机器视觉系统如何帮助工业机器人改变制造业

由于劳动力市场紧张，当今的制造商似乎对提高灵活性、提高生产率以及只雇用人力来完成最能增加价值的任务有着永不满足的需求。从机器管理、装配和箱式拣选，到拾放、物料搬运和包装，工业机器人和协作机器人 (cobot) 在工厂自动化中的使用不断增加。

部署机器人应用的主要原因包括成本、体积、质量和精度，以及安全性和重复运动。目前的单位成本是否太高？是否缺乏增加产量的资源？交付的产品是否存在质量问题？零件尺寸或精度要求是否超出了人类的处理能力？处理的材料是否对人体有害，或者重复的动作是否会造成伤害？如果是这样，工业机器人或协作机器人应用程序可能就是答案。

许多制造商已经在机器人技术中使用视觉系统来自动化其装配和检查过程。为了指定用于机器人引导的视觉系统，必须彻底评估和理解应用程序，并且必须定义性能要求。准确性、可重复性、精度、稳健性和吞吐量是决定机器人视觉系统性能的几个考虑因素。不仅选择正确的机器人很重要，而且为手头的任务选择正确的视觉系统硬件也很重要。 

虽然对于简单的机器人视觉系统应用来说，使用机器人供应商提供的 VGR 包可以缩短集成时间，但大多数 VGR 应用都面临着巨大的挑战。机器视觉公司通常擅长图像形成、图像处理和图像分析，这使得它们在提供基于视觉的高性能机器人解决方案方面比机器人供应商具有显着优势。此外，从具有机器视觉经验的信誉良好的供应商处为机器人视觉系统指定相机，可以灵活地使用您选择的机器人，然后从更广泛的相机产品中进行选择，以优化您的机器人视觉系统应用。

Emergent Vision Technologies 可以集成并发货 交钥匙性能系统 涉及多个 机器视觉相机、多个服务器、GPU、FPGA 卡、SSD、交换机和其他组件，专为特定应用要求而设计。这种方法适用于性能算法的快速原型设计和一般部署。这样的系统可以进行性能测试，甚至可以对自定义 GPU 算法进行原型设计，例如人工智能、推理、模式匹配、3D 重建、高斯分布和压缩。还可以使用 NERF（神经辐射场）、RealityCapture、Theia Markerless 和 Agisoft 等软件处理保存的图像。

由于视觉系统的成本较低，如今许多新的 VGR 应用很容易实现成本合理化。得益于简化的校准、更轻松的集成和新的连接标准，VGR 的部署也比以往更快、更容易。最先进的机器视觉系统很容易与其他工厂系统集成，并且可以与网络上的所有其他设备进行通信。这使得它们成为那些希望创建更加互联和自动化工厂的制造商的不错选择。

机器人上的摄像头充当它们的眼睛，拍摄机器人工作单元区域的高分辨率照片或视频。机器人视觉相机的范围从标准 RGB 相机到 NIR 或深度相机等专用变体。将正确的相机与特定的视觉引导机器人应用相匹配对于成功实施 VGR 至关重要。 

Emergent Vision Technologies 的相机支持优化的 GigE视觉 适用于需要可靠图像传输的 VGR 应用的流协议 (GVSP) 方法。对于实时处理和多相机 VGR 系统，Emergent 相机具有零复制图像传输和零数据丢失成像功能，确保以最小的 CPU 开销实现高效的图像传输。

VGR 和许多其他质量控制和检测应用受益于 Emergent 的 5GigE、10GigE、25GigE 和 100GigE 相机以及 Sony Pregius S 和 Gpixel CMOS 传感器。我们的 5GigE Eros 和 10GigE HR 相机中使用了以下 Sony Pregius S CMOS 图像传感器： 

• 5.1MP IMX547： HE-5000-SBL 5GigE 相机 (45.5fps), HR-5000-SBL 10GigE 相机 （99fps）
• 8.1MP IMX546： HE-8000-SBL 5GigE 相机 (36.5fps), HR-8000-SBL 10GigE 相机 （73fps）
• 12.4MP IMX545： HE-12000-SBL 5GigE 相机 (34fps), HR-12000-SBL 10GigE 相机 （68fps）
• 16.13MP IMX542： HE-16000-SBL 5GigE 相机 (26fps), HR-16000-SBL 10GigE 相机 （52fps）
• 20.28MP IMX541： HE-20000-SBL 5GigE 相机 (21.5fps), HR-20000-SBL 10GigE 相机 （43fps）
• 24.47MP IMX540： HE-25000-SBL 5GigE 相机 (17.5fps), HR-25000-SBL 10GigE 相机 （35fps）

