubli公司都推出了“揀選”系統(tǒng)。 

    豐田汽車制造廠已經(jīng)在其發(fā)動機零件加工線上使用了5個機械手的“揀選”系統(tǒng)，系統(tǒng)采用ABB公司的機械手，配有三維圖像技術(shù)，該技術(shù)由Braintech 公司提供。有人說零件全面實行隨機“揀選”方案是不切實際的，如彈簧或幾何形狀復(fù)雜的零件就不宜在早期采用“揀選”方案。相反，經(jīng)銷商更關(guān)注比較簡單和幾何形狀容易識別的零件，其中包括圓柱形或圓形的零件。豐田公司的系統(tǒng)只屬于“半隨機”或“半限制”性的“揀選”系統(tǒng)，也就是說在這些系統(tǒng)中，零件并非全部能任意抓取，零件在箱中是松散分布的。 

    視頻導(dǎo)向“揀選”的應(yīng)用 

    在TRW公司，當(dāng)制動轉(zhuǎn)子鑄件從供貨商抵達(dá)工廠時，零件堆放在一起，相互之間沒有什么東西隔開，裝運時易于搬動。TRW公司過去依靠人工操作，加上提升裝置協(xié)助裝卸鑄件。在某些情況下，工廠還使用非視頻裝備的零件揀選系統(tǒng)。非視頻零件揀選系統(tǒng)每抓一個零件需要20秒鐘，但由于零件在木箱中不斷變換，也許會因為抓取失誤，而不得不再用20秒鐘從木箱中撿取不同的零件。 

    非視頻系統(tǒng)也許對于低批量生產(chǎn)線來說效果很好，因為鑄件的抓放時間為每60秒鐘一個。但在工廠的新生產(chǎn)線上，其所允許的零件抓放周期為15秒鐘，于是不許采用一套有視頻導(dǎo)向的“揀選”系統(tǒng)。 

    JMP公司為TRW公司提供了兩套系統(tǒng)。每套系統(tǒng)配置了一套由Fanuc公司提供的Fanuc 710ib-45機械手和一臺帶有VisionPro軟件的攝像機，該機由Cognex公司提供，還配有來自Shafi公司的Reliabot軟件，由其控制著機械手/視頻之間的通信及機械手的導(dǎo)向功能。JMP公司的生產(chǎn)經(jīng)理Ken McLaughlin先生說，Cognex公司的攝像頭安裝在機械手臂上，可用于確定零件的X和Y坐標(biāo)，機械手臂上還裝有紅外（IR）傳感器，用于尋找零件箱中某一堆零件層的高度。 

    當(dāng)操作員將裝有堆疊鑄件的零件箱放入系統(tǒng)時，觸動起動按鈕，機械手開始升到一個高度，攝像頭攝取圖像，包括確定所有堆放零件的X-Y位置，然后用IR傳感器確定每一堆零件的高度，之后決定夾取順序。如果發(fā)現(xiàn)有零件的高度不正常，它會繼續(xù)探測，直至其水平與其他堆疊零件的水平一致。 

    由于采用了視頻導(dǎo)向系統(tǒng)，即使零件堆放箱傾斜了20度，機械手仍可抓取零件。經(jīng)過特殊設(shè)計的受動器與隨動機構(gòu)連接，保證部分零件的朝向和角度適合于零件的夾取。被夾取的零件由機械手放到傳送器上，然后傳送到加工系統(tǒng)上，整個過程在12秒周期時間內(nèi)完成，滿足了TRW公司的15秒要求。 

    在開發(fā)TRW系統(tǒng)的過程中，按照Mclaughlin先生的說法將它叫做“2.5維視頻”系統(tǒng)，它能找到一個零件的X、Y和Z坐標(biāo)，同時使用端部受動器，以使補償零件滾動、節(jié)距和偏轉(zhuǎn)等變化。而三維系統(tǒng)則采用兩臺攝像機，以立體模式工作，它可以在6度的自由范圍內(nèi)確定零件的位置。 

