專利名稱：一種嵌入式噴槍位姿實時測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視覺測量和嵌入式圖像處理領(lǐng)域，尤其涉及噴涂機器人噴槍位姿實時 測量裝置和方法。
背景技術(shù)：
由于被噴涂表面形狀通常具備較強的不規(guī)則性，而為了保證噴涂質(zhì)量，需要保證 在進行噴涂時噴槍與待噴區(qū)域之間平面保持適當(dāng)?shù)木嚯x且二者相互垂直。為了達到上述目 的，需要實時檢測噴槍相對于待噴區(qū)域表面的姿態(tài)和距離，并據(jù)此對機械臂進行反饋控制， 使噴槍處于理想的噴涂姿態(tài)和噴涂位置。為檢測噴槍與待噴表面區(qū)域之間的相對位置和姿態(tài)，需要在噴槍末端安裝測距傳 感器，獲得至少三個不在同一直線上點的距離信息，從而達到對噴槍與待噴涂部位的相對 位置與姿態(tài)進行實時檢測的目的。視覺測量與被測對象無接觸，而且具有體積小、重量輕等優(yōu)點，非常適用于噴涂機 器人噴槍位姿測量。國內(nèi)外一些著名的機器人廠商，都提供有用于測量機器人位姿的視覺 系統(tǒng)，如ABB公司的True View機器人視覺系統(tǒng)，英國Meta視覺公司的Meta-SCOUT系統(tǒng)， 等等。但是目前用于測量位姿的機器人視覺系統(tǒng)大部分都是基于PC機和立體視覺實現(xiàn)的， 系統(tǒng)集成度差；而立體視覺需要兩個或以上的攝像機，系統(tǒng)體積較大；同時立體視覺處理 計算量大，只依靠PC機軟件實現(xiàn)，造成此類機器人視覺系統(tǒng)處理速度較慢，實時性較差。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有系統(tǒng)集成度高、體積小、重量輕、實時 性好等優(yōu)點，且適合噴涂機器人噴槍位姿實時測量的視覺測量系統(tǒng)。為達到以上目的，本發(fā)明提供一種嵌入式噴槍位姿實時測量裝置，所述裝置的技 術(shù)方案如下所述測量裝置通過安裝支架與噴槍一起固接在噴涂機器人的機械臂末端，噴 槍與測量裝置之間的位姿相對固定，噴涂時，機械臂帶動支架以及固定其上的噴槍和位姿 測量裝置一同運動，位姿測量裝置實時檢測自身相對于被噴涂物體的表面位姿，并換算成 噴槍相對于被噴涂表面的位姿傳送給機器人控制器，機器人控制器根據(jù)反饋信息對噴槍位 置和姿態(tài)進行實時調(diào)整，以保證最佳的噴涂效果；所述位姿測量裝置含有一個面陣CXD攝像機，多個點狀激光器以及一塊圖像處理 卡，多個點狀激光器不少于三個，其中所述點狀激光器的激光線出射端與被測噴涂物體表 面相對放置，用于將激光線投射到被測噴涂物體的表面，在被測噴涂物體表面形成激光點； 所述面陣CCD攝像機的鏡頭與被測噴涂物體表面相對放置，用于拍攝被測噴涂物體表面激 光點的圖像；所述圖像處理卡與面陣CCD攝像機電氣連接，圖像處理卡處理面陣CCD攝像機 所拍攝的激光點圖像，確定每個激光點光斑中心在激光點圖像中的二維位置坐標(biāo)(U，ν)，通 過標(biāo)定將激光點二維位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成在面陣C⑶攝像機坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)(X，y, z)，使 用最小二乘法對激光點三維坐標(biāo)進行平面擬合，該擬合平面的法線與面陣CCD攝像機坐標(biāo)
4系Z軸的夾角即為面陣CCD攝像機與被測噴涂物體表面的相對姿態(tài)，該擬合平面與面陣CCD 攝像機坐標(biāo)系原點的距離即為面陣CCD攝像機相對于被測噴涂物體表面的距離，根據(jù)噴槍 與面陣CCD攝像機相對的安裝位姿，將面陣CCD攝像機相對于被測噴涂物體表面的姿態(tài)和 距離通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，換算成噴槍相對于被測噴涂物體表面的姿態(tài)和距離，完成噴槍位姿實 時測量。優(yōu)選實施例，所述多個激光器使用六個點激光源，六個點激光源按照60度等間距 沿圓周排列，面陣CCD攝像機位于由六個點激光源組成的圓周圓心。優(yōu)選實施例，位姿測量裝置的安裝位置高于噴槍的槍口處10cm-20cm并且置于噴 槍運動方向的前側(cè)20cm，高于噴槍的槍口用以保證所有的激光斑點均在CCD攝像機的視場 范圍內(nèi)和防止噴槍在噴涂過程中的霧狀涂料覆著于面陣CCD攝像機的鏡頭表面；位于噴槍 運動方向前側(cè)用于保證機器人控制器可以根據(jù)前饋信息對噴槍的位置和姿態(tài)進行實時調(diào)