25GigE Bolt 系列还利用了 5.1MP IMX537 HB-5000-SB (269fps)，8.1MP IMX536 HB-8000-SB (201fps)，12.3MP IMX535 HB-12000-SB (192fps)，20.28MP IMX531 HB-20000-SB，以及其 24.47MP IMX530 HB-25000-SB （98 帧/秒）。 

此外，机器人视觉系统中的相机分辨率可能会根据应用要求而变化。许多机器人视觉应用都通过具有几百万像素分辨率的机器人视觉相机取得了成功。另一方面，对于高分辨率检查或机器视觉在大 FoV（视场）应用中引导机器人，某些机器人视觉相机可能具有 64 兆或更高的分辨率。

对于需要高分辨率相机的 VGR 应用，例如必须从远处识别小特征或在非常大的视场应用中，Emergent 在其不同相机系列中提供了各种高分辨率型号，范围高达 真力时 HZ-100-G 100GigE 相机 （103.7MP Gpixel GMAX32103）和 Bolt HB-127-S 25GigE 相机 （127.7MP 索尼 IMX661）相机。

某些 VGR 应用可能需要专门的成像技术，例如检测标签上的防伪水印或安全代码。短波红外相机可用于透过这些瓶子进行成像，以确保准确的填充水平。相机如 HE-300-SI, HE-1300-SI, HE-3200-SI及 HE-5300-SI – 它们是 Eros 5GigE 相机系列的一部分 - 利用先进的索尼 SenSWIR 传感器，该传感器能够捕获 400 至 1700 nm 范围内的图像。这些相机基于索尼的 0.33MP IMX991、1.31MP IMX990、3.14MP IMX993 和 5.24MP IMX992 传感器。

许多机器人视觉相机可用于机器人引导和检查，包括远程直接内存访问 (RDMA) 相机。使用这项技术，数据可以在网络中的设备之间移动，而无需 CPU 逐包参与。 

Emergent 利用无处不在的以太网基础设施来实现可靠、稳健的数据采集和传输，而不是专有或点对点接口。它支持 NVIDIA 的 GPUDirect 技术，通过优化的 GigE Vision 实现，可以将图像直接传输到 GPU 内存。

使用 Emergent eCapture Pro 软件，采用 GPUDirect 技术的相机还可以将图像直接传输到 GPU 内存。通过部署该技术，可以实现零 CPU 利用率和零内存带宽成像，且不会丢失数据。通过使用更强大的 GPU 功能，该技术减少了大数据传输对系统 CPU 和内存的影响，同时保持与 GigE Vision 标准的兼容性以及与兼容外设和软件的互操作性。

工业机器人和协作机器人已成为制造过程的重要组成部分，具有广泛的优势，包括提高生产力、效率、质量和安全性。制造商使用多种类型的机器人。每种类型的机器人都有其独特的功能，适合制造过程中不同类型的任务。

铰接式机器人: 关节型机器人是使用最广泛的机器人，根据其具有的旋转点或轴的数量进行分类。最常见的是6轴关节型机器人；大多数机器人和协作机器人都属于这一类。关节式机器人也称为机械臂，由于其旋转接头配置而用途极其广泛，并且可以通过编程或与机器人视觉系统集成轻松适应工艺变化或变化。铰接式机器人由于具有多个旋转轴，因此可以覆盖大型工作空间，这使得它们能够到达所有角度，处理各种工件，并处理复杂的任务，例如装配、焊接、物料搬运和机器维护。

选择性顺应关节式机械臂 (SCARA) 机器人: SCARA 机器人擅长执行需要在平行平面之间移动的垂直装配任务，例如将零件从托盘转移到传送带。在速度最快的工业机器人中，SCARA 非常适合实现高速流程自动化或显着缩短周期时间。在装配应用中，SCARA 机器人结合了灵活性和刚性，由于尺寸更小、机械轴更少，因此具有具有竞争力的性价比。它们相对紧凑的尺寸和短距离使其非常适合小型或有限的工作区域。 SCARA 制造机器人手臂极其精确，使其适用于装配或拆卸应用、拾取和放置、材料搬运以及其他需要精确、速度和平稳运动的操作。

