摘取自動拾取機器人技術(shù)的「圣杯」，隨機拾取在艱難中前行
單次卸載集裝箱的一部分并放入機器，散裝零件重組以及訂單履行這樣單調(diào)的任務(wù)需要大量的勞動力，如果零件非常沉重尖銳，這些任務(wù)還相當(dāng)危險。零件拾取機器人做這種重復(fù)性的工作已經(jīng)許多年了。但是，還有更多的應(yīng)用亟待實現(xiàn)。制造和倉儲自動化也正在焦慮地觀望之中。
盡管自動拾取機器人比以往都要高效，但是它們依然有其局限性。我們尚未掌握這項科技中的最神圣的部分隨機零件拾取機器人。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)軟件作為強大支持，逐漸開發(fā)的解決方案可以讓機器人探索這一未知領(lǐng)域。
為什么機器人實現(xiàn)隨機拾取這么艱難呢？
問題在于精確性。盡管機器人因其可重復(fù)性而備受贊賞，隨機拾取則需要在混亂時維持高精確度。機器人需要將零件放在一個未結(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器人取出零件而不停移動位置。機器人的靈活性、機器視覺、軟件配置以及計算需要實時處理所有的數(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。聽起來難以實現(xiàn)，但并不是不可能的。
「對自動拾取機器人的能力以及其局限的炒作早就甚囂塵上。」fanuc公司的智能機器人/機器視覺工程師DavidDechow說道，「現(xiàn)實是，機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際經(jīng)驗來說，自動拾取也在這一類型當(dāng)中。這其實是一種真實世界的本領(lǐng)，但是也仍然是我們希望機器人完成的事情之一。」
Dechow與已故的機器人視覺引導(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)言機器人隨機拾取將會成為2020年的主流。很多當(dāng)代人相信他是對的。自動拾取在如今已經(jīng)相當(dāng)常見。
「我會說，隨機拾取正在成為一種主流現(xiàn)象。」Dechow說道，「我認(rèn)為Adil的思想和創(chuàng)作都在促進(jìn)這個過程。他就如同一個傳教士一樣，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)化的以及隨機自動拾取。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。
隨機零件以完全的隨機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)。」Dechow說，「當(dāng)我們討論技術(shù)上的『圣杯』時，我想到的更多的是隨機的情況，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)化的自動拾取經(jīng)常由二維視覺完成，「當(dāng)你想起自動拾取的時候，每個人都在想三維成像以及三維分析。實際上，自動拾取領(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)常決定一個零件是否適合自動拾取。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)雜的零件在隨機靜置的狀態(tài)下并不會發(fā)生很大改變。」（無論零件會掉落到或者躺在集裝箱內(nèi)的哪個地方，這都是它的隨機靜置狀態(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箱子，它依然是一個可分析的相對連續(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，因為你在倉庫里找到的產(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。」Dechow說，「并不沉，并且在它們的隨機靜置狀態(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。因為大部分云生成的三維圖像與目標(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。」Dechow說，「想一想工廠里機器處理，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，它是一個連續(xù)的幾何形狀，并且僅有幾個幾何表面。這對于機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。
機器人隨機自動拾取利用FANUC公司的iRVision三維區(qū)域感應(yīng)器以及兩個機器人來拾取集裝箱內(nèi)被沖壓扁的汽車，以及交給熱處理機器。MotionControlsRobotics是一種RIA認(rèn)證的機器人的制造商，它可以為一級供應(yīng)商設(shè)計并安裝電池單元。
FANUC的自動拾取機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)器會告訴機器人的第二個控制端零件的方向，并告訴它輪緣是向上還是向下，因此機器人就知道該如何抓取零件。接著，機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中。并撿起完成的零件并將它交給下一步的操作。
這家機器人公司會在成功之前嘗試多種手臂末端工具的設(shè)計與視覺處理。這對于自動拾取應(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范圍中間則是更加復(fù)雜的架構(gòu)。
「想象一個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，它可能是個圓柱體，而從另一端看，它還可能是一個小型活塞桿。它是一個長的物體，因此它可能會被某些部分所覆蓋。假如有另一個零件覆蓋在它上面，一個30磅的物體甚至可能會變成50或者60磅重的物體。」Dechow說。
「這些零件可以劃分為一個大的種類，你可以在重工業(yè)或者自動化制造業(yè)中看到它們。」Dechow接著說，「它們常常用集裝箱來運輸，你在集裝箱上面，也就是成像的位置，只能看到一個零件的一部分，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才是最適合的抓握機器。」
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。」Dechow解釋，「這讓機器非常難于區(qū)分這些物體，因為高度的變化十分微小，并且這些零件的幾何形狀也會讓機器困惑。」
「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，這些都是機器人難以識別的物體。」
「我們從來不會說『不行』」他補充說，「我們希望將這個技術(shù)推動到極限，而且我們也經(jīng)常這樣做。」
二維隨機自動拾取
位于荷蘭和密歇根州的JR自動化技術(shù)公司也是一個堅持挑戰(zhàn)極限的公司。這一家RIA認(rèn)證的機器人制造商也是FANUC機器視覺技術(shù)下的機器人指定測試站點。
「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。」JR自動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)化的自動拾取應(yīng)用技術(shù)，他們認(rèn)為這將是一個趨勢。隨機自動拾取技術(shù)則看起來仍然很稀少且遙遠(yuǎn)。
「我們最近實現(xiàn)了為汽車座背裝配零件的自動拾取算法。」McCoy說，「其中包括了一個看起來像座背的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，再放置在有四個位置的組裝床上，兩個機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。而兩個頭枕的金屬管則比較小，可以放入螺旋的碗型送料機。