抓取在線工件的機(jī)器人位姿及運(yùn)動軌跡定位系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型機(jī)器人運(yùn)動控制以及視覺定位領(lǐng)域，特別涉及一種抓取在線工件的機(jī) 器人位姿及運(yùn)動軌跡定位系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，工業(yè)機(jī)器人在各工業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，其可代替人工做出可重復(fù)的 精確的運(yùn)動。機(jī)器人要完成三維工件的智能抓取，必須沿特定軌跡、采用相應(yīng)的位姿及運(yùn)動 軌跡進(jìn)行運(yùn)動。目前在靜態(tài)三維工件的抓取中，工業(yè)機(jī)器人抓取位姿及運(yùn)動軌跡的定位有 在線示教、離線編程；在運(yùn)動工件的在線實(shí)時抓取中，目前有單目視覺引導(dǎo)系統(tǒng)、雙目視覺 引導(dǎo)系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)光與視覺結(jié)合的引導(dǎo)系統(tǒng)。然而，現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人三維位姿及運(yùn)動軌跡 定位技術(shù)，存在多方面的不足：
[0003] 1)在線示教不需標(biāo)定機(jī)器人的工具坐標(biāo)系，機(jī)器人的位姿、運(yùn)動軌跡及夾緊參數(shù) 依靠示教工程人員的經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y獲取，系統(tǒng)精度較低、在線編程繁瑣、占用生產(chǎn)時間，難以滿 足當(dāng)今快速而多品種變換的柔性生產(chǎn)需求，特別是不能滿足自動抓取位姿不確定的在線輸 送工件的需求。
[0004] 2)為了獲得真實(shí)的機(jī)器人位置空間模型必須對機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定。常用的標(biāo)定設(shè)備 有三坐標(biāo)測量機(jī)、關(guān)節(jié)臂測量機(jī)和激光跟蹤儀，但用于對工作場景中的機(jī)器人標(biāo)定受限制， 位置標(biāo)定誤差仍較大。
[0005] 3)單目視覺系統(tǒng)通常用于二維平面上的信息提取，無法獲取工件在Z軸（深度方 向）上的信息，傳遞給機(jī)器人的只有平面上的位置和角度量。相機(jī)光軸必須與工件平面保 持嚴(yán)格垂直，深度位置只能靠經(jīng)驗(yàn)值人為預(yù)先設(shè)定固定值。
[0006] 4)結(jié)構(gòu)光與單相機(jī)相結(jié)合獲取工件信息的方式，需進(jìn)行圖形學(xué)解碼運(yùn)算。為保證 解算精度，必須保持相機(jī)與工件相對位置固定，難以適用于運(yùn)動工件的抓取，而且涉及三維 點(diǎn)云計(jì)算，運(yùn)算復(fù)雜耗時。
[0007] 5)雙目立體視覺系統(tǒng)，利用兩個相機(jī)呈固定角度從不同視角拍攝工件圖像，計(jì)算 工件的三維坐標(biāo)。要經(jīng)過雙目視覺標(biāo)定、深度信息提取等過程，運(yùn)算比較復(fù)雜，耗時較長，成 本較高，而且魯棒性較差。
[0008] 因此，對于工業(yè)機(jī)器人自動抓取在線運(yùn)動的三維工件，有發(fā)展工件位姿及運(yùn)動軌 跡在線快速識別裝置的需求，以改善上述缺點(diǎn)與不足。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種抓取在線工件的機(jī) 器人位姿及運(yùn)動軌跡定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于單目視覺系統(tǒng)，適用于利用工業(yè)機(jī)器人智能、快 速地抓取制造車間最常見的生產(chǎn)輸送線上已知形狀而位姿不確定的中小型工件（可以不 同形狀、規(guī)格、材質(zhì)的多種工件混合）。
[0010] 本實(shí)用新型的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：抓取在線工件的機(jī)器人位姿及運(yùn)動 軌跡定位系統(tǒng)，包括用于實(shí)時拍攝工件的相機(jī)、用于抓取工件的機(jī)器人系統(tǒng)、用于根據(jù)相機(jī) 所拍攝圖像得到機(jī)器人系統(tǒng)抓取坐標(biāo)的圖像處理器、工作臺，所述相機(jī)固定在一相機(jī)支架 上，相機(jī)支架和機(jī)器人系統(tǒng)分別設(shè)置于工作臺的兩側(cè)；所述圖像處理器分別與相機(jī)和機(jī)器 人系統(tǒng)中的機(jī)器人控制裝置相連；所述工作臺上設(shè)有工件傳輸帶，工件在工件傳輸帶上運(yùn) 動；所述機(jī)器人系統(tǒng)的末端設(shè)有用于夾緊及旋轉(zhuǎn)工件的末端執(zhí)行器；所述相機(jī)的光軸與工 件運(yùn)動的方向垂直，相機(jī)用于獲取工件的軸側(cè)圖像。本實(shí)用新型采用單相機(jī)獲取輸送運(yùn)動 中不確定位姿的工件信息并計(jì)算得到其三維坐標(biāo)，引導(dǎo)機(jī)器人采用正確的末端執(zhí)行器位姿 和運(yùn)動軌跡智能地對工件進(jìn)行準(zhǔn)確抓取。
