摘取自動(dòng)拾取機(jī)器人技術(shù)的「圣杯」，隨機(jī)拾取在艱難中前行
單次卸載集裝箱的一部分并放入機(jī)器，散裝零件重組以及訂單履行這樣單調(diào)的任務(wù)需要大量的勞動(dòng)力，如果零件非常沉重尖銳，這些任務(wù)還相當(dāng)危險(xiǎn)。零件拾取機(jī)器人做這種重復(fù)性的工作已經(jīng)許多年了。但是，還有更多的應(yīng)用亟待實(shí)現(xiàn)。制造和倉儲自動(dòng)化也正在焦慮地觀望之中。
盡管自動(dòng)拾取機(jī)器人比以往都要高效，但是它們依然有其局限性。我們尚未掌握這項(xiàng)科技中的最神圣的部分隨機(jī)零件拾取機(jī)器人。盡管如此，我們還是能看到一些顯著的進(jìn)步。以領(lǐng)先的視覺技術(shù)軟件作為強(qiáng)大支持，逐漸開發(fā)的解決方案可以讓機(jī)器人探索這一未知領(lǐng)域。
為什么機(jī)器人實(shí)現(xiàn)隨機(jī)拾取這么艱難呢？
問題在于精確性。盡管機(jī)器人因其可重復(fù)性而備受贊賞，隨機(jī)拾取則需要在混亂時(shí)維持高精確度。機(jī)器人需要將零件放在一個(gè)未結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中的空間里，然而其他零件也會隨著每次機(jī)器人取出零件而不停移動(dòng)位置。機(jī)器人的靈活性、機(jī)器視覺、軟件配置以及計(jì)算需要實(shí)時(shí)處理所有的數(shù)據(jù)以達(dá)到這種精確的平衡，并給出解決算法以找出需要拾取的零件。聽起來難以實(shí)現(xiàn)，但并不是不可能的。
「對自動(dòng)拾取機(jī)器人的能力以及其局限的炒作早就甚囂塵上�！筬anuc公司的智能機(jī)器人/機(jī)器視覺工程師DavidDechow說道，「現(xiàn)實(shí)是，機(jī)器視覺對于所有我們希望它執(zhí)行的其中一些任務(wù)都非常適合，并且足夠強(qiáng)大和可靠，無論是審察，二維或者三維引導(dǎo)。從我自己許多年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來說，自動(dòng)拾取也在這一類型當(dāng)中。這其實(shí)是一種真實(shí)世界的本領(lǐng)，但是也仍然是我們希望機(jī)器人完成的事情之一�！�
Dechow與已故的機(jī)器人視覺引導(dǎo)領(lǐng)域的專家AdilShafi曾經(jīng)合作密切，后者為早期自動(dòng)拾取技術(shù)的進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)。許多他的創(chuàng)新依然還在影響這這些領(lǐng)域的發(fā)展。
Shafi預(yù)言機(jī)器人隨機(jī)拾取將會成為2020年的主流。很多當(dāng)代人相信他是對的。自動(dòng)拾取在如今已經(jīng)相當(dāng)常見。
「我會說，隨機(jī)拾取正在成為一種主流現(xiàn)象�！笵echow說道，「我認(rèn)為Adil的思想和創(chuàng)作都在促進(jìn)這個(gè)過程。他就如同一個(gè)傳教士一樣，而剩余的應(yīng)用所帶來的特殊挑戰(zhàn)也會在不遠(yuǎn)的將來被解決�！�
自動(dòng)拾取主要有三種類型：結(jié)構(gòu)化的，半結(jié)構(gòu)化的以及隨機(jī)自動(dòng)拾取。越往后，其應(yīng)用的復(fù)雜性就會增加，成本與循環(huán)時(shí)間也是如此。（這里將集裝箱或行李箱和無包裹的零件做出區(qū)分。在后面會詳述為什么這個(gè)區(qū)分很關(guān)鍵）
