一種非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)器人作業(yè)的位姿信息測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)器人視覺(jué)伺服及目標(biāo)信息獲取領(lǐng)域，具體涉及一種非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī) 器人作業(yè)的位姿信息測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] "福島核電站事故"對(duì)核電的安全可靠性提出了警鐘，"福島核電站事故"各國(guó)均對(duì) 核電的安全可靠性及發(fā)展核電的必要性進(jìn)行了深入探討。在這種情況下，通過(guò)裝載視覺(jué)系 統(tǒng)的智能特種機(jī)器人替代人力進(jìn)入這些高危的環(huán)境中開(kāi)展自主監(jiān)測(cè)和維護(hù)工作成為一種 有效方法和熱門(mén)趨勢(shì)。
[0003] 由于機(jī)器人工作的環(huán)境是一種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的特征是表面材質(zhì)性 能不均，結(jié)構(gòu)及尺寸變化不規(guī)律且不穩(wěn)定，環(huán)境信息非固定、不可知、不可描述。因此，機(jī)器 人工作的環(huán)境是一種未知、復(fù)雜的環(huán)境。
[0004] 現(xiàn)有的裝載視覺(jué)系統(tǒng)自主抓取作業(yè)機(jī)器人中根據(jù)攝像機(jī)與機(jī)器人的相互位置的 不同，分類(lèi)分為Eye-in-Hand系統(tǒng)和Eye-to-Hand系統(tǒng)。Eye-in-Hand系統(tǒng)的攝像機(jī)安裝 在機(jī)器人手部末端，在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用比較廣泛。但是在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境應(yīng)用中，系統(tǒng) 視場(chǎng)處在變化之中，不能保證作業(yè)目標(biāo)一直在視場(chǎng)中，有時(shí)會(huì)存在丟失作業(yè)目標(biāo)的現(xiàn)象。 Eye-to-Hand系統(tǒng)的攝像機(jī)安裝在視野包含目標(biāo)物區(qū)域的某一固定位置，由于攝像機(jī)不隨 之一起移動(dòng)，使用該方案的機(jī)器人進(jìn)入非結(jié)構(gòu)化環(huán)境進(jìn)行自主作業(yè)的空間范圍有限。
[0005] 同時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)械臂自主控制中，機(jī)械臂末端夾具的控制依靠機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，并且只能通過(guò)計(jì)算控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程及轉(zhuǎn)動(dòng)量計(jì)算當(dāng)前機(jī)械臂末端夾具在空間 移動(dòng)量和旋轉(zhuǎn)量，因此，末端夾具在當(dāng)前環(huán)境中的相對(duì)位置和姿態(tài)是未知的。同時(shí)，傳統(tǒng)的 機(jī)械臂末端的動(dòng)作完成，依據(jù)機(jī)械臂的路徑規(guī)劃伺服發(fā)出指令直接執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，無(wú)法實(shí) 現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋動(dòng)作執(zhí)行過(guò)程是否會(huì)發(fā)生碰撞等意外情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)器人作業(yè)的位姿信息測(cè)量方法，可以為移動(dòng)機(jī) 器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下對(duì)目標(biāo)物實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞的自主抓取提供相應(yīng)的位姿信息。
[0007] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)器人作業(yè)的位姿信息測(cè)量方法，包 括：
[0008] 創(chuàng)建機(jī)器人當(dāng)前工作空間的實(shí)時(shí)三維模型；
[0009] 在機(jī)器人機(jī)械臂末端夾具上設(shè)置位姿標(biāo)記板，位姿標(biāo)記板與夾具同軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0010] 在位姿標(biāo)記板上畫(huà)標(biāo)記直線(xiàn)箭頭，標(biāo)記直線(xiàn)箭頭與夾具的夾縫呈垂直關(guān)系；
[0011] 獲取標(biāo)定直線(xiàn)箭頭的矢量坐標(biāo)，計(jì)算得到機(jī)械臂末端夾具當(dāng)前的位置和夾具旋轉(zhuǎn) 角度；
[0012]測(cè)量機(jī)器人機(jī)械臂伸縮的最長(zhǎng)縱向和橫向距離，提取三維點(diǎn)云坐標(biāo)值中Z方向絕 對(duì)值小于最長(zhǎng)縱向距離并且Y方向絕對(duì)值小于最長(zhǎng)橫向距離三維點(diǎn)云進(jìn)行位姿標(biāo)記板檢 索；
[0013] 利用三維點(diǎn)云圖存儲(chǔ)的彩色信息，將RGB值歸一化，根據(jù)標(biāo)定板顏色，對(duì)比 CIE1931-RGB標(biāo)準(zhǔn)色度表成功檢索到位姿標(biāo)記板；
[0014] 對(duì)檢索到的位姿標(biāo)記板三維點(diǎn)云圖區(qū)域進(jìn)行灰度化和濾波去噪處理，并采用 Canny算子對(duì)所述圖像進(jìn)行二值化處理，及檢測(cè)圖像的輪廓；
[0015] 利用霍夫變換方法提取二值化圖像中直線(xiàn)箭頭的三維點(diǎn)云信息；以及