iF. ο優(yōu)選實施例，圖像處理卡使用基于數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場可編程邏輯器件的嵌 入式圖像處理卡，所述現(xiàn)場可編程邏輯器件硬件實現(xiàn)計算量較大的底層圖像處理，所述底 層圖像處理包括濾波、邊緣提取、中心點二維坐標(biāo)的確定，用于減輕后端處理器的處理的負 擔(dān)；所述數(shù)字信號處理器作為中央處理單元，用于控制圖像處理卡的處理順序、控制邏輯、 高層算法處理以及與機器人控制器的通訊；所述嵌入式圖像處理卡上圖像信號的數(shù)據(jù)處理 采用并行流水線的方式實現(xiàn)，圖像信號采集即時被處理。為達到以上目的，本發(fā)明提供一種使用嵌入式噴槍位姿實時測量裝置的嵌入式噴 槍位姿實時測量方法，該方法包括步驟Sl 設(shè)置面陣CXD攝像機坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系；步驟S2 激光點在圖像中二維位置坐標(biāo)(u，v)與三維坐標(biāo)(x，y，z)關(guān)系方程參數(shù) 的標(biāo)定；步驟S3 噴槍位姿實時測量的步驟步驟S3a 利用現(xiàn)場可編程邏輯器件內(nèi)的高斯濾波硬件單元，對圖像進行高斯平 滑去除噪聲；步驟S3b 利用現(xiàn)場可編程邏輯器件內(nèi)部的Carmy算子硬件單元，對圖像進行邊緣 提取，得到二值化后的斑點邊緣圖像；步驟S3c 利用現(xiàn)場可編程邏輯器件內(nèi)部的硬件單元，確定斑點中心的位置坐標(biāo) (U，V)，即斑點中心處于圖像中的第U列、第V行；步驟S3d 利用數(shù)字信號處理器并通過標(biāo)定的關(guān)系方程解算出激光點在面陣CXD 攝像機坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)(X，1，ζ)；步驟S3e 數(shù)字信號處理器利用六個光點的三維坐標(biāo)，使用最小二乘法擬合出光 點所在的被測噴涂物體表面的平面方程，從而解算出噴槍與被測噴涂物體表面的平面相對 位置和姿態(tài)，同時將測量結(jié)果傳送給機器人控制器。優(yōu)選實施例，所有測量步驟使用并行流水線的實現(xiàn)方式，所有步驟同步并行執(zhí)行， 圖像信號采集即被處理。優(yōu)選實施例，所述將激光點二維位置坐標(biāo)通過標(biāo)定得到的關(guān)系方程轉(zhuǎn)換成在面陣 CCD攝像機坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，關(guān)系方程由如下公式表示
權(quán)利要求
一種嵌入式噴槍位姿實時測量裝置，其特征在于，該測量裝置通過安裝支架與噴槍一起固接在噴涂機器人的機械臂末端，噴槍與測量裝置之間的位姿相對固定，噴涂時，機械臂帶動支架以及固定其上的噴槍和位姿測量裝置一同運動，位姿測量裝置實時檢測自身相對于被噴涂物體的表面位姿，并換算成噴槍相對于被噴涂表面的位姿傳送給機器人控制器，機器人控制器根據(jù)反饋信息對噴槍位置和姿態(tài)進行實時調(diào)整，以保證最佳的噴涂效果；所述位姿測量裝置含有一個面陣CCD攝像機，多個點狀激光器以及一塊圖像處理卡，多個點狀激光器不少于三個，其中所述點狀激光器的激光線出射端與被測噴涂物體表面相對放置，用于將激光線投射到被測噴涂物體的表面，在被測噴涂物體表面形成激光點；所述面陣CCD攝像機的鏡頭與被測噴涂物體表面相對放置，用于拍攝被測噴涂物體表面激光點的圖像；圖像處理卡與面陣CCD攝像機電氣連接，圖像處理卡處理面陣CCD攝像機所拍攝的激光點圖像，確定每個激光點光斑中心在激光點圖像中的二維位置坐標(biāo)(u，v)，通過標(biāo)定將激光點二維位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成在面陣CCD攝像機坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)(x，y，z)，使用最小二乘法對激光點三維坐標(biāo)進行平面擬合，該擬合平面的法線與面陣CCD攝像機坐標(biāo)系Z軸的夾角即為面陣CCD攝像機與被測噴涂物體表面的相對姿態(tài)，該擬合平面與面陣CCD攝像機坐標(biāo)系原點的距離即為面陣CCD攝像機相對于被測噴涂物體表面的距離，根據(jù)噴槍與面陣CCD攝像機相對的安裝位姿，將面陣CCD攝像機相對于被測噴涂物體表面的姿態(tài)和距離通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，換算成噴槍相對于被測噴涂物體表面的姿態(tài)和距離，完成噴槍位姿實時測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式噴槍位姿實時檢測裝置，其特征在于，所述多個激光 器使用六個點激光源，六個點激光源按照60度等間距沿圓周排列，面陣CCD攝像機位于由 六個點激光源組成的圓周圓心。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式噴槍位姿實時檢測裝置，其特征在于，位姿測量裝置 的安裝位置高于噴槍的槍口處10cm-20cm并且置于噴槍運動方向的前側(cè)20cm，高于噴槍的 槍口用以保證所有的激光斑點均在CCD攝像機的視場范圍內(nèi)和防止噴槍在噴涂過程中的 霧狀涂料覆著于面陣CCD攝像機的鏡頭表面；位于噴槍運動方向前側(cè)用于保證機器人控制 器可以根據(jù)前饋信息對噴槍的位置和姿態(tài)進行實時調(diào)整。