机器视觉与机器人协同：开启下一代自动化

下一对“黄金搭档”可能完全不涉及人类。“机器视觉与机器人是完美婚姻，”ABB 机器人（密歇根奥本山）全球视觉系统产品经理 Klas Bengtsson 言。这不新鲜。视觉与机器人多年携手。但与其他婚姻不同，这段因机器视觉能力扩展、新应用涌现而愈发繁荣。“完美”婚姻过去指导机器人。新应用——如美满婚姻的孩子——如今包括检测零件、读取条码/二维码实现追溯、寻找装箱拆箱新方式。

核心在于机器视觉提供的灵活性。“视觉增强了许多机器人应用能力，”他说。

灵活引导机器人的需求，源于产品多样性增加与诸多行业缩短交期需求。为何灵活如此重要？“若硬编码机器人自动化，产品或产线一变就得改程序，”Bengtsson 说。这也意味着改精密工装或放置方式，让硬编码引导程序能可靠拾取、抛光或操作零件。成本累积。

机器视觉让机器人“看见”零件变异与方位，遏制成本。3D 扫描传感器开启更多新应用。Bengtsson 说：“15 年前问‘为何用机器视觉’。今日问：‘为何不用？’”

人机协作

2008 年创立的 Rethink Robotics（波士顿）制造协作机器人（协作机器人）。旗舰产品 Sawyer。“像 Sawyer 这样的协作机器人最适合执行人尺度的重复、枯燥任务，”产品经理 Mike Fair 说。即处理复制人类动作、极度重复枯燥的产品或动作。

“应用包括包装、机床看护、上下料、检测、PCB 测试，”他说。CNC 机床物料搬运是另一应用，替代装夹 CNC、循环、等待加工完成、卸料的人类。

Rethink 深信机器视觉，在每台 Sawyer 手腕嵌入摄像头。“嵌入式视觉系统让协作机器人部署更快更易，省去典型机器视觉系统的麻烦与高昂集成时间。我们加软件让部署视觉系统更易，”Fair 说。ATX West 2018 展会上，他演示甚至记者能在几分钟内编程简单任务。配合类二维码的编码贴纸，软件帮机器人定位以适应工作单元变异。也便于 Sawyer 在任务与地点间移动。

Universal Robots USA Inc.（UR；密歇根安娜堡）也专注协作机器人。其三款负载 3-10 kg 机器人运行在第三方提供商“生态系统”中。提供免费开发者计划 Universal Robots+，让末端执行器、视觉系统等外设第三方提供商开发即插即用插件。

公司网站展示生态系统内六种视觉选项，适配拾取放置、CNC 自动化、包装码垛、装配、拧螺丝、机床看护。提供 2D 和 3D 扫描器。多款机器人运动控制与仿真软件包可用。

集成与易用性

机器视觉要好用，必须易获取，这是 UR 生态系统重要要素。例如其第三方包 Universal Metrology Automation，由 3D Infotech 提供。集成运动控制系统、3D 扫描器、检测软件，创建可配置自动化计量方案。其他程序提供在线/离线编程、机器人仿真软件、监控能力。

“如今机器人与视觉系统集成好得多，”Apex Motion Control（不列颠哥伦比亚萨里）总裁 Rob Antonides 说。Apex 是充分利用 UR 生态系统方法的集成商。“过去得黑客式拼凑视觉系统与机器人控制器，今更无缝即插即用，通过 EtherNet/IP 或任意组网。二十年前我花周搭建视觉引导机器人系统与通讯；今 15-20 分钟。”

机器视觉对 Apex 尤其有用。自动化任务包括各类烘焙操作，含蛋糕装饰。“视觉系统让你处理不一致与不完美呈现定位。用 3D 传感器映射蛋糕表面，快速轻松装饰，”Antonides 说。

FANUC 也重易集成。“去年底发布全新控制器，显著功能为集成机器人视觉，”FANUC America Corp.（密歇根罗切斯特山）资深工程师-智能机器人/机器视觉 David Dechow 解释。“FANUC 所有视觉系统现嵌入控制器。”FANUC 是最早为机器人引导提供视觉的机器人公司之一，30 年前作为机器人引导系统选项提供。

Dechow 也观察到机器视觉公司专注开发与机器人更易的接口。“视觉供应商明显支持此市场，”他说。“让协作工作的重活在视觉端。机器人期待一个点。诀窍是用机器视觉找到正确点，融合机器视觉坐标系与机器人坐标系。”他赞同受访者：机器视觉在许多自动化任务提供无可比拟灵活性。今天成本收益比开始倾向视觉而非精密工装与硬编码。

AI：姿态识别与判别

视觉、数据、机器人自然引出 AI 对视觉机器人有多大用处。Dechow 指出陷阱——AI 对机器人引导不特别适用。“AI 学习极擅长分类与区分。不擅长离散分析，”他解释。机器人需移动到离散点。结合测量系统，测量离散几何量。“无可学，”他说。

但未尽。若不适用引导，有机器人任务 AI 有价值。“例如，识别分类物体于背景中，确定机器人操作对象，结合机器人引导，是良好混合应用，”他说。另一是拾取夹持优化。“寻找手臂空间理想朝向与进近路径属学习域而非确定性。有许多好坏朝向，”他解释。“AI 在零件随机、非同质放置尺寸时特别有用。”

