模型簡化流程

輸入一個物體的點雲

取重心附近點雲投影成上視、側視和前視圖 估計點雲的重心位置

將投影形狀區分為圓形、長方形或正三角形

由三個投影面的形狀分類物體的幾何形狀

模型形狀分類完成 執行模型夾取的可行性判斷

膨脹蝕刻並去除雜點後 確認模型尺寸、校正模型重心位置

圖3-8 模型簡化之流程圖

如同上述提到的，研究中會以物體重心附近的形狀來分類並簡化物體，模型簡 化的整體流程如圖3-8 所示，以下會詳細介紹模型簡化的流程，而其中影像處理的 部分皆為使用OpenCV。在建模的步驟中有提到，在本研究中物體「擺正」的狀態 有其各自的定義。在建模時即需要把物體點雲校正至這些姿態之中的其中一個成 為它們定義之「擺正」的姿態，在進行模型簡化時輸入的點雲即為已經校正至「擺 正」的點雲。

在建模的流程中，首先，會由物體的點雲估測出一個大概的幾何重心位置，這 個時候還沒有去除雜點所以重心並不是最準確的，但是除非點雲的狀態非常差(雜 點非常多)，否則並不會與校正後的重心位置相差太多，可以假設為物體的重心位 置。接下來，將這個假設的重心位置附近一個範圍內的點投影取 top view、side view

doi:10.6342/NTU201704032

65

和 front view（因為我的夾爪寬 2.5cm，測試後取正負 3cm 的範圍作投影圖），將 投影點膨脹、蝕刻並去除雜點後將可確認模形的尺寸和校正模形重心位置。校正形 狀尺寸後，將投影圖的形狀區分為正三角形、長方形或圓形，最後即可由投影面的 形狀組合回一個幾何形狀，這個形狀即為物體模型簡化後的形狀，之後將把這個簡 化後的形狀當作物體的形狀作夾取姿態的計算。最後，將由校正後的模型尺寸進行 夾取可行性的判斷，至此即完成物體的模型簡化作業。

去除雜點後投影面的形狀

找出最小能圈住此形狀的橢 圓形並計算其軸長與面積

長軸短軸是否相近 否 分類為長方形

是

面積比是否相似

否

分類為圓形 是

分類為長方形 否

分類為正三角形 與點雲尺寸對應之 是

正三角形形狀相似

圖3-9 分類投影面形狀之流程圖

3.2.2.1 模型簡化判斷

如何將投影面分類為正三角形、長方形或圓形的流程如圖3-9 所示。膨脹、蝕 刻並去除雜點後即可以把點雲組合回一個形狀。首先，因為三角柱有其「擺正」的 定義，會以校正後的重心位置和模型尺寸計算出其對應的正三角形，若此投影面的

doi:10.6342/NTU201704032

66

形狀面積與這個正三角形的面積相似且幾乎重疊，將分類為正三角形，若不是，將 進入其他形狀的判斷，要進入判斷前，會先找出一個可以裝下這個形狀最小的橢圓 形，如果這個橢圓形的短軸和長軸差很多，就直接判斷為長方形，如果短軸和長軸 很相近，接下來將測試面積比，如果此形狀的面積和橢圓的面積比很相近表示此形 狀很接近圓形，將分類為圓形，反之則分類為長方形。

在真實操作中，首先會進行使否回三角形的判斷，作法是將投影形狀與正三角 面積必較，若面積之間的差異小於 0.2 會進入面積重疊相似度的判斷，否則將進入 下一輪圓形和長方形的判斷；若面積重疊後不相似的面積閥值設小於 %10 則將投影 形狀分類為三角形，反之則將進入下一輪圓形和長方形的判斷。在圓形和長方形的 判斷上，研究中將橢圓形長短軸比的閥值設為 %90 ，若小於之則直接將投影形狀分 類為長方形；橢圓面積與投影形狀面積比的閥值設為 %86 ，若大於之則將投影形狀 分類為圓形，若小於則分類為長方形，以上狀況皆為在模型點雲狀態良好且充足的 情況測試出來之參數。

