利用TI DLP技術(shù)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)實(shí)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(jìn)行加工。將這些零件隨機(jī)從存放的環(huán)境（容器或其他）中自動(dòng)挑選并放置的活動(dòng)通常被稱(chēng)為箱揀。但這對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器（一種連接到機(jī)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?chē)鷾?zhǔn)確導(dǎo)航，機(jī)器人的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)除了需要獲取2D相機(jī)信息外，還需要獲取深度信息。

對(duì)于箱揀來(lái)說(shuō)，捕獲物體3D影像的難題可以由結(jié)構(gòu)光技術(shù)解決。基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的3D掃描儀/相機(jī)通過(guò)將一系列圖案投射到被掃描的物體上而工作，并且用相機(jī)或傳感器來(lái)捕獲圖案失真。然后三角剖分算法計(jì)算數(shù)據(jù)并輸出3D點(diǎn)云。圖像處理軟件（如MVTech開(kāi)發(fā)的Halcon）計(jì)算物體位置和機(jī)械臂的最佳進(jìn)場(chǎng)路線(xiàn)（圖1）。

圖1：使用Halcon將管接頭與其各自的3D模型進(jìn)行匹配的示例（來(lái)源：MVTech開(kāi)發(fā)的Halcon）

DLP技術(shù)通過(guò)安裝在半導(dǎo)體芯片頂部的微鏡矩陣（也稱(chēng)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(gè)像素表示投影圖像中的一個(gè)像素，并允許像素精確圖像投影。微鏡在~ 3us時(shí)可以轉(zhuǎn)換，以通過(guò)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(chǎng)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠使用各種光源（如燈、LED和激光）在寬波長(zhǎng)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(dòng)的結(jié)構(gòu)光具備多種優(yōu)勢(shì)：

l          抗環(huán)境光照能力強(qiáng)。工廠(chǎng)的光照條件，如低曝光和不同照明區(qū)域之間的高對(duì)比度，導(dǎo)致傳感器曝光不足或會(huì)對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的閃光燈，對(duì)需要機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用（如箱揀）來(lái)說(shuō)是一大挑戰(zhàn)。由DLP技術(shù)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)光本身具有主動(dòng)照明，這使得它能夠抵抗這些條件。

l          無(wú)活動(dòng)部件。結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)可以立即捕獲整個(gè)場(chǎng)景，不再需要將光束掃過(guò)物體或通過(guò)光束移動(dòng)物體（如在掃描解決方案中）。結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)保護(hù)在宏觀尺度內(nèi)不使用活動(dòng)部件，這使其能夠免受機(jī)械磨損。

l          實(shí)時(shí)3D圖像采集。DLP芯片中的微鏡以高速度控制，可提供高達(dá)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(jī)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(shí)現(xiàn)允許同時(shí)掃描和挑選的實(shí)時(shí)3D圖像采集。

l          投影圖案的高對(duì)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(duì)比度，使得能夠在不受物體表面屬性影響情況下進(jìn)行準(zhǔn)確的點(diǎn)檢測(cè)。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(cè)到微米級(jí)的物體。

l          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(diǎn)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(duì)象參數(shù)。

l          加快開(kāi)發(fā)時(shí)間。盡管機(jī)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?yàn)樵谶@種環(huán)境下，每次從儲(chǔ)存箱中取出一個(gè)物體時(shí)，所揀選的物體的位置和方向都會(huì)發(fā)生變化。成功應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)需要可靠的工藝流程——從機(jī)器視覺(jué)到計(jì)算軟件，再到機(jī)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(xiàng)耗費(fèi)大量開(kāi)發(fā)時(shí)間的挑戰(zhàn)。

圖2：DLP芯片包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)可在高速下單獨(dú)控制并反射光線(xiàn)以產(chǎn)生投影圖案的微鏡。

TI的DLP技術(shù)評(píng)估模塊能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)光快速植入機(jī)器視覺(jué)工作流程。為了演示這種能力，工廠(chǎng)自動(dòng)化與控制系統(tǒng)工程師以一定的距離和角度將DLP LightCrafter 4500評(píng)估板安裝至單色相機(jī)。DLP評(píng)估板由相機(jī)通過(guò)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(diǎn)前視紅外線(xiàn)Flea3相機(jī)（右）和校準(zhǔn)（后）。

電路板和相機(jī)都通過(guò)USB連接到PC，且整個(gè)設(shè)置都用于校準(zhǔn)板。使用DLP技術(shù)為3D機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用程序精確生成點(diǎn)云的參考設(shè)計(jì)中軟件之后會(huì)被用于校準(zhǔn)相機(jī)和投影儀的參數(shù)，如焦距、焦點(diǎn)、鏡頭失真、相對(duì)于校準(zhǔn)板的相機(jī)平移和旋轉(zhuǎn)。參考設(shè)計(jì)用戶(hù)指南逐步介紹了此過(guò)程。

只有當(dāng)相機(jī)相對(duì)于DLP產(chǎn)品板移動(dòng)時(shí)，才需要重新校準(zhǔn)。

在完成設(shè)置之后，可以創(chuàng)建真實(shí)目標(biāo)的點(diǎn)云。這些云由軟件以任意文件格式輸出，然后由Halcon的HDevelop平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的一些簡(jiǎn)短代碼來(lái)讀取和顯示。圖4顯示了一個(gè)點(diǎn)云，該點(diǎn)云對(duì)裝滿(mǎn)咖啡杯的箱子的深度信息進(jìn)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(dòng)的多個(gè)杯子的結(jié)構(gòu)光獲取的點(diǎn)云

Halcon的表面匹配可以通過(guò)比較點(diǎn)云和杯子的3D CAD模型來(lái)確定杯子的3D姿態(tài)。這樣一來(lái)，機(jī)械臂現(xiàn)在就可以“看到”物體，并且可以計(jì)算出機(jī)械臂的最佳進(jìn)場(chǎng)路線(xiàn)，使其能夠避開(kāi)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。