Denso Products and Services Americas Inc.（加州长滩）Peter Cavallo 认同视觉系统能力实质性提升，开启机器人应用新机遇。“最简单形式，找零件操作。最复杂形式，我们现在看到，能看见、解释、识别、知零件为何物——即使不同构型或位置——无需移动零件或机器人。”

他视 3D 扫描为特别重要发展，使箱拾取等先前困难任务变直观。Denso 最新系统用结构光视觉系统配 CMOS 探测器实现 3D 视觉。

他基于更宽系统语境看 AI 应用机器人。“迈入下一代机器人，我们开始涉足深度学习，视觉成为整个系统一部分，”他解释。“东京机器人展展示了含 28 自由度、两个带手机器人组装沙拉的深度学习系统。”为何工业用户印象深刻？机器人仅凭预先提供知识选生菜、水果、蔬菜。“我们没编程机器人；而是告诉它想要什么，”他说。想想车间存在多少非结构化任务，理想适配此自动化。

不只是大企业专利

机器视觉、集成、软件、甚至 AI 可能让人以为此级机器人自动化只属财富 500 强。非也。“高度适用中小企业，因视觉今日成本合理。曾 5-10 万美元，今 5000 美元以下。无理由退缩，”Cavallo 说。

Epson America Inc.（加州卡森）产品经理 Rick Brookshire 赞同机器人自动化理想适配中小企业（SME）。“除采购 50、100 甚至 1000 台机器人的大客户，我们有许多购 1-3 台机器人的小客户，”他说。Epson 专精高精度任务小型机器人，从自制高精度时计需求拓展机器人业务。“所有机器人可选配集成视觉引导，接受度增长中。也更可靠。人们更愿用。”

同受访者，他信简洁至关重要——尤其满足中小企业需求。Epson Vision Guide 用基于对象、点击式 GUI 界面，让开发者快速开发应用。理想视觉引导机器人应用是零件在合理公差内定位不佳、或无法一致呈现，但 Epson 机器人精度开启另一用途域。

公差收紧。零件变小。精密定位愈发难。“精密机器人如 Epson 能助力，”他说。“小公司中越发常见。机器人如此易用，许多客户自行集成。”机器人甚至放置直径小于 0.7 mm 螺丝。随劳动力老龄化，这可能成关键因素。

Applied Manufacturing Technologies（AMT；密歇根奥赖恩）销售副总裁 James Cooper 基于汽车制造经验有独特视角。AMT 专精视觉引导机器人系统集成。多型号复杂系统如变速箱壳体日益普遍。变速箱壳体是大物件，多孔复杂表面——视觉理想，精密硬工装昂贵。“批量变小、换型频繁。这也是视觉引导机器人系统在许多应用成关键原因。”他也观察到 3D 视觉系统增长，尤其箱/盒拾取应用。

超越引导。“质量检测理想应用，查孔在缺、判断组件是否正确装配，”他说。另一富矿是计量检测。“我们与合作伙伴 Hexagon 基于协作机器人建系统检测客户产品。过去在恒温室用 CMM。多年制造商想在产线做。现在可有完全便携系统、无防护，理想首件检测，直接在生产机床旁，”他说。

他赞同这些应用在中小企业增长。也指出这些企业难觅熟练劳动力，驱动更多自动化需求。

ABB 通过与 NUB3D（后收购）合作开发机器人检测系统，NUB3D 为数字 3D 检测与质量控制解决方案领先创新者。交钥匙系统含装在 ABB 机器人臂上的 3D 白光扫描传感器。

Stäubli Corp.（南卡邓肯）用多种第三方机器视觉构建机器人视觉引导应用。但也提供工业机器人需人机交互时的视觉系统另一用法：机器人虚拟安全围栏。

Stäubli 北美机器人业务开发经理 Olivier Cremoux 解释，人机协作可分五阶段。最低阶段 1，多数工业机器人常见，无直接接触，人机互动危险。“机器人与操作员用硬围栏隔开，”他说。最高阶段 5，接触期望且必需，如操作员手动引导机器人搬运重工具或与机器人同步动作。中间阶段在不同层级期望接触，机器人常需停下让人操作。“中间阶段代表 95% 协作应用，”他说。

这些中间阶段，从工作单元向外扫描的 3D 扫描视觉系统可检测人接近。一定距离内，信号减速防接触伤害。人更近，完全停单元。允许人执行检查或放置等动作，然后离开，单元自动重启。

HNJ Solutions Inc.（加州卡森）总裁 Greg McEntyre 称，公司成立旨在提供制造视觉系统含机器人。虽承认视觉系统越来越易用易装，但仍有一类应用需像 HNJ 这样的集成商。“多颜色、尺寸、朝向、普遍不确定性的复杂应用，知晓相机如何工作、为何工作，对装好系统很重要，”他说。

他强调 3D 相机扩展相关应用，如箱拾取。“今天甚至导入物体 CAD 模型，让视觉系统 3D 理解需拾取或操作的物体，”他说。“相机给予完全自由。”

作为复杂视觉与机器人集成商，他有何建议？“虽不像看上去易，我建议直接跳进去，”他说。“有太多有用硬件，视觉引导与视觉应用愈发有用。”换言之，就干。