結(jié)構(gòu)化零件以有規(guī)律和組織的形式容納在集裝箱里，因此易于成像和拾取。
半結(jié)構(gòu)化零件以某種程度上的組織和規(guī)律容納在集裝箱，能夠幫助成像和拾取。
隨機(jī)零件以完全的隨機(jī)形式容納在集裝箱內(nèi)，方向不同，且有重疊甚至纏繞的現(xiàn)象，讓成像和拾取很困難。
在這三個(gè)子集中，我們還要基于要拾取的零件的特性，例如，在集裝箱中以不同的形態(tài)去進(jìn)一步考慮。
「結(jié)構(gòu)化與半結(jié)構(gòu)化的自動(dòng)拾取通常很容易操作，并且非常迅速，因此不需要復(fù)雜的技術(shù)�！笵echow說，「當(dāng)我們討論技術(shù)上的『圣杯』時(shí)，我想到的更多的是隨機(jī)的情況，重疊與纏繞的情況，以及多種類型的零件拾取�！�
他提到結(jié)構(gòu)化的自動(dòng)拾取經(jīng)常由二維視覺完成，「當(dāng)你想起自動(dòng)拾取的時(shí)候，每個(gè)人都在想三維成像以及三維分析。實(shí)際上，自動(dòng)拾取領(lǐng)域的一些任務(wù)可以只用二位成像與二維分析完成�！�
幾何對稱的成功
零件的特性經(jīng)常決定一個(gè)零件是否適合自動(dòng)拾取。Dechow說他們已經(jīng)從「十分有把握的事情」前進(jìn)到了更有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。
「有一些零件在幾何結(jié)構(gòu)以及在任意集裝箱里的形態(tài)都十分適合。」Dechow說，「在這種類型的零件中，絕對成功率會更大，幾何形態(tài)并不復(fù)雜的零件在隨機(jī)靜置的狀態(tài)下并不會發(fā)生很大改變�！梗o論零件會掉落到或者躺在集裝箱內(nèi)的哪個(gè)地方，這都是它的隨機(jī)靜置狀態(tài)中的一種。）
也有一種混合類型的集裝箱，但是它們的零件在幾何分布上很相似。它們更大，由于其對稱性構(gòu)造，因而并不是很復(fù)雜。即使它的底面甚至可以放下一個(gè)箱子，它依然是一個(gè)可分析的相對連續(xù)的表面。許多應(yīng)用都屬于這一種類。這種混合的產(chǎn)品類型訂單很常見，并且通常很成功，因?yàn)槟阍趥}庫里找到的產(chǎn)品通常都屬于這種幾何對稱的類型。
「它們并沒有什么奇特的特征�！笵echow說，「并不沉，并且在它們的隨機(jī)靜置狀態(tài)中，它們依然有足夠的可識別的表面以用來拾取。這種三維自動(dòng)拾取是如今最成功的案例�！�
Dechow提到如果有些物品表面有圖像或打印的字體，也不會有所不同。因?yàn)榇蟛糠衷粕傻娜S圖像與目標(biāo)的圖像標(biāo)志并無關(guān)系。
「它們不需要有多么漂亮或者干凈�！笵echow說，「想一想工廠里機(jī)器處理，鍛造或加熱的大型鋼坯，大概有20或30磅重。但是就像我們所說的，在不同的靜置狀態(tài)下，它是一個(gè)連續(xù)的幾何形狀，并且僅有幾個(gè)幾何表面。這對于機(jī)器人來說易于拾取并抓握�！�
復(fù)雜幾何也在進(jìn)步
隨著零件更加復(fù)雜，自動(dòng)拾取也從易到難，但是易于識別的特征例如甜甜圈形狀還是會讓事情更簡單。
機(jī)器人隨機(jī)自動(dòng)拾取利用FANUC公司的iRVision三維區(qū)域感應(yīng)器以及兩個(gè)機(jī)器人來拾取集裝箱內(nèi)被沖壓扁的汽車，以及交給熱處理機(jī)器。MotionControlsRobotics是一種RIA認(rèn)證的機(jī)器人的制造商，它可以為一級供應(yīng)商設(shè)計(jì)并安裝電池單元。
