｜堆疊物件取放技術簡介

摘要：近年來工業自動化的研究重點皆專注提升彈性作業、智慧化以及強健性的工作能力，而其中堆疊物件取放技術結合了3D機器視覺、物件辨識、路徑規劃以及夾爪設計，是具有高度挑戰性之技術。在本文中，將利用立體視覺導引機器手臂（Vision Guided Robot, VGR）取放技術針對水五金進行任意堆疊的取放動作。此堆疊物件取放技術包含三個部分：1. 三維立體視覺取像、2. 堆疊工件分割、3.工件姿態估測。最後由實驗結果驗證此堆疊物件取放技術可由任意堆疊的水五金中自動選取並估測其位置與姿態而進行取放。

Abstract: Recent research and development in industrial robotics aims at improving, flexibility, intelligence, and robustness of industrial robot application. There are various challenges associated with the development of a Random Bin Picking technology, including fast and accurate 3D imaging, a robust algorithm for object recognition, path-panning, gripper design. In this paper, a vision-guided-robotics (VGR) grasping system is proposed to pick and place metal water parts. The industrial robot can quickly scan and pick the metal parts by the proposed VGR grasping system. Experimental results show that the proposed system is effective and efficient to improve accuracy, flexibility and intelligence in VGR application.

關鍵詞：立體視覺、視覺導引、物件辨識

Keywords：Stereo vision, Vision guided, Object recognition

前言
在工業加工與組裝動作中，經常需要密集人力去進行上下料及組裝加工的程序。近年來工業自動化能帶來以下之優點：
．提高工廠的產能
．降低人力成本
．提昇組裝品質
以現行的製造程序而言，許多工件在進行加工、組裝前皆需要利用人力進行整列或利用震動機構將工件經由一連串複雜的分離程序，最後再由工業機械手臂進行取放。然而針對目前3C、水五金等相關產業，其產品皆有多樣、少量的特性，因此為了符合許多樣式的工件，其震動、分離機構亦常常需要重新設計，增加其開發成本。若能夠結合視覺與機械手臂，以機械視覺技術來提供機械手臂一個非接觸式的量測、導引和定位等能力，進而延伸開發堆疊物件隨機取放技術（Random Bin Picking, RBP），將可大幅降低人力成本，並且提供更高彈性的製造程序，使得工業機械手臂在自動化製造系統中能夠扮演更重要的角色。圖1為一傳統待加工之水五金工件，其中圖1（a）代表單一工件的二維影像，傳統應用中，機械手臂針對固定位置工件之夾取，已經具有成熟之技術，然後圖1（b）顯示當工件任意堆疊時，機械手臂無法用傳統教導方式進行夾取，每次夾取位置與姿態皆不相同，因此在堆疊物件隨機取放技術之開發，也具有相當之難度。

本文提出一個視覺導引機械手臂系統進行堆疊水五金工件之隨機取放動作，最後並用實驗結果驗證其效能。本文將介紹之內容包括：1.三維立體取像、2.堆疊工件分割、3.工件姿態估測，最後將介紹其實驗結果。

堆疊物件取放技術
工研院機械所為達成隨機堆疊物件取放之技術，分別開發三維立體取像及三維比對等關鍵技術，相關發展近況如下：

2.1 三維立體取像技術
現有常見之三維測距方法包含時差測距（Time of Flight）、三角測距（Triangulation）、結構光源（Structured Lighting）、立體視覺（Stereoscopic）等技術[1-5]，其中三角測距法是由3D雷射掃描儀發射一道線型雷射到待測物上，並利用攝影機尋找待測物上的雷射光點。隨著待測物（距離三角測距3D雷射掃描儀）距離的不同，雷射光點在攝影機畫面中的位置亦有所不同。圖2以一線形雷射條紋取代單一雷射光點，將雷射條紋對待測物作掃描，大幅加速了整個測量的行程，因此本研究採用雷射結合三角測距方式擷取堆疊物件之三維影像。

這項技術之所以被稱為三角型測距法，是因為雷射光點、攝影機，與雷射本身構成一個三角形。在三角形中，雷射與攝影機的距離、及雷射在三角形中的角度，是我們已知的條件，透過攝影機畫面中雷射光點的位置，我們可以決定出攝影機位於三角形中的角度。這三項條件可以決定出一個三角形，並可計算出待測物的距離，如圖3所示，圖4則代表雷射三維掃描取像之流程圖。

2.2 堆疊工件分割技術
在堆疊物件取放技術中，如何偵測出最適合夾取之工件是非常重要的一個課題。圖5（a）是工件堆疊之情形，圖5（b）代表掃完雷射之後的點雲資料，可發現堆疊工件在三維點雲資料中，僅能確定每個座標位置所對應之工件深度資訊，但由於工件隨機堆疊時，無法輕易分辨出最適合夾取工件的位置與姿態，因此必須開發堆疊物件分割技術。