[0011] 優(yōu)選的，在所述工件傳輸帶的兩端設(shè)有用于探測工件是否進(jìn)入相機(jī)視場的光電傳 感器，該光電傳感器與相機(jī)外接觸發(fā)頭連接。從而可以通過傳感器信號觸發(fā)相機(jī)拍照。
[0012] 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0013] (1)使機(jī)器人智能化自動工作，抓取精度高。本實(shí)用新型采用單相機(jī)獲取輸送運(yùn)動 中不確定位姿的工件信息并計(jì)算得到其三維坐標(biāo)，引導(dǎo)機(jī)器人采用正確的末端執(zhí)行器位姿 和運(yùn)動軌跡智能地對工件進(jìn)行準(zhǔn)確抓取。
[0014] (2)可多種目標(biāo)混合識別，適應(yīng)多品種柔性化生產(chǎn)需求。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)單目視覺 獲取工件軸側(cè)圖像，根據(jù)不同的已知形狀物體找出其特征，可適應(yīng)于不同形狀、規(guī)格、材質(zhì) 的多種工件混合輸送場合的工件識別和機(jī)器人抓取引導(dǎo)。
[0015] (3)適應(yīng)性廣，應(yīng)用條件寬泛。本實(shí)用新型對識別對象工件無材質(zhì)、形狀、尺寸的特 定限制（但以中小型物體為佳），對工件隨傳送帶運(yùn)動的速度以及在傳送帶上的位置偏差 大小也有比較大的適應(yīng)性。
[0016] (4)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。本實(shí)用新型采用單個普通相機(jī)，配用普通PC機(jī)，與常規(guī) 工業(yè)機(jī)器人組成智能識別與抓取系統(tǒng)，無需其他輔助器件和軟件平臺。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本實(shí)用新型系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2-1是本實(shí)用新型平面點(diǎn)在垂直方向上的深度定位模型原理圖。
[0019] 圖2-2是本實(shí)用新型空間點(diǎn)在垂直方向上的深度定位模型原理圖。
[0020] 圖2-3是本實(shí)用新型平面點(diǎn)在水平方向上的X軸向定位模型原理圖。
[0021] 圖2-4是本實(shí)用新型空間點(diǎn)在水平方向上的X軸向定位模型原理圖。
[0022] 圖3(a)是本實(shí)施例被測工件為立方體的示意圖。
[0023] 圖3(b)是本實(shí)施例被測工件為其他規(guī)則體的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施 方式不限于此。
[0025] 實(shí)施例1
[0026] 參閱圖1，本實(shí)施例抓取在線工件的機(jī)器人位姿及運(yùn)動軌跡定位系統(tǒng)包括相機(jī)支 架1、工業(yè)相機(jī)2、被測工件3、工件傳輸帶4、末端執(zhí)行器5、機(jī)器人系統(tǒng)6、工作臺7、圖像處 理器8、工作臺控制裝置9、位移傳感器10以及機(jī)器人控制裝置11。工業(yè)相機(jī)2安裝在相機(jī) 支架1上，相機(jī)光軸與垂線呈適當(dāng)下傾角度安裝，使其能夠獲取輸送帶上工件的軸側(cè)圖像 以及初始時的機(jī)器人末端執(zhí)行器所在位置。相機(jī)與工業(yè)機(jī)器人分別安裝在運(yùn)動平臺兩側(cè)， 保證機(jī)器手臂不遮擋相機(jī)視野。光電傳感器安裝在傳送帶側(cè)旁，用于探測工件是否進(jìn)入相 機(jī)視場。圖像處理器分別與相機(jī)和機(jī)器人系統(tǒng)中的機(jī)器人控制裝置相連，用于根據(jù)相機(jī)所 拍攝圖像得到機(jī)器人系統(tǒng)抓取坐標(biāo)。末端執(zhí)行器用于夾緊、旋轉(zhuǎn)及放置工件。
[0027] 下面對本實(shí)施例所述系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行具體說明。
[0028] S1、調(diào)整相機(jī)的安裝位置和安裝角度，使得工件進(jìn)入相機(jī)視場后相機(jī)能獲取工件 的軸側(cè)圖像。
[0029] S2、將標(biāo)定板放置于工件傳輸帶上，且位于相機(jī)的視場中心，對相機(jī)-工件傳輸 帶平面-末端執(zhí)行器進(jìn)行幾何標(biāo)定，標(biāo)定得到相機(jī)的內(nèi)參數(shù)f和外參數(shù)α
