工業(yè)機器人作為我國工業(yè)發(fā)展的重要支撐，如今在制造和物流等領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛，而3D視覺(jué)作為工業(yè)機器人的“眼睛”，已成為影響工業(yè)機器人領(lǐng)域應用和性能的關(guān)鍵因素。如何通過(guò)3D視覺(jué)控制技術(shù)來(lái)提高工業(yè)機器人工作的精度、速度及******性，已成為國內外關(guān)注的焦點(diǎn)。本文中，筆者將通過(guò)國內外的相關(guān)專(zhuān)利文獻檢索，對工業(yè)機器人的3D視覺(jué)技術(shù)及其應用進(jìn)行介紹。

3D技術(shù)國外分布狀況

      通過(guò)德溫特世界專(zhuān)利數據庫和世界專(zhuān)利文摘數據庫，對截至2018年2月2日公開(kāi)的專(zhuān)利文獻進(jìn)行檢索發(fā)現，自1979年美國通用汽車(chē)公司提交的公開(kāi)號為US4254433A“視覺(jué)運動(dòng)跟蹤系統”的專(zhuān)利申請之后，全球涉及工業(yè)機器人3D視覺(jué)控制技術(shù)的專(zhuān)利申請總量為2774項。其中該技術(shù)常用類(lèi)型有：被動(dòng)3D視覺(jué)技術(shù)（分為單目3D、雙目3D和多目3D，分別是用一個(gè)、兩個(gè)或兩個(gè)以上相機組成立體視覺(jué)系統）、通過(guò)相機捕捉投射的激光圖像實(shí)現立體測量的激光3D掃描技術(shù)、利用投影機通過(guò)結構光編碼技術(shù)實(shí)現3D視角重建過(guò)程的結構光3D掃描技術(shù)、通過(guò)LED發(fā)射高頻光信號，并根據信號從發(fā)射到返回的時(shí)間差來(lái)實(shí)現距離測量的TOF相機技術(shù)等。其中單目3D視覺(jué)技術(shù)結構簡(jiǎn)單但精度低；而雙目和多目3D視覺(jué)技術(shù)精度較高，但算法和結構相對復雜；激光3D技術(shù)速度快，但受到激光散斑缺陷的限制，很難達到較高的精度。同時(shí)結構光3D技術(shù)精度高、速度快，卻無(wú)法用于透明、黑色或強反射表面，TOF相機技術(shù)速度快、精度較高，但成本又相對較高。當下，被動(dòng)3D、激光3D和結構光3D視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展較為成熟，并被廣泛應用。

      精度是衡量工業(yè)機器人視覺(jué)性能的重要指標，目前很多提高視覺(jué)精度的基礎技術(shù)和核心專(zhuān)利都掌握在日本、美國等一些大型企業(yè)手中，如日本發(fā)那科公司、美國康耐視公司等。

      在工業(yè)現場(chǎng)的工業(yè)機器人，其所使用的機器視覺(jué)系統包括立體視覺(jué)法、結構光法及激光掃描法。其具有代表性的3D視覺(jué)系統技術(shù)是公開(kāi)號為US6490369B1的專(zhuān)利申請，其存儲有具備ID參數及鏡頭確定位置信息的方盒模板，它將存儲信息中的變形圖像轉變?yōu)檎鎸?shí)圖像，確定真實(shí)圖像的參數并與模板參數比較，使得計算機能夠識別用于機器人進(jìn)行先期操作的方盒。此外，其公開(kāi)號為EP1584426A1的專(zhuān)利申請，還涉及工具中心點(diǎn)的校準系統。在此基礎上，發(fā)那科公司還于2006年研發(fā)了fanuciRVision3DL視覺(jué)系統，該視覺(jué)系統由一個(gè)安裝于地面上的3D激光傳感器來(lái)完成視覺(jué)數據采集，該技術(shù)解決了機器人抓取毛坯件后，上料定位孔位置變化等問(wèn)題，可自動(dòng)完成位置變化，實(shí)現高精度上料。

