[發明專利]抓取在線工件的機器人位姿及運動軌跡定位系統與方法

在審

• 申請號: 201510136679.1
• 申請日: 2015-03-26
• 公開（公告）號: CN104786226A
• 公開（公告）日: 2015-07-22
• 發明（設計）人: 全燕鳴;朱正偉;郭清達
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B25J13/08
• 分類號: B25J13/08
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 劉巧霞

技術領域

本發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與方法。

背景技術

目前，工業機器人在各工業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。目前在靜態三維工件的抓取中，工業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、雙目視覺引導系統以及結構光與視覺結合的引導系統。然而，現有工業機器人三維位姿及運動軌跡定位技術，存在多方面的不足：

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依靠示教工程人員的經驗目測獲取，系統精度較低、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。

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。

3)單目視覺系統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。

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。

5)雙目立體視覺系統，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。

因此，對于工業機器人自動抓取在線運動的三維工件，有發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。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現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，該系統基于單目視覺系統，適用于利用工業機器人智能、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、規格、材質的多種工件混合)。

本發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的定位方法。該方法基于單目視覺系統，但能得到工件的三維位置信息，且計算簡單，速度快。

本發明的目的通過以下的技術方案實現：抓取在線工件的機器人位姿及運動軌跡定位系統，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、用于根據相機所拍攝圖像得到機器人系統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；所述機器人系統的末端設有用于夾緊及旋轉工件的末端執行器；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行器位姿和運動軌跡智能地對工件進行準確抓取。

優選的，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頭連接。從而可以通過傳感器信號觸發相機拍照。

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的定位方法，包括步驟：

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；

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-末端執行器進行幾何標定；

S3、依據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uov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學模型；

S4、依據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X₁Y₁Z₁中坐標之間的轉換數學模型；

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；