抓取在線工件的機器人位姿及運動軌跡定位系統(tǒng)與方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明機器人運動控制以及視覺定位領域，特別涉及一種抓取在線工件的機器人 位姿及運動軌跡定位系統(tǒng)與方法。
【背景技術】
[0002] 目前，工業(yè)機器人在各工業(yè)領域中獲得了廣泛應用，其可代替人工做出可重復的 精確的運動。機器人要完成三維工件的智能抓取，必須沿特定軌跡、采用相應的位姿及運動 軌跡進行運動。目前在靜態(tài)三維工件的抓取中，工業(yè)機器人抓取位姿及運動軌跡的定位有 在線示教、離線編程；在運動工件的在線實時抓取中，目前有單目視覺引導系統(tǒng)、雙目視覺 引導系統(tǒng)以及結構光與視覺結合的引導系統(tǒng)。然而，現(xiàn)有工業(yè)機器人三維位姿及運動軌跡 定位技術，存在多方面的不足：
[0003] 1)在線示教不需標定機器人的工具坐標系，機器人的位姿、運動軌跡及夾緊參數(shù) 依靠示教工程人員的經驗目測獲取，系統(tǒng)精度較低、在線編程繁瑣、占用生產時間，難以滿 足當今快速而多品種變換的柔性生產需求，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)為了獲得真實的機器人位置空間模型必須對機器人進行標定。常用的標定設備 有三坐標測量機、關節(jié)臂測量機和激光跟蹤儀，但用于對工作場景中的機器人標定受限制， 位置標定誤差仍較大。
[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，傳遞給機器人的只有平面上的位置和角度量。相機光軸必須與工件平面保 持嚴格垂直，深度位置只能靠經驗值人為預先設定固定值。
[0006] 4)結構光與單相機相結合獲取工件信息的方式，需進行圖形學解碼運算。為保證 解算精度，必須保持相機與工件相對位置固定，難以適用于運動工件的抓取，而且涉及三維 點云計算，運算復雜耗時。
[0007] 5)雙目立體視覺系統(tǒng)，利用兩個相機呈固定角度從不同視角拍攝工件圖像，計算 工件的三維坐標。要經過雙目視覺標定、深度信息提取等過程，運算比較復雜，耗時較長，成 本較高，而且魯棒性較差。
[0008] 因此，對于工業(yè)機器人自動抓取在線運動的三維工件，有發(fā)展工件位姿及運動軌 跡在線快速識別新方法的需求，以改善上述缺點與不足。

【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種抓取在線工件的機 器人位姿及運動軌跡定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于單目視覺系統(tǒng)，適用于利用工業(yè)機器人智能、快 速地抓取制造車間最常見的生產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、材質的多種工件混合）。
[0010] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于上述抓取在線工件的機器人位姿及運動軌 跡定位系統(tǒng)的定位方法。該方法基于單目視覺系統(tǒng)，但能得到工件的三維位置信息，且計算 簡單，速度快。
[0011] 本發(fā)明的目的通過以下的技術方案實現(xiàn)：抓取在線工件的機器人位姿及運動軌跡 定位系統(tǒng)，包括用于實時拍攝工件的相機、用于抓取工件的機器人系統(tǒng)、用于根據(jù)相機所拍 攝圖像得到機器人系統(tǒng)抓取坐標的圖像處理器、工作臺，所述相機固定在一相機支架上，相 機支架和機器人系統(tǒng)分別設置于工作臺的兩側；所述圖像處理器分別與相機和機器人系統(tǒng) 中的機器人控制裝置相連；所述工作臺上設有工件傳輸帶，工件在工件傳輸帶上運動；所 述機器人系統(tǒng)的末端設有用于夾緊及旋轉工件的末端執(zhí)行器；所述相機的光軸與工件運動 的方向垂直，相機用于獲取工件的軸側圖像。本發(fā)明采用單相機獲取輸送運動中不確定位 姿的工件信息并計算得到其三維坐標，引導機器人采用正確的末端執(zhí)行器位姿和運動軌跡 智能地對工件進行準確抓取。
[0012] 優(yōu)選的，在所述工件傳輸帶的兩端設有用于探測工件是否進入相機視場的光電傳 感器，該光電傳感器與相機外接觸發(fā)頭連接。從而可以通過傳感器信號觸發(fā)相機拍照。
[0013] 一種基于上述抓取在線工件的機器人位姿及運動軌跡定位系統(tǒng)的定位方法，包括 步驟：
[0014] S1、調整相機的安裝位置和安裝角度，使得工件進入相機視場后相機能獲取工件 的軸側圖像；
[0015] S2、將標定板放置于工件傳輸帶上，且位于相機的視場中心，對相機-工件傳輸帶 平面-末端執(zhí)行器進行幾何標定；
[0016] S3、依據(jù)相機的安裝空間位置和已知的工件形狀尺寸，建立幀坐標系uo〃v中工件 特征圖像坐標與絕對坐標系XYZ中工件三維位姿坐標之間的轉換數(shù)學模型；
[0017] S4、依據(jù)機器人在絕對坐標系中的空間位置，建立工件在絕對坐標系XYZ中三維 位姿坐標與在機器人坐標系X1Y 1Z1*坐標之間的轉換數(shù)學模型；
[0018] S5、工件傳送帶以速度V攜載工件平移運動，當探測到工件進入相機視場后相機 獲取工件的軸側圖像，提取該軸側圖像中工件的圖像特征點；
[0019] S6、依據(jù)工件的圖像特征點的坐標，結合步驟S2中的標定值以及步驟S3、S4建立 的數(shù)學模型，得到機器人抓取時的工件在機器人坐標系X 1Y1Z1中的三維位姿及空間坐標， 將此數(shù)據(jù)傳輸給機器人控制器，進而控制末端執(zhí)行器抓取在線工件。
[0020] 更進一步的，所述定位方法，還包括步驟：
[0021] S7、機器人控制器實時采集當前末端執(zhí)行器的位置，然后計算此實際位置和目標 位置的偏差，根據(jù)此偏差反饋一運動控制信號控制末端執(zhí)行器運動，形成一閉環(huán)控制回路， 直至末端執(zhí)行器精密抓取工件。
[0022] 具體的，所述步驟S3中，建立幀坐標系uo〃v中工件特征圖像坐標與絕對坐標系 XYZ中工件三維位姿坐標之間的轉換數(shù)學模型的方法是：
[0023] 建立絕對坐標系中的平面點在垂直方向上的深度定位模型、絕對坐標系中的空間 點在垂直方向上的深度定位模型、絕對坐標系中的平面點在水平方向上的X軸向定位模型 與絕對坐標系中的空間點在水平方向上的X軸向定位模型，再結合工件的先驗知識，從而 將所有相機中成像的點的三維坐標求出，上述各模型的計算公式如下：
[0024] (3-1)建立坐標系：絕對坐標系XYZ以相機鏡頭的光軸中心在工作臺平面的垂直 投影M為原點，以過相機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軸的方向為Y方向，坐標表示為（X，Y)，以長度為單位；像平面坐標系x〇'y原點在CCD成 像平面的中心，坐標表示為（x，y);幀坐標系u〇〃v原點在圖像平面的左上角，坐標表示為 (u，v)，以像素為單位，〇'在坐標系u〇〃v下的坐標為（U c^vci);下面所述平面點為絕對坐標 系XYZ中XMY平面上的點；
[0025] (3-2)建立絕對坐標系中的平面點在垂直方向上的深度定位模型：設絕對坐標系 中的平面點P(〇, Y，〇)，則該點到原點M的距離為：
【主權項】
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