3. 3D视觉传感器选型与布置

在3D无序抓取系统中，3D视觉传感器是决定整个工作站“看得见、看得准、抓得稳”的第一道关口。选型与布置不是简单地挑一个“精度最高”的相机，而是要在测量原理、安装高度、视场角、景深、分辨率与遮挡之间做工程权衡。本节先横向对比主流方案，再给出布置时的关键计算与判断依据。

一、三类主流3D成像方案的原理与差异

结构光（条纹/编码光）：投影器向工件表面投射已知图案，相机拍摄被表面高度调制后的变形条纹，通过相位解算得到深度。其特点是中近距离精度高、点云致密，典型工作距离约0.3～1.5 m，Z向重复精度可达0.05～0.2 mm（示例量级，随型号与距离变化）。缺点是强环境光、高反光金属或黑色吸光表面会显著降低条纹对比度，导致点云空洞。

ToF（飞行时间）：通过调制光往返相位差或脉冲飞行时间直接测距，整幅面同时成像。优势是结构简单、帧率高、对光照变化相对鲁棒，工作距离可覆盖0.5～5 m；但受调制频率与传感器带宽限制，Z向精度通常在毫米级（如±3～10 mm），点云较稀疏，边缘易出现“飞点”。适合大视野、中等精度、节拍要求高的场景。

激光轮廓/线激光扫描：激光线投射到物体表面，相机从三角测量角度拍摄线形变，逐线重建轮廓。单线精度极高（可达0.01～0.05 mm），但需要相对运动或振镜扫描才能获得完整3D，节拍较慢，且对深孔、陡壁遮挡敏感。常用于高精度定位、焊缝跟踪或作为结构光的补充。

二、安装高度、视场角与分辨率的定量关系

布置的第一组计算围绕视场与分辨率展开。设传感器垂直安装高度为 H，水平视场角为 θ，则地面视场宽度近似为：

W = 2 · H · tan(θ / 2)
横向分辨率 ≈ W / 像素数

例如某结构光相机水平视场角 60°、分辨率 1280 px，安装在 H = 1.0 m 处，则 W ≈ 2×1.0×tan30° ≈ 1.15 m，横向分辨率约 1.15/1280 ≈ 0.9 mm/px。若料框尺寸为 0.8 m×0.6 m，该高度可完整覆盖；但若需要识别 0.5 mm 的细小特征，则分辨率不足，需要降低 H 或换更高像素型号。这里的关键判断是：先由工件最小特征反推所需分辨率，再由分辨率与视场共同确定安装高度，而不是先定高度再凑参数。

三、景深与料框高度差的匹配

无序抓取中，工件在料框内堆叠，最高点与最低点可能相差 200～400 mm。传感器的景深必须覆盖这一范围，否则超出景深的部分会失焦或点云质量骤降。结构光与激光轮廓的景深通常较窄（几十到一百多毫米），ToF 景深较大但精度有限。工程上常用两种做法：一是把传感器安装在料框上方足够高，使整个料框落入景深；二是采用“Z 轴随动”方案，让传感器或机器人带着相机逐层下降，始终保持最佳工作距离。前者节拍快但精度受限，后者精度高但增加运动轴与标定复杂度。

四、遮挡问题的成因与缓解

遮挡是3D视觉在无序抓取中最常见的失效模式。其根源是单视点成像：相机只能看到“直视可见”的表面，深孔内部、工件与料框壁之间、工件相互堆叠的缝隙处会形成点云空洞。缓解手段包括：

• 双相机对射布置：从两个相反方向拍摄，互补盲区，适合深腔料框；
• 倾斜安装：将相机光轴与料框壁成 15°～30° 夹角，减少垂直壁面遮挡；
• 多角度拍摄：机器人带动相机在2～3个位姿各拍一次，点云配准后融合；
• 振镜扫描：激光轮廓方案通过振镜改变光路，从不同角度扫描同一区域。

五、选型与布置的检查清单

实际工程中，建议先用上述公式和清单做纸面筛选，再拿2～3款候选传感器在真实料框上做点云采集对比，重点看目标区域的点云完整率、边缘噪声和重复精度，而不是只看样本册上的标称参数。只有把“看得全、看得准、看得稳”三件事同时满足，后续的抓取规划与路径生成才有可靠输入。