利用TI DLP技術(shù)驅(qū)動結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)實現(xiàn)箱揀精度

在工業(yè)環(huán)境中，每天需要處理不同形狀、尺寸、材料和光學(xué)特性(如反射比、吸收等)的零件。這些零件必須以特定的方向挑選和放置，然后進行加工。將這些零件隨機從存放的環(huán)境(容器或其他)中自動挑選并放置的活動通常被稱為箱揀。但這對機器人末端執(zhí)行器(一種連接到機械臂末端的設(shè)備)提出了挑戰(zhàn)，它需要準(zhǔn)確地知道要抓取物體的3D位置、尺寸及其想方向。為了做到在箱子外壁和箱內(nèi)其他物體周圍準(zhǔn)確導(dǎo)航，機器人的機器視覺系統(tǒng)除了需要獲取2D相機信息外，還需要獲取深度信息。

對于箱揀來說，捕獲物體3D影像的難題可以由結(jié)構(gòu)光技術(shù)解決?；诮Y(jié)構(gòu)光技術(shù)的3D掃描儀/相機通過將一系列圖案投射到被掃描的物體上而工作，并且用相機或傳感器來捕獲圖案失真。然后三角剖分算法計算數(shù)據(jù)并輸出3D點云。圖像處理軟件(如MVTech開發(fā)的Halcon)計算物體位置和機械臂的最佳進場路線(圖1)。

圖1：使用Halcon將管接頭與其各自的3D模型進行匹配的示例(來源：MVTech開發(fā)的Halcon)

DLP技術(shù)通過安裝在半導(dǎo)體芯片頂部的微鏡矩陣(也稱為數(shù)字微鏡器件，DMD)提供高速圖案投射能力，如圖2所示。DMD上的每個像素表示投影圖像中的一個像素，并允許像素精確圖像投影。微鏡在~ 3us時可以轉(zhuǎn)換，以通過投影透鏡將入射光反射到物體上或光塊上。前者可以在投影場景中獲得明亮像素，而后者可以創(chuàng)建暗像素。DLP技術(shù)也具備獨特的優(yōu)勢，能夠使用各種光源(如燈、LED和激光)在寬波長范圍(420 nm – 2500 nm)內(nèi)投射圖案。

用于箱揀的由DLP技術(shù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)光具備多種優(yōu)勢：

·抗環(huán)境光照能力強。工廠的光照條件，如低曝光和不同照明區(qū)域之間的高對比度，導(dǎo)致傳感器曝光不足或會對機器視覺系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的閃光燈，對需要機器視覺的應(yīng)用(如箱揀)來說是一大挑戰(zhàn)。由DLP技術(shù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)光本身具有主動照明，這使得它能夠抵抗這些條件。

· 無活動部件。結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)可以立即捕獲整個場景，不再需要將光束掃過物體或通過光束移動物體(如在掃描解決方案中)。結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)保護在宏觀尺度內(nèi)不使用活動部件，這使其能夠免受機械磨損。

·實時3D圖像采集。DLP芯片中的微鏡以高速度控制，可提供高達32kHz的自定義圖案投影。除此之外，DLP控制器提供觸發(fā)輸出和輸入，可用于使相機和其他設(shè)備與投影圖案序列保持同步。這些功能有助于實現(xiàn)允許同時掃描和挑選的實時3D圖像采集。

· 投影圖案的高對比度和高分辨率。由于每塊微鏡可以將光反射到目標(biāo)或吸收表面上，因而可以獲得高對比度，使得能夠在不受物體表面屬性影響情況下進行準(zhǔn)確的點檢測。再加上使用具有2560 x 1600塊鏡子的高分辨率DLP芯片，可以探測到微米級的物體。

·適用于物體參數(shù)。與使用衍射光學(xué)元件的系統(tǒng)相比，可編程圖案和各種點編碼方案(如相移或格雷編碼)使結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)更適合對象參數(shù)。

·加快開發(fā)時間。盡管機器人提供較高的重復(fù)性，但在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，箱揀需要精確性。因為在這種環(huán)境下，每次從儲存箱中取出一個物體時，所揀選的物體的位置和方向都會發(fā)生變化。成功應(yīng)對這一挑戰(zhàn)需要可靠的工藝流程——從機器視覺到計算軟件，再到機器人的靈巧性和抓取器。使所有東西協(xié)同工作可能是一項耗費大量開發(fā)時間的挑戰(zhàn)。

圖2：DLP芯片包含數(shù)百萬個可在高速下單獨控制并反射光線以產(chǎn)生投影圖案的微鏡。

TI的DLP技術(shù)評估模塊能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)光快速植入機器視覺工作流程。為了演示這種能力，工廠自動化與控制系統(tǒng)工程師以一定的距離和角度將DLP LightCrafter 4500評估板安裝至單色相機。DLP評估板由相機通過一根互相連接的觸發(fā)電纜觸發(fā);如圖3所示。

圖3：結(jié)構(gòu)光設(shè)置，包括DLP產(chǎn)品LightCrafter 4500(左)、灰點前視紅外線Flea3相機(右)和校準(zhǔn)(后)。

電路板和相機都通過USB連接到PC，且整個設(shè)置都用于校準(zhǔn)板。使用DLP®技術(shù)為3D機器視覺應(yīng)用程序精確生成點云的參考設(shè)計中軟件之后會被用于校準(zhǔn)相機和投影儀的參數(shù)，如焦距、焦點、鏡頭失真、相對于校準(zhǔn)板的相機平移和旋轉(zhuǎn)。參考設(shè)計用戶指南逐步介紹了此過程。

只有當(dāng)相機相對于DLP產(chǎn)品板移動時，才需要重新校準(zhǔn)。

在完成設(shè)置之后，可以創(chuàng)建真實目標(biāo)的點云。這些云由軟件以任意文件格式輸出，然后由Halcon的HDevelop平臺上開發(fā)的一些簡短代碼來讀取和顯示。圖4顯示了一個點云，該點云對裝滿咖啡杯的箱子的深度信息進行了顏色編碼。

圖4：在Halcon HDevelop(右)中顯示的箱子中，捕捉到的杯子(左)和由DLP驅(qū)動的多個杯子的結(jié)構(gòu)光獲取的點云

Halcon的表面匹配可以通過比較點云和杯子的3D CAD模型來確定杯子的3D姿態(tài)。這樣一來，機械臂現(xiàn)在就可以“看到”物體，并且可以計算出機械臂的最佳進場路線，使其能夠避開非結(jié)構(gòu)化和不斷變化的環(huán)境中的障礙物，從而從箱中挑選出物體。