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光電/顯示技術  

視覺技術為機器人開啟靈魂之窗

上網時間: 2015年05月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:機器人  視覺技術  3D  視覺伺服控制  FPGA 

作者:Carlton Heard,NI機器視覺產品經理

近年來,機器人已逐漸深入我們的日常生活,不再是科幻電影才會出現的角色。機器人技術(Robotics)的活躍度日益提高,除了用於工廠作業外,現在也邁入消費性產品領域了。

不過,大部分的機器人沒有視覺功能,也成為這種趨勢無法進一步大幅成長的瓶頸之一。人類可以輕鬆感知周遭環境,機器人卻辦不到 (即使可以,能力也相當有限)。我們的眼睛和大腦能夠察覺深度、紋理和色彩等事物,而眼睛也會在我們走動時隨時對焦,並配合光線變化而調整。

視覺技術可賦予機器人視物的能力,現在的軟體技術還能讓機器人具備感知環境的能力,從而發掘更豐富多元的視覺與機器人應用潛能。

就機器人技術應用而言,視覺引導機器人(Vision Guided Robotics)是最常運用視覺能力的例子之一。以往,這類應用多見於工廠生產線的組裝區及原料處理區:使用攝影機來擷取影像、確認零件或目的地位置,再將座標傳給機器人,使其依此執行抓取零件之類的功能。針對這類應用加入視覺技術後,機器的表現就會更靈活。同一部機器可用來處理各種不同的零件,因為現在機器看得見實際經手的零件,能隨時靈活調整。從容器抓取零件的動作也會變得更容易,因為機器能配合來自機器手臂的定位資訊,運用攝影機確認特定零件在一堆相同零件中的位置。


視覺技術賦予機器人足夠的靈活度,使其得以從輸送帶的任何方向抓取注射器後放入單獨包裝中,或在相同產線上分類不同尺寸與種類的注射器。
(來源:Northeastern University)

使用視覺導引功能的另一項優點,就是能夠用同一組影像對處理中的零件進行線上檢測(In-line Inspection)。這樣一來,機器人不僅在運作上更具彈性,產出品質也能更上一層樓。另外,由於視覺系統還能偵測、預測並預防生產線阻塞等問題,完成上述任務的成本也會一併降低。不過,如果動作需要較高的準確度,攝影機或運動控制系統等元件的成本就會飆升;因為許多視覺導引機器人系統會在任務開始時只使用單一影像,之後也不會提供回饋資訊。其實只要使用視覺伺服控制(Visual Servo Control)技術即可克服這項難題。因為攝影機安裝於機器人身上或是鄰近位置,並提供持續的視覺回饋以修正動作期間的小錯誤。

機器人搭配視覺技術在工業應用上十分普遍,在嵌入式領域中也日益普及。移動機器人(Mobile Robotics)領域就是其中一個例子。機器人不再侷限於工廠廠區,開始進入我們的日常生活:無論是醫院大廳中來回穿梭的服務機器人,還是用於耕地的自動牽引機,應用方式靈活又多元。從避障到視覺同步定位與建圖等功能,幾乎所有的自主移動機器人都需要精密的影像功能才能達成任務。未來十年內,用於自主機器人的視覺系統將蔚為主流,逐漸取代用於固定式機器手臂的系統。

另一種逐漸成長的趨勢——3D視覺技術,則讓機器人的環境感知功能更臻完備。3D 影像技術源於學術研究實驗室,並歷經長久的發展。再加上感測器、照明以及最重要的嵌入式處理創新技術, 如今3D視覺的應用廣泛,無論是視覺引導機器人從容器抓取零件、高精度量測,還是移動機器人等領域,都能看到它的蹤跡。現在,最新一代的處理器已能處理擷取深度資訊所需的龐大資料集與複雜演算法,接著迅速做出決策。移動機器人可運用深度資訊來衡量障礙物的大小和距離,以準確規劃路徑並避開障礙物。立體視覺系統 (Stereo Vision System)能導航應用提供豐富的3D資訊,即使在光線不斷變化的環境下也能運作自如。立體視覺系統使用兩台以上的攝影機,在不同角度捕捉同一物體的影像,並藉由比較兩組影像計算差距與深度資訊來取得3D資訊。


利用3D視覺軟體可擷取、處理並顯示攝影機的影像。讓機器人透過色彩和視覺紋理等深度資訊辨識障礙。
(來源:Northeastern University)

儘管嵌入式處理器的增強效能持續帶動演算法的3D視覺與機器人等應用,仍有許多應用領域需要更強大的效能,如醫學領域中,機器人手術與雷射控制務必和造影技術密切同步。這類高效能視覺應用透過FPGA技術來進行影像前處理,或是在高速控制應用中將影像資訊作為反饋用途。FPGA非常適合高確定性與平行影像處理運算法,並能緊密同步化處理結果與運動/機器人系統。醫學領域已有實際的使用案例,例如眼睛雷射手術,攝影機能偵測病患眼睛的細微移動,並以此反饋資訊高速完成系統自動對焦。FPGA 還能在監控、機器人和汽車等應用領域中大顯身手,執行高速功能追蹤與粒子分析等任務。

機器人與視覺技術的結合,確實對於軟體領域帶來極大的挑戰。這類系統可能會變得相當複雜,例如搭載工業機器手臂的移動機器人在為飛機自動加油時,不僅僅需要機器人和視覺系統,還得使用感測器、車輪馬達、潛在的氣體力學問題和安全系統等。此外,還可能必須利用子系統之間無法通用的專有語言、協定、甚至是開發環境。軟體應該從中扮演‘黏著劑’的角色,密切整合電子與機械裝置,但目前的狀況經常是本末倒置:建置軟體套件與通訊協定之間的通訊功能耗費許多時間,遠超過執行實際任務所需的 IP。

透過一種高階程式語言,能夠在單一環境中簡化軟體複雜度。例如LabVIEW透過一個圖形化開發環境整合了視覺、運動、FPGA、I/O 通訊以及其他所有的程式設計需求。這類高階工具不僅能和所有必要的子系統相互整合,還能保有靈活的架構擴充彈性。隨著嵌入式視覺技術與機器人應用日趨複雜,這一點也日趨重要。





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