[發明專利]一種基于結構光3D傳感器的機器人定位系統和方法

在審

• 申請號: 201910080753.0
• 申請日: 2019-01-28
• 公開（公告）號: CN109814124A
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發明（設計）人: 任亞恒;高曉芝;郝存明;姚利彬
• 申請（專利權）人: 河北省科學院應用數學研究所
• 主分類號: G01S17/48
• 分類號: G01S17/48;G01S17/02;G01B11/00;G01B11/24;G01M1/12
• 代理公司: 石家莊開言知識產權代理事務所(普通合伙) 13127
• 代理人: 趙俊嬌

1.一種基于結構光3D傳感器的機器人定位系統，其特征是：所述系統由成像模塊、光學模塊、激光器、ARM模塊、FPGA模塊和通信模塊組成；所述成像模塊為設備的關鍵部件，負責掃描區域內的圖像采集，所述光學模塊為相應的光學透鏡、濾光片和偏振片，通過光學透鏡改變激光器和成像模塊的角度；所述激光器為主動光源模塊，所述ARM模塊為數據處理器，對采集的光條信息數據進行處理，構建工件的輪廓信息；所述FPGA模塊負責各個模塊之間的任務調節和資源調度，所述通信模塊為程序處理模塊和外部執行器件的處理單元，包含各種常見主流通訊協儀；所述成像模塊、光學模塊、激光器、ARM模塊、FPGA模塊和通信模塊通信連通。

2.根據權利要求1所述的基于結構光3D傳感器的機器人定位系統，其特征是：所述系統根據三角測量原理，通過成像模塊拍攝由激光器打在被測物體上的光條，生成被測物體的三維信息。

3.根據權利要求1所述的基于結構光3D傳感器的機器人定位系統，其特征是：所述結構光3D傳感器的數學模型為：結構光平面與相機光軸夾角為角α，取世界坐標系O_w-X_wY_wZ_w的原點O_w位于相機光軸與結構光平面的交點，X_w軸和Y_w軸分別與相機坐標系X_c軸和Y_c軸平行，Z_w與相機坐標系Z_c重合但方向相反；O_w與相機坐標原點O_c的距離為l；則世界坐標系與相機坐標系有如下關系：

取A點的像為A′，在世界坐標系中，視線OA′的方程為：

式中：X_wY_wZ_w為世界坐標系的某一點，X_cY_cZ_c為世界坐標系點到相機坐標系的映射，f為鏡頭焦距，l為世界坐標第原點與相機坐標系原點的距離；在世界坐標系中，結構光平面為：

圖像中任意一個像素在兩個坐標系下的坐標采用齊次坐標和矩陣形式表示，有如下關系：

式中：(u,v)是像素點在數字圖像坐標系中以像素為單位的坐標；(u0,v0)為像素點在像平面二維坐標系的坐標點，(Sx，Sy)為像素點在x軸和y軸方向上的物理尺寸；

逆關系為：

得到像素點一世界坐標點之間的對應關系為：

。

4.一種權利要求1所述基于結構光3D傳感器的機器人定位系統的定位方法，其特征是：機器人配合3D傳感器完成，步驟如下：

⑴所述激光器在工件上掃描，通過成像模塊和光學模塊采集工件光條數據；

⑵計算光條中心建立點云數據；

⑶所述ARM模塊根據點云數據重建工件的三維輪廓數據；

⑷提取相關信息；

⑸根據工藝內容，對提取的相關三維數據進行相應分析；

⑹根據分析結果通知機器人執行相應的操作，控制機器人執行操作。

5.根據權利要求3所述所述視覺的識別定位方法，其特征是：步驟⑷所述提取相關信息包括：工件重心、尋找邊緣、平整度檢測和尺寸測量。