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式噴槍位姿實時檢測裝置，其特征在于，圖像處理卡使 用基于數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場可編程邏輯器件的嵌入式圖像處理卡，所述現(xiàn)場可編程邏輯 器件硬件實現(xiàn)計算量較大的底層圖像處理，所述底層圖像處理包括濾波、邊緣提取、中心點 二維坐標(biāo)的確定，用于減輕后端處理器的處理的負擔(dān)；所述數(shù)字信號處理器作為中央處理 單元，用于控制圖像處理卡的處理順序、控制邏輯、高層算法處理以及與機器人控制器的通 訊；所述嵌入式圖像處理卡上圖像信號的數(shù)據(jù)處理采用并行流水線的方式實現(xiàn)，圖像信號 采集即時被處理。
5.一種使用權(quán)利要求1所述嵌入式噴槍位姿實時測量裝置的嵌入式噴槍位姿實時測 量方法，其特征在于，該方法包括步驟如下步驟Sl 設(shè)置面陣CXD攝像機坐標(biāo)系為全局坐標(biāo)系；步驟S2 激光點在圖像中二維位置坐標(biāo)(u，ν)與三維坐標(biāo)(x，y，z)關(guān)系方程參數(shù)的標(biāo)定；步驟S3 噴槍位姿實時測量的步驟步驟S3a:利用現(xiàn)場可編程邏輯器件內(nèi)的高斯濾波硬件單元，對圖像進行高斯平滑去 除噪聲；步驟S3b 利用現(xiàn)場可編程邏輯器件內(nèi)部的Carmy算子硬件單元，對圖像進行邊緣提 取，得到二值化后的斑點邊緣圖像；步驟S3c 利用現(xiàn)場可編程邏輯器件內(nèi)部的硬件單元，確定斑點中心的位置坐標(biāo)(u， ν)，即斑點中心處于圖像中的第u列、第ν行；步驟S3d 利用數(shù)字信號處理器并通過標(biāo)定的關(guān)系方程解算出激光點在面陣CCD攝像 機坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)(X，1，ζ)；步驟S3e 數(shù)字信號處理器利用六個光點的三維坐標(biāo)，使用最小二乘法擬合出光點所 在的被測噴涂物體表面的平面方程，從而解算出噴槍與被測噴涂物體表面的平面相對位置 和姿態(tài)，同時將測量結(jié)果傳送給機器人控制器。
6.如權(quán)利要求5所述的嵌入式噴槍位姿實時測量方法，其特征在于，所有測量步驟使 用并行流水線的實現(xiàn)方式，所有步驟同步并行執(zhí)行，圖像信號采集即被處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的噴槍位姿實時測量方法，其特征在于所述將激光點二維位 置坐標(biāo)通過標(biāo)定得到的關(guān)系方程轉(zhuǎn)換成在面陣CCD攝像機坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，關(guān)系方程由如下公式表示e j χ =--Vd，u-b ρν -η aζ =-，u-b其中，x、y、z為激光光斑點在面陣CCD攝像機坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，U、V為光斑點在光 斑圖像中的二維位置坐標(biāo)，a、b、d、e、p、q均為與面陣CXD攝像機的內(nèi)、外參數(shù)相關(guān)的常數(shù)， 通過標(biāo)定確定。
全文摘要
本發(fā)明一種嵌入式噴槍位姿實時測量裝置及方法，所述裝置中有點狀激光器的激光線出射端與被測噴涂物體表面相對放置；所述面陣CCD攝像機的鏡頭與被測噴涂物體表面相對放置；圖像處理卡與面陣CCD攝像機電氣連接。所述方法通過標(biāo)定的方法，獲得每個激光點在圖像中的二維位置坐標(biāo)與其在面陣CCD攝像機坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)的關(guān)系方程；計算出每個光點中心在圖像中的二維坐標(biāo)，計算出該光點在面陣CCD攝像機坐標(biāo)系下X、Y和Z軸的三維坐標(biāo)，最后根據(jù)六個激光點的三維坐標(biāo)，使用最小二乘法擬合出六個光點所在平面的平面方程，根據(jù)該擬合的平面方程即可解算得到被噴涂平面與面陣CCD攝像機的相對位姿，從而完成對噴槍位姿的測量。
文檔編號B05B13/04GK101961698SQ20101024495
公開日2011年2月2日 申請日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月4日
發(fā)明者何文浩, 原魁, 徐正東, 李園, 鄒偉 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所