基于機(jī)器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于機(jī)器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置與方法。步進(jìn)電機(jī)與升降平臺(tái)連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別與PLC和安裝在步進(jìn)電機(jī)上的編碼器相連；在載物臺(tái)上疊放待抓取的工件；支架的固定板上，安裝有超聲波傳感器和CCD相機(jī)，超聲波傳感器與PLC相連，相機(jī)分別與PLC和計(jì)算機(jī)相連；超聲波傳感器的發(fā)射端與相機(jī)的鏡頭底面平行，待抓取的工件位于相機(jī)的視野內(nèi)，液晶顯示屏、PLC和工業(yè)抓取機(jī)器人分別與計(jì)算機(jī)相連。超聲波傳感器實(shí)時(shí)探測工件上表面到相機(jī)的距離，相機(jī)采集工件輪廓圖像，用單目相機(jī)識(shí)別平面工件空間坐標(biāo)并進(jìn)行抓取，減少計(jì)算機(jī)和機(jī)器人通訊的復(fù)雜性，減輕相機(jī)硬件成本和標(biāo)定復(fù)雜性，提高工件抓取的效率。
【專利說明】基于機(jī)器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置與方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工件的抓取裝置與方法，具體涉及一種基于機(jī)器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置與方法。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)階段，對(duì)待抓取目標(biāo)的空間坐標(biāo)通常采用雙目視覺的識(shí)別方法，這種識(shí)別方法對(duì)相機(jī)精度要求較高，硬件平臺(tái)成本高，圖像處理算法比較繁瑣，對(duì)工件的高度也有特定的要求，不能滿足連續(xù)抓取的條件。
[0003]超聲波傳感器是一種非接觸高精度測量的測距單元，具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于機(jī)器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置與方法，有效的解決工件識(shí)別設(shè)備成本高，對(duì)工件高度有特殊限定等問題。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一、一種基于機(jī)器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置:
本發(fā)明包括升降平臺(tái)、載物臺(tái)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、PLC、步進(jìn)電機(jī)、編碼器、計(jì)算機(jī)、液晶顯示屏、超聲波傳感器、夾具、CCD相機(jī)、支架、工業(yè)抓取機(jī)器人和固定板；步進(jìn)電機(jī)與升降平臺(tái)連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝在升降平臺(tái)的底面上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別與PLC和安裝在步進(jìn)電機(jī)上的編碼器相連；在升降平臺(tái)的頂面載物臺(tái)上水平疊放上層待抓取的工件和下層待抓取的工件；支架一端的固定板上，安裝有夾具和CCD相機(jī)，超聲波傳感器安裝在夾具上，超聲波傳感器與PLC相連，CCD相機(jī)分別與PLC和計(jì)算機(jī)相連；超聲波傳感器的發(fā)射端與CCD相機(jī)的鏡頭底面平行，在待抓取的工件上面所成的圖像位于CCD相機(jī)的拍攝視野內(nèi)，液晶顯示屏、PLC和工業(yè)抓取機(jī)器人分別與計(jì)算機(jī)相連。
[0006]二、一種基于機(jī)器視覺和超聲波傳感器的工件抓取方法，該方法的步驟如下:
1)CCD相機(jī)垂直向下照射在待抓取的工件上表面，通過調(diào)節(jié)夾具調(diào)整超聲波傳感器的發(fā)射端位置，使超聲波傳感器的發(fā)射端與CCD相機(jī)的鏡頭底面保持平行；
2)對(duì)CCD相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定出CCD相機(jī)相對(duì)于靶標(biāo)的外參數(shù)；