FANUC的自動(dòng)拾取機(jī)器人由雙頭的多功能末端執(zhí)行器，它可以利用Magswitch開發(fā)的磁鐵抓捕器在集裝箱內(nèi)重組零部件，使抓取更加容易，以及由SCHUNK開發(fā)的兩指抓握器去拾取零件并將它們?nèi)拥交萆稀；萆系母袘?yīng)器會告訴機(jī)器人的第二個(gè)控制端零件的方向，并告訴它輪緣是向上還是向下，因此機(jī)器人就知道該如何抓取零件。接著，機(jī)器人會從滑梯上取下零件，調(diào)整方向，將它嵌入到熱處理機(jī)中。并撿起完成的零件并將它交給下一步的操作。
這家機(jī)器人公司會在成功之前嘗試多種手臂末端工具的設(shè)計(jì)與視覺處理。這對于自動(dòng)拾取應(yīng)用并不稀奇。這種三維技術(shù)仍然需要足夠熟練的組裝技巧，零件更加復(fù)雜，組裝任務(wù)也會更加困難。Dechow表示，在簡單與困難的這個(gè)范圍中間則是更加復(fù)雜的架構(gòu)。
「想象一個(gè)像曲軸一樣的圓形物體，很長并有一定的幾何形狀。從一面來看，它可能是個(gè)圓柱體，而從另一端看，它還可能是一個(gè)小型活塞桿。它是一個(gè)長的物體，因此它可能會被某些部分所覆蓋。假如有另一個(gè)零件覆蓋在它上面，一個(gè)30磅的物體甚至可能會變成50或者60磅重的物體�！笵echow說。
「這些零件可以劃分為一個(gè)大的種類，你可以在重工業(yè)或者自動(dòng)化制造業(yè)中看到它們�！笵echow接著說，「它們常常用集裝箱來運(yùn)輸，你在集裝箱上面，也就是成像的位置，只能看到一個(gè)零件的一部分，而這僅僅是冰山一角。隱藏在其下的才是大部分，因此很難去找出到底哪個(gè)才是最適合的抓握機(jī)器�！�
片狀物，包裝以及變形依然具有挑戰(zhàn)性
還有些物體對于機(jī)器視覺，甚至三維成像技術(shù)來說，依然十分困難。
「例如某些片狀物體，非常薄但很寬闊，它們被壓扁然后覆蓋于彼此之上�！笵echow解釋，「這讓機(jī)器非常難于區(qū)分這些物體，因?yàn)楦叨鹊淖兓治⑿�，并且這些零件的幾何形狀也會讓機(jī)器困惑�！�
「包裝好的零件，以及裝在塑料包裝里的零件和軟（易于變形）的零件，這些都是機(jī)器人難以識別的物體�！�
「我們從來不會說『不行』」他補(bǔ)充說，「我們希望將這個(gè)技術(shù)推動(dòng)到極限，而且我們也經(jīng)常這樣做�！�
二維隨機(jī)自動(dòng)拾取
位于荷蘭和密歇根州的JR自動(dòng)化技術(shù)公司也是一個(gè)堅(jiān)持挑戰(zhàn)極限的公司。這一家RIA認(rèn)證的機(jī)器人制造商也是FANUC機(jī)器視覺技術(shù)下的機(jī)器人指定測試站點(diǎn)。
「我們會在新技術(shù)的測試階段試用并感受它，然后提供評估與反饋�！笿R自動(dòng)化公司的控制工程經(jīng)理TYLERMcCoy說，「我們已經(jīng)這么做了很多年了，某種意義上，我們就是FANUCiRVision的試驗(yàn)床。」
McCoy提到他們整合了許多結(jié)構(gòu)化以及半結(jié)構(gòu)化的自動(dòng)拾取應(yīng)用技術(shù)，他們認(rèn)為這將是一個(gè)趨勢。隨機(jī)自動(dòng)拾取技術(shù)則看起來仍然很稀少且遙遠(yuǎn)。
「我們最近實(shí)現(xiàn)了為汽車座背裝配零件的自動(dòng)拾取算法�！筂cCoy說，「其中包括了一個(gè)看起來像座背的U型結(jié)構(gòu)框架，兩根焊接到頭枕的金屬管，以及跨在框架中間用來安裝靠墊的支撐�！�
「這是一個(gè)包括了組裝與焊接的單元。我們的任務(wù)就是將這些零件從總體上卸下，并將它們放到焊接工具中，再放置在有四個(gè)位置的組裝床上，兩個(gè)機(jī)器人會將這些組件焊接到一起。」
這些U型框架會被放在重力支架（一種傾斜支撐物）上以便更容易地進(jìn)行焊接處理。而兩個(gè)頭枕的金屬管則比較小，可以放入螺旋的碗型送料機(jī)。