    如果是形狀復(fù)雜的零件，如支管或變速箱零件就需要采用“半隨機”方案，在零件箱內(nèi)需要特別裝置，使零件保持一定的方向性。但圓形或圓柱形一類形狀相對簡單的零件，如制動轉(zhuǎn)子，無論采用半隨機或全隨機模式都可撿取。 

    Fanuc的“揀選”技術(shù)依賴于一臺固定安裝于零件箱上方的攝像頭，通過這一攝像頭可以找到“大致位置”，鑒別和排列15個待夾取的候選件。其軟件通過匹配算法，將看到的零件從多個方向和角度與數(shù)據(jù)庫中待撿取的零件試樣進(jìn)行比較，然后找到需要夾取的零件。安裝在機械手上的一個Fanuc傳感器，用于各個零件的“精密定位”。攝像頭首先尋找X和Y坐標(biāo)位置以及零件的名稱，同時與攝像頭成一定安裝角度的激光器根據(jù)三角測量技術(shù)提供Z坐標(biāo)、偏轉(zhuǎn)和節(jié)距。機械手運行到由“大致定位”鑒別出第一個零件，然后檢查；如果是它所看到的，機械手就夾取這一零件，如果不是，機械手再移動到第二個零件上。 

    由于多種原因可能會造成系統(tǒng)錯過所要撿取的零件，錯過的越多，系統(tǒng)搜索零件所花的時間就越長。通過對系統(tǒng)零件不斷地精密調(diào)整后，F(xiàn)anuc系統(tǒng)隨機抓放零件所需的平均工作周期已從2002年的22秒鐘下降到今天的15秒鐘。 

    成績是肯定的，但…… 

    Motoman公司已與Shafi公司在“揀選”技術(shù)的應(yīng)用方面形成了戰(zhàn)略關(guān)系，關(guān)于這一技術(shù)，人們已經(jīng)等待了很長時間，但“揀選”技術(shù)并不是一劑萬能良藥，也不是一切應(yīng)用領(lǐng)域的終極目標(biāo)。人們應(yīng)該認(rèn)識到它對某些應(yīng)用領(lǐng)域是有意義的，但對其他的應(yīng)用領(lǐng)域就不一定。 

    Shafi公司也有同感。例如在某些“揀選”應(yīng)用領(lǐng)域，可靠的抓放操作需要兩個過程。你需要將零件從箱中取出來，然后放下或重新夾起，或者進(jìn)行其他的操作，總之是用機械手將零件精密地放到目標(biāo)位置上。在工廠，人們所關(guān)心的是能否將它撿取，是否能在每隔X秒鐘的時間內(nèi)使它精確就位。 

    機械手隨機“揀選”的周期時間取決于機械手的工藝流程，以及在特定的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，機械手需要移動的距離。為了使“揀選”系統(tǒng)切實可行，必須使攝像頭在2或3秒的時間內(nèi)完成確認(rèn)。對于幾何形狀簡單的零件而言，Shafi公司已經(jīng)達(dá)到了目標(biāo)，時間降低到4至6秒，主要是因為他們采用了較快的處理器，算法也有所改進(jìn)。 

    從某種程度而言，“揀選”方案是否獲得成功，關(guān)鍵在于零件的不同幾何形狀和應(yīng)用要求，Shafi公司開發(fā)的“揀選”系統(tǒng)依賴于固定安裝的攝像機、機械手上安裝的攝像機以及那些使用激光器的照明裝置。 

    另一項技術(shù)涉及到獲取零件的三維位置，即以很快的速度，攝取零件的2至3個圖像，每個圖像采用不同的照明，以便協(xié)助確定其三維位置。尤其是當(dāng)零件的一部分被擋住時，采用這一技術(shù)特別有效。 

    如果某種應(yīng)用領(lǐng)域允許的話，最好還是采用固定安裝的攝像機方案。在一個零件被揀取后，攝像頭將移到下一個被抓取的零件上，同時機械手抓放另一個零件。而如果是安裝在機械手上的移動攝像頭可能會遇到被碰撞的風(fēng)險，如碰到零件箱或其它零件，而固定安裝的攝像頭則不用操心這個問題。