3)對(duì)工業(yè)抓取機(jī)器人進(jìn)行手眼標(biāo)定，標(biāo)定工業(yè)抓取機(jī)器人的世界坐標(biāo)系與靶標(biāo)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，再用矩陣變換獲得CCD相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于工業(yè)抓去機(jī)器人的世界坐標(biāo)系的關(guān)系;
4)對(duì)PLC進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，設(shè)超聲波傳感器采集到的實(shí)時(shí)距離為參數(shù)L，CCD相機(jī)的成像距離為D，將D設(shè)定為判定步進(jìn)電機(jī)是否停轉(zhuǎn)的閾值，當(dāng)L=D時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，升降平臺(tái)停止上升；
5)步進(jìn)電機(jī)通電，升降平臺(tái)勻速上升，超聲波傳感器采集到上層待抓取的工件的距離信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給PLC，當(dāng)上層待抓取的工件上表面到傳感器的距離LI等于相機(jī)的成像D距離時(shí)，PLC給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器低電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，CCD相機(jī)采集圖像，將采集到的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，工業(yè)抓取機(jī)器人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，工業(yè)抓取機(jī)器人調(diào)節(jié)機(jī)械臂位姿進(jìn)行對(duì)上層待抓取的工件的抓取過程；重復(fù)上述步驟5)完成對(duì)下層待抓取的工件的抓取。
[0007]與【背景技術(shù)】相比，本發(fā)明具有的有益效果是:
本發(fā)明將超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用到基于視覺的抓取機(jī)器人系統(tǒng)中，運(yùn)用超聲波傳感器實(shí)時(shí)探測工件上表面到相機(jī)的距離，對(duì)不同高度的工件，CCD相機(jī)每次采集工件輪廓圖像的位置都處于CXD相機(jī)最佳的成像距離，實(shí)現(xiàn)了用單目相機(jī)識(shí)別工件空間坐標(biāo)并進(jìn)行抓取，減少了計(jì)算機(jī)和機(jī)器人通訊的復(fù)雜性，減輕了相機(jī)硬件成本和標(biāo)定復(fù)雜性，提高了工件抓取的效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0009]圖2是本發(fā)明CXD相機(jī)和待抓取工件的主視圖。
[0010]圖3是本發(fā)明待抓取工件的俯視圖。
[0011]圖4是本發(fā)明方法的工作流程圖。
[0012]圖中:1、升降平臺(tái)，2、載物臺(tái)，3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，4、PLC(可編程控制器)，5、步進(jìn)電機(jī)，6、編碼器，7、計(jì)算機(jī)，8、液晶顯示屏，9、超聲波傳感器，10、夾具，11、CXD相機(jī)，12、支架，13、上層待抓取工件，14、下層待抓取工件，15、工業(yè)抓取機(jī)器人(FANUC M-1OiA)，16、固定板。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0014]如圖1所示，本發(fā)明包括升降平臺(tái)1、載物臺(tái)2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3、PLC 4、步進(jìn)電機(jī)5、編碼器6、計(jì)算機(jī)7、液晶顯示屏8、超聲波傳感器9、夾具10、C⑶相機(jī)11、支架12、工業(yè)抓取機(jī)器人15和固定板16。步進(jìn)電機(jī)5與升降平臺(tái)I連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3安裝在升降平臺(tái)I的底面上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3分別與PLC 4和安裝在步進(jìn)電機(jī)5上的編碼器6相連；在升降平臺(tái)I的頂面載物臺(tái)2上水平疊放上層待抓取的工件13和下層待抓取的工件14 ;支架12 —端的固定板16上，安裝有超聲波傳感器9和CXD相機(jī)11，超聲波傳感器9與PLC 4相連，CXD相機(jī)11分別與PLC 4和計(jì)算機(jī)相連；超聲波傳感器9的發(fā)射端與CCD相機(jī)11的鏡頭底面平行，在待抓取的工件上面所成的圖像位于CXD相機(jī)11的拍攝視野內(nèi)，、液晶顯示屏8、PLC 4和工業(yè)抓取機(jī)器人15分別與計(jì)算機(jī)7相連。
