工业机器人的d视觉技术及其应用状况

设备电焊/切割设备2019年08月27日

  工业作为我国工业发展的重要支撑,如今在制造和物流等领域的运用愈来愈广泛,而 d视觉作为工业机器人的“眼睛”,已成为影响工业机器人领域应用和性能的关键因素。如何通过 d视觉控制技术来提高工业机器人工作的精度、速度及可靠性,已成为国内外关注的焦点。本文中,笔者将通过国内外的相关专利文献检索,对工业机器人的 d视觉技术及其应用进行介绍。

  d技术国外散布状况

  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日公然的专利文献进行检索发现,自1979年美国通用汽车公司提交的公开号为us42544 a“视觉运动跟踪系统”的专利申请以后,全球触及工业机器人 d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 d视觉技术(分为单目 d、双目 d和多目 d,分别是用一个、两个或两个以上相机组成立体视觉系统)、通过相机捕捉投射的激光图象实现立体丈量的激光 d扫描技术、利用投影机通过结构光编码技术实现 d视角重建过程的结构光 d扫描技术、通过led发射高频光信号,并根据信号从发射到返回的时间差来实现距离丈量的tof相机技术等。其中单目 d视觉技术结构简单但精度低;而双目和多目 d视觉技术精度较高,但算法和结构相对复杂;激光 d技术速度快,但遭到激光散斑缺陷的限制,很难达到较高的精度。同时结构光 d技术精度高、速度快,却无法用于透明、黑色或强反射表面,tof相机技术速度快、精度较高,但成本又相对较高。当下,被动 d、激光 d和结构光 d视觉技术的发展较为成熟,并被广泛应用。

  精度是衡量工业机器人视觉性能的重要指标,目前很多提高视觉精度的基础技术和核心专利都掌握在日本、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置在工业现场的工业机器人,其所使用的系统包括立体视觉法、结构光法及激光扫描法。其具有代表性的 d视觉系统技术是公然号为us6490 69b1的专利申请,其存储有具有id参数及镜头肯定位置信息的方盒模板,它将存储信息中的变形图象转变为真实图像,肯定真实图像的参数并与模板参数比较,使得计算机能够辨认用于机器人进行先期操作的方盒。此外,其公然号为epa1的专利申请,还触及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fanucirvision dl视觉系统,该视觉系统由一个安装于地面上的 d激光来完成视觉数据采集,该技术解决了机器人抓取毛坯件后,上料定位孔位置变化等问题,可自动完成位置变化,实现高精度上料。

  康耐视公司则主要侧重于通过图象处理提高系统精度,如其拥有的patmax技术作为机器视觉中高准确度、高速度、高处理量的物体定位技术,于1997年在全球首次获得专利授权,尔后一系列专利文献如公开号为usb1“快速高精度多维图形的定位”的专利申请、公开号为usb1“快速高精度多维图形的检测”的专利申请、公开号为usb1“快速高精度多维图形的检测”的专利申请,均涉及patmax技术。该技术采取一系列不依赖于像素格的边界曲线而获取物体的几何形状,随后在图像中寻找与其相似的图象,这类技术最显著的特点在于不受特定灰度级别的限制。此外,该公司在2006年至2008年还提交了公开号为usa1“用于实用 d视觉系统的方法和设备”的专利申请和公然号为usa1“通过机器视觉定位三维对象的系统和方法”的专利申请,以及公然号为usa1“使用机器视觉进行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月推出了以这些专利为基础技术的visionpro d软件系统,能够提供准确、实时的定位 d位置信息,还可应用于汽车等精密制造业中的装卸、打包和组装验证。

  除了提高技术精度外,安全性也是工业机器人应用中一项非常重要的指标。德国的西克公司是一家通过 d视觉技术来提高工业机器人安全性的公司。如该公司提交的公开号为ep2 80709a2的专利申请,就采用了结构光 d图象技术,在机器人与操作人员共存于某一区域中时,利用 d传感器来肯定操作人员的行动轨迹,避免发生安全事故,进而提供智能保障。

  d技术国内专利布局

  笔者通过中国专利文摘数据库进行检索发现,截至2018年2月2日,国内申请人在关于工业机器人 d视觉领域共提交专利申请594件,多涉及 d视觉在工业机器人上的运用,且三分之一左右为高校、科研院所申请。一些专注于工业机器人研发的国内企业,已对此展开专利布局,如沈阳新松机器人股份有限公司,该公司目前在该领域共提交了十几件专利申请,且大多数是在近5年内提交的,如公开号为cna的专利申请中,其基于色彩条纹的结构光的视觉来引导机器人手臂运动,可使机械手臂操作模式更加准确,该技术实现了机器人动作速度和准确性的优化。在公开号为cna的专利申请中,其采取了遗产算法与hausdorff距离相结合的图象匹配方法找到相机获得图像中被测量物体的位置信息,再移动机器人使激光照射到被测物体上,读取相机图像中激光的信息,再利用三角测量的原理来测量物体的三维信息的技术。从上述技术中可以看出,中国工业机器人企业在 d视觉技术方面,特别是在 d技术运用向技术创新方向上所做的努力。与此同时,近几年,国内企业除了在激光 d和结构光 d技术等较为成熟的领域进行了创新外,还在专利申请量较少的tof技术上进行了改进。如公然号为cna的“一种提高tof相位法测距雷达测距精度的方法”的专利申请,其能够在不改变硬件技术的条件下,提高测距精度。

  综上所述,目前应用于工业机器人领域的 d视觉控制技术已逐步成熟,很多重要技术来自日本、美国和欧洲等国家地区,如日本发那科公司已将 d视觉产品作为附加装备融合到本身产品中。美国视觉技术企业如康耐视公司,则更重视视觉技术本身,而欧洲视觉技术企业更专注于某一领域的运用。目前,我国的 d视觉控制技术多涉及高校的理论研究和具体的产品应用,并开始逐步向能够研制、生产的视觉技术产品的方向努力。我国工业机器人企业,可在某一特定应用领域,赶超并研发出具有自主知识产权的产品,让工业机器人具备一双“火眼金睛”。

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