圖 3-10 為實驗中的其中一個測試物品(去角質霜)模型點雲之上視、前視和側 視圖，其中藍點為為校正前之模型重心位置而粉紅點為校正後之模型重心位置。圖 3-11 為模型之實體圖和各投影面形狀之長短軸和面積比，三個投影面之分類結果 皆為長方形，因此將這個模型分類為長方體。圖3-12 為實驗中的另一個測試物品 (三角巧克力) 模型點雲之上視、前視和側視圖。圖 3-13 為模型之實體圖和各投影 面形狀之長短軸和面積比，三個投影面之分類結果分別為三角形、長方形和長方形，

因此將這個模型分類為三角柱。

doi:10.6342/NTU201704032

67

Top View Front View Side View

圖3-10 去角質霜各投影面點雲狀態

Z

Y X

圖3-11 去角質霜實體圖與各投影面分析結果

doi:10.6342/NTU201704032

68

Top View Front View Side View

圖3-12 三角巧克力各投影面點雲狀態

Z

Y X

圖3-13 三角巧克力實體圖與各投影面分析結果

doi:10.6342/NTU201704032

69

3.2.2.2 模型夾取可行性判斷

在本研究中一個物體皆具有一系列的「重心夾取姿態」和「邊緣夾取姿態」， 其中邊緣夾取姿態是重心夾取姿態的延伸，此部分會在之後如何計算夾取姿態的 界的章節再作詳細的說明。然而，模型的形狀是被簡化過的，並不能完全的取代原 本的物體形狀，因此，一個物體是否真的適合簡化過形狀的夾取姿態需要再被確認。

在建造模型資訊時，物體所有軸的面都會進行可行性判斷，然而，定位時只會 取各模型必要的資訊出來使用。由模型簡化的流程可以看出研究中對於圓形和三 角形的分類是嚴苛的，因此，在定位時，以圖3-16 的圓柱為例，研究中只會確認 Z 軸兩端的面是否適合被夾取；一個球體三個投影面皆為圓則不需要被確認；而一 個長方體則是三個投影面皆不為圓或三角柱，因此六個軸方向皆需要確認。

夾取可行性的判斷又分為重心夾取的可行性判斷和邊緣夾取的可行性判斷。

重心夾取的部分，研究中希望避免的是夾取面為一點、一直線或是面積很小的表面，

而邊緣夾取的部份則是希望避免夾取在很小的表面上，因此，在判定上，研究中是 將物體靠近夾取位置，也就是將表面部分的點雲提取出來當作判斷的依據，提取的 範圍為簡化後模型的尺寸大小，若此提取出來的面的點雲與模型應有的尺寸相差 許多，則這個面可能是一個點或一直線或一面積很小的表面，因此不適合被夾取。

以圖3-14 中的一日蔬果鋁箔包為例，由圖 3-15 中的點雲提取狀況可以看出，

由 top 的面和 button 的面可判斷指頭閉合方向為 Z 軸方向的重心夾取姿態並不可 行，因為top 的面太小了；而因為 top 的面太小，因此圍繞著靠近方向為正 Z 方向 的邊緣夾取姿態皆不可行，但是button 的面是夠大的，因此圍繞著靠近方向為負 Z 方向的邊緣夾取姿態是可行的。

doi:10.6342/NTU201704032

70

Z

Y X

圖3-14 一日蔬果實體圖與各投影面分析結果

Top Button Front Back Right Side Left Side

圖3-15 一日蔬果重心與邊緣夾取可行性判斷結果

doi:10.6342/NTU201704032

71

Y Z X

圖3-16 品客波卡實體圖與各投影面分析結果

Top Button Front Back Right Side Left Side

圖3-17 品客波卡重心與邊緣夾取可行性判斷結果

doi:10.6342/NTU201704032

72