立体3D相机助力机器人掌握从货架中取物的技能！

准确检测未分类零件的精确位置的能力，对于机器人进行可靠的箱内拾取至关重要。IDS公司的Ensenso立体3D相机是一款3D图像采集解决方案，其精度高、性价比高且速度快，令人印象深刻。德国公司 bsAutomatisierung GmbH 正利用这款相机提供的全新功能，打造出极具速度优势的料箱拾取解决方案。

在机器人辅助生产中，拾取作业仍然是最难完成的任务之一。为了能够从金属网托盘或堆垛箱中取出未经分类的零件，机器人必须能够准确检测物体的形状、尺寸、位置和对齐状态。所有这些信息对于实时生成无碰撞的机器人路径都至关重要。

然而，一旦开始采集3D数据，挑战便随之而来，因为除了精度和完整性外，还必须满足短周期时间和工艺稳定性的要求。迄今为止，现有的解决方案寥寥无几，要么运行速度过慢，要么无法达到所需的工艺稳定性水平，因此不适合用于批量生产。或者，它们的价格实在太高了。

IDS公司的Ensenso立体3D相机在机器人视觉应用所需的循环时间、可用性和成本效益方面，成功满足了所有要求。这款配备USB接口的工业相机是市场上首款同类产品，它不仅将两个具备WVGA分辨率的全帘幕快门CMOS传感器和功能强大的软件集成于极为紧凑的机身内，还配备了一个红外图案投影仪。它会在待拍摄的物体上投射出随机的点阵图案，从而能够增强或突出物体表面那些肉眼不可见或仅能隐约看到的结构。这是必要的，因为立体配准需要识别图像中的“特征点”。随后，两个图像传感器将根据立体视觉原理对物体进行捕捉。最后，利用基于三角测量原理的几何关系，对每个像素进行3D坐标的重建或计算。这意味着，即使将表面相对单调的零件放入料箱中，也能在无需额外技术投入的情况下，生成整个表面几乎无缝且细节丰富的3D图像。这一切仅在几毫秒内就完成了。

Ensenso 提供的速度优势，在应用于 bsAutomatisierung 的箱内拾取机器人工作站时，能带来显著效益。该公司总部位于斯图加特以南约60公里的罗森菲尔德，专门从事用于生产设备快速精准装卸及零部件搬运系统的研发与制造。其箱内拾取单元能够自动从容器中取出单个、排列不规则的零件，并将其传递给后续的生产工序。这些细胞的循环时间不到10秒，而采用光切片法等传统方法是无法实现这一点的。根据具体应用和客户需求，这些单元可配备经典的多轴工业机器人，也可配备线性门式机器人。它们采用模块化结构，可根据不同容器尺寸进行调整，既可单独使用一个料斗，也可同时使用多达四个料斗。

每个货箱均由两台固定安装的Ensenso相机进行监控。与直接安装在机械臂上的相机相比，这种方案具有两大主要优势。首先，该系统能够缩短生产周期。当机器人正忙着从一个料箱中取出零件时，另一个料箱的物体检测过程已经可以开始了。即使零件只需从单个料箱中取出，在机器人将刚取出的零件放置到其他位置的同时，寻找下一个零件的过程也可以开始。

此外，由于相机软件专为多摄像头应用而设计，因此不同Ensenso摄像头的图像可以非常轻松地相互校准。当同时使用两台或更多台相机时，可以从不同角度同时拍摄同一场景，从而减少阴影并扩大画面范围。在使用多台相机进行作业时，N10软件同样会生成一个包含所有已用相机数据的单一3D点云。通过调整安装的相机数量，还可以相应地提升精度，以满足几乎任何需求。此外，Ensenso 软件不仅支持将多台立体相机组合使用，还可将这些相机与传统工业相机配合使用，例如用于采集颜色信息或条形码。

最后，Ensenso 软件接管了两个 CMOS 传感器和图案投影仪的控制权，并负责 3D 数据的采集和预处理。因此，帧率和图像质量均得到了优化，从而大大降低了用于分析的电脑所需的资源消耗。该相机设计的工作距离为260毫米至1,400毫米，并支持可变视场。3.6 至 16 毫米的焦距范围可覆盖各种距离和尺寸。与其他3D成像技术不同，这款相机能够以高达30fps的帧率捕捉静止和移动物体。尽管配备了两个传感器和一个内置投影仪，这款相机的尺寸仅约为150 x 45 x 45毫米，重量也仅为400克。得益于其坚固的铝制外壳以及支持 12-24 V 硬件触发、输入和输出的 GPIO 连接器，Ensenso 完全能够胜任工业应用。因此，3针M8传感器/执行器连接器和USB线缆均采用可螺丝固定的设计。

然而，Ensenso 还为原始设备制造商（OEM）和系统集成商提供了另一项关键优势。该设备开箱即用，可立即生成3D数据。这意味着可以立即安装。接下来只需对机器人进行校准，使其能够与相机协同工作。只需在机器人夹爪上安装一块校准板，就能非常轻松地完成这项操作。该软件利用该基板计算相机的安装位置，并将3D数据立即映射到机器人的坐标系中。

捕获的图像使用Halcon 11进行分析。所需的接口已包含在 Ensenso 的综合软件包中，其中还包含适用于 C、C++ 和 C# 的 API。随后，已找到部件的目标坐标以及作为动态障碍物的集装箱内剩余物品的分布图会被传输至一个软件模块。该软件利用这些信息，结合来自工作单元、机器人及机器人夹具的CAD数据，生成一条无碰撞的机器人运动路径。路径被传输到机器人控制系统，并在那里执行。拾取操作可能会因定位不准确、识别错误或零件移位而失败。该机器人通过夹爪上的各种传感器以及夹爪与法兰之间的碰撞监测功能，能够检测到这一故障。随后，机器人会自主驶出容器，并尝试在另一个位置拾取该零件。无需人工干预。整个过程由可编程逻辑控制器（PLC）进行监控和控制。PLC还负责告知机器视觉系统应拾取何种零件、何时拾取以及从哪个料箱中拾取。

迄今为止，由于该技术复杂且成本相对较高，3D机器视觉所蕴含的潜力尚未得到充分开发。然而，bsAutomatisierung 推出的这些取箱单元充分展示了，通过采用 Ensenso 立体 3D 相机，该工艺如何能够以保证成本效益和工艺可靠性的方式得以实现。这款相机配备 USB 2.0 接口，易于集成，其技术设计也使其在价格方面极具吸引力。此外，在速度方面，Ensenso 远胜于其他同类解决方案。除了配备USB接口的Ensenso外，不久还将推出一款配备GigE接口并搭载两枚e2v公司130万像素CMOS传感器的机型。