[0016] 根據(jù)直線(xiàn)箭頭的三維點(diǎn)云信息，計(jì)算機(jī)械臂末端夾具在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置和姿 ??τ O
[0017] 本發(fā)明的有益效果為：
[0018] 1.本發(fā)明的位姿測(cè)量方法提高了機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下自主抓取的可行性和 精確度，既可以避免Eye-in-Hand系統(tǒng)的位姿測(cè)量方法存在的丟失作業(yè)目標(biāo)的缺點(diǎn)，也可 以避免Eye-to-Hand系統(tǒng)的位姿測(cè)量方法作業(yè)的空間范圍有限的缺點(diǎn)；可實(shí)時(shí)反饋機(jī)械臂 在機(jī)器人當(dāng)前工作區(qū)間的相對(duì)位置和姿態(tài)，有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對(duì)目標(biāo)物實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞的自主抓 取。
[0019] 2.基于視覺(jué)的機(jī)械臂末端夾具的位姿測(cè)量方式適用于任意形狀的夾具，具有應(yīng)用 廣泛的優(yōu)點(diǎn)。
[0020] 3.視覺(jué)系統(tǒng)在安裝選定的相機(jī)之初進(jìn)行一次相機(jī)參數(shù)標(biāo)定后，可在任意未知非結(jié) 構(gòu)化環(huán)境中，無(wú)需相機(jī)標(biāo)定，實(shí)時(shí)為機(jī)械臂自主抓取提供目標(biāo)物相對(duì)位置和姿態(tài)信息。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1所示為本發(fā)明的一種非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)器人作業(yè)的位姿信息測(cè)量方法100的流 程圖；
[0022] 圖2所示為本發(fā)明的創(chuàng)建機(jī)器人當(dāng)前工作空間的實(shí)時(shí)三維模型的方法200的流程 圖；
[0023] 圖3所示為本發(fā)明的直線(xiàn)箭頭姿態(tài)測(cè)量示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明具體實(shí)施例及 相應(yīng)的附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
[0025] 參考圖1，圖1所示為本發(fā)明的一種非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)器人作業(yè)的位姿信息測(cè)量方 法100的流程圖。實(shí)施例100包括如下步驟101至109。
[0026] 在步驟101中，創(chuàng)建機(jī)器人當(dāng)前工作空間的實(shí)時(shí)三維模型。
[0027] 機(jī)器人當(dāng)前工作空間的實(shí)時(shí)三維模型是指用于對(duì)機(jī)器人當(dāng)前工作區(qū)域建立適合 計(jì)算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行處理、操作和分析。工作區(qū)域重建不僅能夠?yàn)闄C(jī)器 人的導(dǎo)航、定位以及避障提供必要的信息，而且大大提升了機(jī)器人感知外部環(huán)境、辨識(shí)真實(shí) 場(chǎng)景中物體幾何特性的能力，從而使移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械臂自主作業(yè)過(guò)程更好避障、定位以及 對(duì)作業(yè)目標(biāo)的操作。
[0028] 參考圖2,在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟101可以進(jìn)一步包括步驟201~207。
[0029] 在步驟201中，用兩個(gè)相機(jī)同時(shí)采集機(jī)器人當(dāng)前工作空間的實(shí)時(shí)圖像，得到兩個(gè) 彩色圖像。
[0030] 相機(jī)成像過(guò)程是將客觀(guān)場(chǎng)景的三維物體投影到二維圖像平面的過(guò)程。因此，在本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在采集圖像之前，需要對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)相機(jī)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。
[0031 ] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用張正友的雙目標(biāo)定方法對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)相機(jī)進(jìn)行攝像 機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定和攝像機(jī)之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)（即外參數(shù)）標(biāo)定。
[0032] 在步驟202中，獲取兩個(gè)彩色圖像中某一相同像點(diǎn)的二維圖像坐標(biāo)信息。
[0033] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可以利用圖像匹配算法得出兩個(gè)圖像中某一相同像點(diǎn) 的二維圖像坐標(biāo)信息。
[0034] 在步驟203中，計(jì)算所述像點(diǎn)在兩個(gè)彩色圖像中的視差，得到像點(diǎn)在機(jī)器人當(dāng)前 工作空間中的深度信息。
[0035] 在步驟204中，組合二維圖像坐標(biāo)信息和深度信息，獲取像點(diǎn)在機(jī)器人當(dāng)前工作 空間中的三維坐標(biāo)信息。
[0036] 在步驟205中，組合機(jī)器人當(dāng)前工作空間實(shí)時(shí)圖像中所有點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，生 成機(jī)