工业机器人的3D视觉技术及其应用状况-博鱼(boyu·中国)官方网站

工业机器人作为我国工业发展的最重要承托，如今在生产和物流等领域的应用于更加普遍，而3D视觉作为工业机器人的“眼睛”，已沦为影响工业机器人领域应用于和性能的关键因素。如何通过3D视觉控制技术来提升工业机器人工作的精度、速度及可靠性，已沦为国内外注目的焦点。本文中，笔者将通过国内外的涉及专利文献检索，对工业机器人的3D视觉技术及其应用于展开讲解。

3D技术国外产于状况通过德温特世界专利数据库和世界专利文摘数据库，对截至2018年2月2日公开发表的专利文献展开检索找到，自1979年美国通用汽车公司递交的公开发表号为US4254433A“视觉运动追踪系统”的专利申请之后，全球牵涉到工业机器人3D视觉控制技术的专利申请总量为2774项。其中该技术常用类型有：被动3D视觉技术（分成单目3D、双目3D和多目3D，分别是用一个、两个或两个以上照相机构成立体视觉系统）、通过照相机捕猎感应的激光图像构建立体测量的激光3D扫瞄技术、利用投影机通过结构光编码技术构建3D视角修复过程的结构光3D扫瞄技术、通过LED升空高频光信号，并根据信号从升空到回到的时间差来构建距离测量的TOF照相机技术等。

其中单目3D视觉技术结构非常简单但精度较低；而双目和多目3D视觉技术精度较高，但算法和结构比较简单；激光3D技术速度快，但受到激光散斑缺失的容许，很难超过较高的精度。同时结构光3D技术精度高、速度快，却无法用作半透明、黑色或强劲光线表面，TOF照相机技术速度快、精度较高，但成本又比较较高。当下，被动3D、激光3D和结构光3D视觉技术的发展更为成熟期，并被广泛应用。

精度是取决于工业机器人视觉性能的最重要指标，目前很多提升视觉精度的基础技术和核心专利都掌控在日本、美国等一些大型企业手中，如日本发那科公司、美国康耐视公司等。发那科公司在该领域的主要产品是配备在工业现场的工业机器人，其所用于的机器视觉系统还包括立体视觉法、结构光法及激光扫描法。其具备代表性的3D视觉系统技术是公开发表号为US6490369B1的专利申请，其存储有不具备ID参数及镜头确认方位信息的方盒模板，它将存储信息中的变形图像改变为现实图像，确认现实图像的参数并与模板参数较为，使得计算机需要辨识用作机器人展开先期操作者的方盒。

此外，其公开发表号为EP1584426A1的专利申请，还牵涉到工具中心点的校准系统。在此基础上，发那科公司还于2006年研发了fanuciRVision3DL视觉系统，该视觉系统由一个加装于地面上的3D激光传感器来已完成视觉数据采集，该技术解决问题了机器人捕捉毛坯件后，上漆定位孔方位变化等问题，可自动已完成方位变化，构建高精度上漆。

康耐视公司则主要侧重于通过图像处理提升系统精度，如其享有的PatMax技术作为机器视觉中低准确度、高速度、低处理量的物体定位技术，于1997年在全球首次取得专利许可，此后一系列专利文献如公开发表号为US6856698B1“较慢高精度多维图形的定位”的专利申请、公开发表号为US6850646B1“较慢高精度多维图形的检测”的专利申请、公开发表号为US6658145B1“较慢高精度多维图形的检测”的专利申请，皆牵涉到PatMax技术。该技术使用一系列不依赖像素网格的边界曲线而提供物体的几何形状，随后在图像中找寻与其相近的图像，这种技术最明显的特征在于不不受特定灰度级别的容许。

此外，该公司在2006年至2008年还递交了公开发表号为US2007081714A1“用作简单3D视觉系统的方法和设备”的专利申请和公开发表号为US2008298672A1“通过机器视觉定位三维对象的系统和方法”的专利申请，以及公开发表号为US2010166294A1“用于机器视觉展开目标的三维校准的系统和方法”的专利申请。与此同时，该公司于2011年5月发售了以这些专利为基础技术的VisionPro3D软件系统，需要获取精确、动态的定位3D方位信息，还可应用于汽车等仪器制造业中的集装箱、包和装配检验。除了提升技术精度外，安全性也是工业机器人应用于中一项十分最重要的指标。

德国的西克公司是一家通过3D视觉技术来提升工业机器人安全性的公司。如该公司递交的公开发表号为EP2380709A2的专利申请，就使用了结构光3D图像技术，在机器人与操作者人员并存于某一区域中时，利用3D传感器来确认操作者人员的行动轨迹，防止再次发生安全事故，进而获取智能确保。3D技术国内专利布局笔者通过中国专利文摘数据库展开检索找到，截至2018年2月2日，国内申请人在关于工业机器人3D视觉领域共计递交专利申请594件，多牵涉到3D视觉在工业机器人上的应用于，且三分之一左右为高校、科研院所申请人。一些专心于工业机器人研发的国内企业，已回应进行专利布局，如沈阳新松机器人自动化股份有限公司，该公司目前在该领域共计递交了十几件专利申请，且大多数是在近5年内递交的，如公开发表号为CN104511905A的专利申请中，其基于色彩条纹的结构光的视觉来引领机器人手臂运动，可使机械手臂操作者模式更为精确，该技术构建了机器人动作速度和准确性的优化。

在公开发表号为CN106595511A的专利申请中，其使用了遗产算法与Hausdorff距离结合的图像匹配方法寻找照相机提供图像中被测量物体的方位信息，再行移动机器人使激光照射被测物体上，加载照相机图像中激光的信息，再行利用三角测量的原理来测量物体的三维信息的技术。从上述技术中可以显现出，中国工业机器人企业在3D视觉技术方面，特别是在3D技术应用于向技术创新方向上所做到的希望。与此同时，近几年，国内企业除了在激光3D和结构光3D技术等更为成熟期的领域展开了创意外，还在专利申请量较较少的TOF技术上展开了改良。如公开发表号为CN106772414A的“一种提升TOF振幅法测距雷达测距精度的方法”的专利申请，其需要在不转变硬件技术的前提下，提升测距精度。

综上所述，目前应用于工业机器人领域的3D视觉控制技术已渐渐成熟期，很多最重要技术来自日本、美国和欧洲等国家地区，如日本发那科公司一并3D视觉产品作为可选设备融合到自身产品中。美国视觉技术企业如康耐视公司，则更加侧重视觉技术本身，而欧洲视觉技术企业更加专心于某一领域的应用于。目前，我国的3D视觉控制技术多牵涉到高校的理论研究和明确的产品应用于，并开始渐渐向需要研制、生产的视觉技术产品的方向希望。

我国工业机器人企业，可在某一特定应用领域，领先于并研发出有具备自律知识产权的产品，让工业机器人不具备一双“火眼金睛”。

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