[0015]如圖2所示，LI為上層待抓取工件13上表面到相機(jī)鏡頭的距離，調(diào)節(jié)CXD相機(jī)11垂直向下照射在抓取工件13的工件上表面，調(diào)整超聲波傳感器9使其發(fā)射端與CXD相機(jī)11鏡頭的底部平行，并且抓取工件13的上表面在傳感器的探照范圍內(nèi)，LI為上層待抓取工件13到超聲波傳感器的距離，L2為下層待抓取工件到超聲波傳感器的距離，載物臺(tái)上升過程中，當(dāng)傳感器實(shí)時(shí)探測到的距離L等于相機(jī)到工件的最佳成像距離D時(shí)，載物臺(tái)停止上升，PLC觸發(fā)相機(jī)拍照，上層待抓取工件13抓取完成后，超聲波傳感器到下層待抓取工件13的距離變成L2，此時(shí)載物臺(tái)繼續(xù)上升，進(jìn)行下一個(gè)單元的抓取，直至工件全部抓取完成，相機(jī)拍到的圖像在計(jì)算機(jī)中無法進(jìn)行模板的匹配，抓取工作結(jié)束。
[0016]如圖3所示，當(dāng)上層待抓取工件13到超聲波傳感器9的距離等于相機(jī)成像距離D時(shí)，載物臺(tái)2上的工件不再上升，CXD相機(jī)11先后采集上層待抓取工件13和下層待抓取工件14的上表面圖像，得到工件的外形特征，在計(jì)算機(jī)7中通過圖像形態(tài)學(xué)和圖像細(xì)化處理技術(shù)識(shí)別工件的外圍輪廓及中心坐標(biāo)，計(jì)算機(jī)7與工業(yè)抓取機(jī)器人上的多軸運(yùn)動(dòng)控制器相連，給工業(yè)抓取機(jī)器人發(fā)送指令，調(diào)節(jié)機(jī)械臂的位姿，完成對(duì)待抓取工件的精確抓取。
[0017]本發(fā)明的工作原理是:
I)對(duì)CCD相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定出CCD相機(jī)相對(duì)于靶標(biāo)的外參數(shù)。
[0018]2)對(duì)工業(yè)抓取機(jī)器人進(jìn)行手眼標(biāo)定，標(biāo)定工業(yè)抓取機(jī)器人的世界坐標(biāo)系與靶標(biāo)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，再用矩陣變換獲得CCD相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于工業(yè)抓去機(jī)器人的世界坐標(biāo)系的關(guān)系。
[0019]3)對(duì)PLC進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，設(shè)超聲波傳感器采集到的實(shí)時(shí)距離為參數(shù)L，CCD相機(jī)的成像距離為D，將D設(shè)定為判定步進(jìn)電機(jī)是否停轉(zhuǎn)的閾值。
[0020]4)如圖4所示，基于視覺和超聲波傳感器的識(shí)別抓取原理是將待識(shí)別抓取的平面工件疊放在升降平臺(tái)上，超聲波傳感器和CCD相機(jī)安裝在同一高度，照射范圍垂直于工件上表面，超聲波傳感器實(shí)時(shí)探測工件到CCD相機(jī)的距離，在PLC中預(yù)先設(shè)定判別電機(jī)停轉(zhuǎn)的閾值，該閾值等于相機(jī)的成像距離D，通電后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降平臺(tái)上升，超聲波傳感器實(shí)時(shí)采集距離信號(hào)，當(dāng)工件到傳感器的距離L等于閾值D時(shí)，PLC控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，升降臺(tái)停止上升，并觸發(fā)CCD相機(jī)采集工件圖像，傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像預(yù)處理和圖像分割，計(jì)算機(jī)提取圖像特征，進(jìn)行工件的識(shí)別，輸出到機(jī)器人調(diào)整機(jī)械臂的位姿，完成本單元抓取，平臺(tái)繼續(xù)上升，進(jìn)入下一個(gè)抓取環(huán)節(jié)，直到相機(jī)采集到的圖像中沒有可識(shí)別的工件，抓取工作結(jié)束。
[0021]以上所述實(shí)施方式適用于不同高度的平面工件識(shí)別和抓取，簡化了視覺單元，降低了機(jī)器人抓取過程中計(jì)算機(jī)算法的復(fù)雜性，提高了工作效率。
【權(quán)利要求】