      通過(guò)圖像處理提高系統精度，如其擁有的PatMax技術(shù)作為機器視覺(jué)中高******度、高速度、高處理量的物體定位技術(shù)，于1997年在全球******獲得專(zhuān)利授權，此后一系列專(zhuān)利文獻如公開(kāi)號為US6856698B1“快速高精度多維圖形的定位”的專(zhuān)利申請、公開(kāi)號為US6850646B1“快速高精度多維圖形的檢測”的專(zhuān)利申請、公開(kāi)號為US6658145B1“快速高精度多維圖形的檢測”的專(zhuān)利申請，均涉及PatMax技術(shù)。該技術(shù)采用一系列不依賴(lài)于像素網(wǎng)格的邊界曲線(xiàn)而獲取物體的幾何形狀，隨后在圖像中尋找與其相似的圖像，這種技術(shù)***顯著(zhù)的特征在于不受特定灰度級別的限制。此外，該公司在2006年至2008年還提交了公開(kāi)號為US2007081714A1“用于實(shí)用3D視覺(jué)系統的方法和設備”的專(zhuān)利申請和公開(kāi)號為US2008298672A1“通過(guò)機器視覺(jué)定位三維對象的系統和方法”的專(zhuān)利申請，以及公開(kāi)號為US2010166294A1“使用機器視覺(jué)進(jìn)行目標的三維校準的系統和方法”的專(zhuān)利申請。與此同時(shí)，該公司于2011年5月推出了以這些專(zhuān)利為基礎技術(shù)的VisionPro3D軟件系統，能夠提供******、實(shí)時(shí)的定位3D位置信息，還可應用于汽車(chē)等精密制造業(yè)中的裝卸、打包和組裝驗證。

      除了提高技術(shù)精度外，安全性也是工業(yè)機器人應用中一項非常重要的指標。德國的西克公司是一家通過(guò)3D視覺(jué)技術(shù)來(lái)提高工業(yè)機器人安全性的公司。如該公司提交的公開(kāi)號為EP2380709A2的專(zhuān)利申請，***采用了結構光3D圖像技術(shù)，在機器人與操作人員共存于某一區域中時(shí)，利用3D傳感器來(lái)確定操作人員的行動(dòng)軌跡，避免發(fā)生安全事故，進(jìn)而提供智能保障。

3D技術(shù)國內專(zhuān)利布局

      筆者通過(guò)中國專(zhuān)利文摘數據庫進(jìn)行檢索發(fā)現，截至2018年2月2日，國內申請人在關(guān)于工業(yè)機器人3D視覺(jué)領(lǐng)域共提交專(zhuān)利申請594件，多涉及3D視覺(jué)在工業(yè)機器人上的應用，且三分之一左右為高校、科研院所申請。一些專(zhuān)注于工業(yè)機器人研發(fā)的國內企業(yè)，已對此展開(kāi)專(zhuān)利布局，如沈陽(yáng)新松機器人自動(dòng)化股份有限公司，該公司目前在該領(lǐng)域共提交了十幾件專(zhuān)利申請，且大多數是在近5年內提交的，如公開(kāi)號為CN104511905A的專(zhuān)利申請中，其基于色彩條紋的結構光的視覺(jué)來(lái)引導機器人手臂運動(dòng)，可使機械手臂操作模式更加******，該技術(shù)實(shí)現了機器人動(dòng)作速度和******性的優(yōu)化。在公開(kāi)號為CN106595511A的專(zhuān)利申請中，其采用了遺產(chǎn)算法與Hausdorff距離相結合的圖像匹配方法找到相機獲取圖像中被測量物體的位置信息，再移動(dòng)機器人使激光照射到被測物體上，讀取相機圖像中激光的信息，再利用三角測量的原理來(lái)測量物體的三維信息的技術(shù)。從上述技術(shù)中可以看出，中國工業(yè)機器人企業(yè)在3D視覺(jué)技術(shù)方面，特別是在3D技術(shù)應用向技術(shù)創(chuàng )新方向上所做的努力。與此同時(shí)，近幾年，國內企業(yè)除了在激光3D和結構光3D技術(shù)等較為成熟的領(lǐng)域進(jìn)行了創(chuàng )新外，還在專(zhuān)利申請量較少的TOF技術(shù)上進(jìn)行了改進(jìn)。如公開(kāi)號為CN106772414A的“一種提高TOF相位法測距雷達測距精度的方法”的專(zhuān)利申請，其能夠在不改變硬件技術(shù)的前提下，提高測距精度。

      綜上所述，目前應用于工業(yè)機器人領(lǐng)域的3D視覺(jué)控制技術(shù)已逐漸成熟，很多重要技術(shù)來(lái)自日本、美國和歐洲等國家地區，如日本發(fā)那科公司已將3D視覺(jué)產(chǎn)品作為附加設備融合到自身產(chǎn)品中。美國視覺(jué)技術(shù)企業(yè)如康耐視公司，則更注重視覺(jué)技術(shù)本身，而歐洲視覺(jué)技術(shù)企業(yè)更專(zhuān)注于某一領(lǐng)域的應用。目前，我國的3D視覺(jué)控制技術(shù)多涉及高校的理論研究和具體的產(chǎn)品應用，并開(kāi)始逐漸向能夠研制、生產(chǎn)的視覺(jué)技術(shù)產(chǎn)品的方向努力。我國工業(yè)機器人企業(yè)，可在某一特定應用領(lǐng)域，趕超并研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，讓工業(yè)機器人具備一雙“火眼金睛”。