台达机器人: Delta 机器人使用三个安装在底座上的电机来驱动控制臂来定位手腕。由于其并行连杆结构和电机的重量分布，Delta 机器人比大多数其他类型的机器人操纵器更快。事实上，它们比 SCARA 机器人快 30%，每秒最多可加工 3 个零件，每分钟可加工 180 个零件。常见应用包括拾取和放置、粘合剂点胶、包装和分类、焊接、组装操作、3D 打印和触觉控制器。

图1： 机器视觉技术可以帮助引导台达机器人进行高速拣选。

笛卡尔机器人: 笛卡尔机器人通常沿 X、Y 和 Z 轴线性移动。 Z 端的旋转轴可使轴数达到四个。它们易于定制、维护和控制，使用简单的 PLC 进行点对点运动，而不是关节臂机器人，后者需要更复杂的机器人控制系统和编程。直角坐标机器人具有高承载能力、机械刚性和精度，可应用于拾放操作、焊接、检测、CNC 应用、3D 打印、等离子/激光切割、木材铣削和 PCB 组装。

极地机器人： 极地机器人，也称为球形机器人，具有通过扭转机构连接的关节，可实现水平位置的长距离移动和良好的负载提升能力。它们适用于少量垂直移动就足够的应用。极地机器人以速度快、精度高、可处理重负载且尺寸紧凑而闻名，适合在有限的工作空间中使用。应用包括机床装载、材料移动、堆叠、热处理操作、锻造、焊接自动化、装配操作和压铸工艺维护，以及喷漆系统和喷漆线维护应用。

圆柱形机器人： 圆柱形机器人在紧凑的圆柱形工作范围内运行。机械装置经济高效且简单，一根用于底座旋转的旋转轴和两根用于高度和手臂伸展的线性轴。圆柱形机器人具有更高的承载能力，并为机械手提供高刚性。它们通常适用于包装、机器维护、物料搬运、码垛、点胶以及简单焊接和钎焊任务中的拾取和放置应用。

在选择最适合特定应用的机器人类型之前，定义任务的具体要求非常重要，例如所需的速度、精度和有效负载，以及工作空间要求和预算。

传统自动化，包括固定自动化系统和传统盲人机器人和协作机器人，最适合生产大量单个零件或几个类似零件的应用。然而，如果零件无法在机器人准确抓取的适当公差范围内进给或固定，则需要机器视觉来引导机器人以确保精确拾取或放置。

图2： 将机器视觉添加到工业机器人中可以创建具有更多功能的灵活系统。

视觉引导机器人是一种更加灵活和通用的自动化解决方案。机器人视觉系统应用使机器人能够适应产品变化，并实现各种装配应用的自动化，包括小批量零件或多个零件混合批量的装配应用，从而实现灵活制造。使用视觉引导机器人，零件不需要由昂贵的精密夹具固定，不需要额外的劳动力来装载和定向零件，并且不需要上游执行器来分类和供给零件。

除了自动化各种装配应用之外，VGR 系统还可用于检查部件或成品装配； VGR 在自动码垛、传送带跟踪和随机零件拣选方面也很有用。此外，具有集成视觉系统引导的工业机器人也可能能够测量零件和产品，并读取其上的条形码。

由于制造商难以满足客户对以闪电般的速度交付定制产品的需求，因此他们必须采用自动化生产和质量保证系统。然而，由于产品、工艺和包装类型变化的变化和频率的增加，制造商过去所依赖的传统机器人机器视觉在今天可能不再那么有效。

在这种情况下，人工智能、机器学习和深度学习已经介入，帮助机器视觉系统以非常高的精度定位零件，并更有效地对各种产品甚至大型最终装配执行复杂的自动化检查。因此，如今的制造商正在安装自动化检测系统，通过将人工智能机器视觉解决方案的功能与优势相结合，几乎可以检查任何产品，其误报率低于单独使用人工智能或基于规则的视觉系统所能达到的水平。传统机器视觉算法，包括 3D 视觉。

此外，深度学习减少了由于角落和边缘情况而导致的微停，并使机器人能够同时执行装配和检查任务。将这些任务结合起来可以减少因零件变化和缺陷检测延迟而造成的生产力损失。

图3：Emergent Vision Technologies 的高速机器视觉相机可以帮助机器人执行各种任务。

如需其他相机选项，请查看我们的 交互式系统设计工具。