[0030] S3、依據(jù)相機(jī)的安裝空間位置和已知的工件形狀尺寸，建立幀坐標(biāo)系uo〃v中工件 特征圖像坐標(biāo)與絕對坐標(biāo)系XYZ中工件三維位姿坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型。
[0031] 該數(shù)學(xué)模型具體包括四個模型，分別是絕對坐標(biāo)系中的平面點(diǎn)在垂直方向上的深 度定位模型、絕對坐標(biāo)系中的空間點(diǎn)在垂直方向上的深度定位模型、絕對坐標(biāo)系中的平面 點(diǎn)在水平方向上的X軸向定位模型與絕對坐標(biāo)系中的空間點(diǎn)在水平方向上的X軸向定位模 型。根據(jù)上述模型，再結(jié)合工件的先驗(yàn)知識，從而將所有相機(jī)中成像的點(diǎn)的三維坐標(biāo)求出。 上述4個數(shù)學(xué)模型，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行推導(dǎo)得到。具體推理過程如下：
[0032] (3-1)建立坐標(biāo)系：絕對坐標(biāo)系XYZ以相機(jī)鏡頭的光軸中心在工作臺平面的垂直 投影M為原點(diǎn)，以過相機(jī)鏡頭光軸線的垂直平面為參照，垂直于該平面的方向X軸，垂直于 X軸的方向?yàn)閅方向，坐標(biāo)表示為（X，Y)，以長度為單位；像平面坐標(biāo)系x〇'y原點(diǎn)在CCD成 像平面的中心，坐標(biāo)表示為（x，y);幀坐標(biāo)系u〇〃v原點(diǎn)在圖像平面的左上角，坐標(biāo)表示為 (u，v)，以像素為單位，〇'在坐標(biāo)系u〇〃v下的坐標(biāo)為（U c^vci);下面所述平面點(diǎn)為絕對坐標(biāo) 系XYZ中XMY平面上的點(diǎn)。
[0033] (3-2)建立絕對坐標(biāo)系中的平面點(diǎn)在垂直方向上的深度定位模型。
[0034] 參見圖2-1，設(shè)絕對坐標(biāo)系中的平面點(diǎn)P (0, Y，0)，則：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 抓取在線工件的機(jī)器人位姿及運(yùn)動軌跡定位系統(tǒng)，其特征在于，包括用于實(shí)時拍攝 工件的相機(jī)、用于抓取工件的機(jī)器人系統(tǒng)、用于根據(jù)相機(jī)所拍攝圖像得到機(jī)器人系統(tǒng)抓取 坐標(biāo)的圖像處理器、工作臺，所述相機(jī)固定在一相機(jī)支架上，相機(jī)支架和機(jī)器人系統(tǒng)分別設(shè) 置于工作臺的兩側(cè)；所述圖像處理器分別與相機(jī)和機(jī)器人系統(tǒng)中的機(jī)器人控制裝置相連； 所述工作臺上設(shè)有工件傳輸帶，工件在工件傳輸帶上運(yùn)動；所述機(jī)器人系統(tǒng)的末端設(shè)有用 于夾緊及旋轉(zhuǎn)工件的末端執(zhí)行器；所述相機(jī)的光軸與工件運(yùn)動的方向垂直，相機(jī)用于獲取 工件的軸側(cè)圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抓取在線工件的機(jī)器人位姿及運(yùn)動軌跡定位系統(tǒng)，其特征在 于，在所述工件傳輸帶的兩端設(shè)有用于探測工件是否進(jìn)入相機(jī)視場的光電傳感器，該光電 傳感器與相機(jī)外接觸發(fā)頭連接。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種抓取在線工件的機(jī)器人位姿及運(yùn)動軌跡定位系統(tǒng)，包括用于實(shí)時拍攝工件的相機(jī)、用于抓取工件的機(jī)器人系統(tǒng)、用于根據(jù)相機(jī)所拍攝圖像得到機(jī)器人系統(tǒng)抓取坐標(biāo)的圖像處理器、工作臺，相機(jī)固定在一相機(jī)支架上，相機(jī)支架和機(jī)器人系統(tǒng)分別設(shè)置于工作臺的兩側(cè)；圖像處理器分別與相機(jī)和機(jī)器人系統(tǒng)中的機(jī)器人控制裝置相連；工作臺上設(shè)有工件傳輸帶，工件在工件傳輸帶上運(yùn)動；機(jī)器人系統(tǒng)的末端設(shè)有用于夾緊及旋轉(zhuǎn)工件的末端執(zhí)行器；所述相機(jī)的光軸與工件運(yùn)動的方向垂直，相機(jī)用于獲取工件的軸側(cè)圖像。本實(shí)用新型采用單相機(jī)獲取輸送運(yùn)動中不確定位姿的工件信息，引導(dǎo)機(jī)器人采用智能地對工件進(jìn)行準(zhǔn)確抓取，具有抓取精度高、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】B25J13-08
【公開號】CN204585232
【申請?zhí)枴緾N201520175714
【發(fā)明人】全燕鳴, 朱正偉, 郭清達(dá)
【申請人】華南理工大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年3月26日