1.一種基于機(jī)器視覺和超聲波傳感器的工件抓取裝置，其特征在于:包括升降平臺(tái)(I)、載物臺(tái)(2)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(3)、PLC (4)、步進(jìn)電機(jī)(5)、編碼器(6)、計(jì)算機(jī)(7)、液晶顯示屏(8)、超聲波傳感器(9)、夾具(10)、C⑶相機(jī)(11)、支架(12)、工業(yè)抓取機(jī)器人(15)和固定板(16);步進(jìn)電機(jī)(5)與升降平臺(tái)(I)連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(3)安裝在升降平臺(tái)(I)的底面上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(3)分別與PLC (4)和安裝在步進(jìn)電機(jī)(5)上的編碼器(6)相連；在升降平臺(tái)(I)的頂面載物臺(tái)(2)上水平疊放上層待抓取的工件(13)和下層待抓取的工件(14);支架(12)—端的固定板(16)上，安裝有夾具(10)和C⑶相機(jī)(11)，超聲波傳感器(9)安裝在夾具(10)上，超聲波傳感器(9)與PLC (4)相連，C⑶相機(jī)(11)分別與PLC (4)和計(jì)算機(jī)(7)相連；超聲波傳感器(9)的發(fā)射端與CCD相機(jī)(11)的鏡頭底面平行，在待抓取的工件上面所成的圖像位于C⑶相機(jī)(11)的拍攝視野內(nèi)，液晶顯示屏(8)、PLC (4)和工業(yè)抓取機(jī)器人(15)分別與計(jì)算機(jī)(7)相連。
2.用于權(quán)利要求1所述裝置的一種基于機(jī)器視覺和超聲波傳感器的工件抓取方法，其特征在于，該方法的步驟如下: 1)CCD相機(jī)垂直向下照射在待抓取的工件上表面，通過調(diào)節(jié)夾具調(diào)整超聲波傳感器的發(fā)射端位置，使超聲波傳感器的發(fā)射端與CCD相機(jī)的鏡頭底面保持平行； 2)對(duì)CCD相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定出CCD相機(jī)相對(duì)于靶標(biāo)的外參數(shù)； 3)對(duì)工業(yè)抓取機(jī)器人進(jìn)行手眼標(biāo)定，標(biāo)定工業(yè)抓取機(jī)器人的世界坐標(biāo)系與靶標(biāo)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，再用矩陣變換獲得CCD相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于工業(yè)抓去機(jī)器人的世界坐標(biāo)系的關(guān)系; 4)對(duì)PLC進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，設(shè)超聲波傳感器采集到的實(shí)時(shí)距離為參數(shù)L，CCD相機(jī)的成像距離為D，將D設(shè)定為判定步進(jìn)電機(jī)是否停轉(zhuǎn)的閾值，當(dāng)L=D時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，升降平臺(tái)停止上升； 5)步進(jìn)電機(jī)通電，升降平臺(tái)勻速上升，超聲波傳感器采集到上層待抓取的工件的距離信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給PLC，當(dāng)上層待抓取的工件上表面到傳感器的距離L等于CCD相機(jī)的成像D距離時(shí)，PLC給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器低電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，CCD相機(jī)采集圖像，將采集到的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，工業(yè)抓取機(jī)器人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，工業(yè)抓取機(jī)器人調(diào)節(jié)機(jī)械臂位姿進(jìn)行對(duì)上層待抓取的工件的抓取過程；重復(fù)上述步驟5)完成對(duì)下層待抓取的工件的抓取。
【文檔編號(hào)】B25J9/18GK104369188SQ201410667072
【公開日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】孫堅(jiān), 張振, 沈鵬程, 尤于訓(xùn), 王亞麗, 陶偉, 劉春學(xué) 申請(qǐng)人:中國計(jì)量學(xué)院