[發(fā)明專利]一種基于結構光3D傳感器的機器人定位系統(tǒng)和方法

在審

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• 申請日: 2019-01-28
• 公開（公告）號: CN109814124A
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發(fā)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(shù)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(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 13127
• 代理人: 趙俊嬌

本發(fā)明涉及一種基于結構光3D傳感器的機器人定位系統(tǒng)，系統(tǒng)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。定位方法步驟為：⑴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(shù)據(jù)；⑵計算光條中心建立點云數(shù)據(jù)；⑶ARM模塊根據(jù)點云數(shù)據(jù)重建工件的三維輪廓數(shù)據(jù)；⑷提取相關信息；⑸根據(jù)工藝內(nèi)容，對提取的相關三維數(shù)據(jù)進行相應分析；⑹根據(jù)分析結果通知機器人執(zhí)行相應的操作，控制機器人執(zhí)行操作。本發(fā)明由機器人與3D傳感器構成的結構光定位系統(tǒng)，有效提高了機器人的靈活性、自適應性和智能化水平，將機器人由單純的執(zhí)行機構升級為智能化的生產(chǎn)工具。

技術領域

本發(fā)明屬于工業(yè)自動化技術領域，涉及一種基于結構光的3D視覺識別的機器人定位系統(tǒng)和方法。

背景技術

隨著自動化技術的發(fā)現(xiàn)，越來越多的流水線引入了各類自動化操作和判斷技術，從而減少人工投入、保障產(chǎn)品質(zhì)量。作為流水線自動化的基礎，對工件的識別是自動化流程的起始一步，也是頗具難度的步驟。3D視覺識別技術，為該步驟的工業(yè)化應用奠定了基礎。3D視覺識別技術的基本原理是，通過采集工件的圖像，并通過一定的算法進行處理，獲得工件輪廓、外貌、紋理、形態(tài)等物理信息，并將這些物理信息數(shù)字化、模型化，從而獲得計算機可以識別和處理的數(shù)字信號，使得諸如機械手等設備能夠根據(jù)這些數(shù)字信號的處理結果對工件進行相應的操作，從而達到自動化生產(chǎn)的目的。

線結構光視覺傳感器主要由線結構光投射器(線型激光器)和攝像機組成，結構簡單、體積小、重量輕、成本較低，而且校準方便，具有較高的測量精度，因此在工業(yè)視覺測量各領域有著廣泛的應用。尤其是基于工業(yè)機器人的柔性測量系統(tǒng)中，出于運動和空間等方面的考慮，相比較立體(雙目或多目)視覺傳感器而言，線結構光視覺傳感器更顯示出突出的優(yōu)勢。

目前應用于生產(chǎn)領域的工業(yè)機器人，其控制模式大多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的人工示教方法記錄機器人工作過程的操作點位置，再由機器人按照制定的軌跡運動。當工件因尺寸誤差、定位誤差而偏離示教位置，或工作過程中工件位置發(fā)生偏移時，機器人將無法自動進行調(diào)整。對于散亂無序工件的識別和抓取需要借助模具的改進和人工的干預，造成人員的浪費和生產(chǎn)效率的降低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于結構光3D傳感器的機器人定位系統(tǒng)和方法，通過前置3D視覺系統(tǒng)實現(xiàn)不同截面形狀、不同形狀的軌跡跟蹤，有效提高機器人的靈活性、自適應性和自動化、智能化水平提，將機器人由單純的執(zhí)行機構升級為智能化的生產(chǎn)工具。

本發(fā)明的技術方案是：基于結構光3D傳感器的機器人定位系統(tǒng)，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。成像模塊為設備的關鍵部件，負責掃描區(qū)域內(nèi)的圖像采集。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。激光器為主動光源模塊，ARM模塊為數(shù)據(jù)處理器，對采集的光條信息數(shù)據(jù)進行處理，構建工件的輪廓信息。FPGA模塊負責各個模塊之間的任務調(diào)節(jié)和資源調(diào)度，通信模塊為程序處理模塊和外部執(zhí)行器件的處理單元，包含各種常見主流通訊協(xié)儀。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。

系統(tǒng)根據(jù)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。

結構光3D傳感器的數(shù)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：