本發(fā)明屬于涂膠機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高涂膠工業(yè)機(jī)器人涂膠精度的方法。

背景技術(shù)：

機(jī)器視覺(jué)是研究計(jì)算機(jī)模擬生物外顯或宏觀視角功能的科學(xué)與技術(shù)，是一個(gè)相當(dāng)新且發(fā)展十分迅速的研究領(lǐng)域。機(jī)器視角在人類(lèi)視角無(wú)法感知的場(chǎng)合，如精確定量感知、危險(xiǎn)場(chǎng)景感知、不可見(jiàn)物體感知等，更突顯其優(yōu)越性。在工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器視角已成功地用于零件的識(shí)別與定位、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)、刀具磨損監(jiān)控精密測(cè)量和移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域。但在工程運(yùn)用中機(jī)器視角也面臨一些問(wèn)題，特別是對(duì)于實(shí)時(shí)性強(qiáng)、影像分辨率高的場(chǎng)合，圖像數(shù)據(jù)的信息量十分巨大，如何實(shí)現(xiàn)視頻序列的實(shí)時(shí)處理在過(guò)去是瓶頸。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的飛速發(fā)展，高分辨率影像輸入設(shè)備的研制及相匹配的高性能圖像采集卡的出現(xiàn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展基于機(jī)器視覺(jué)的實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)成為亟待實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可以非常容易的進(jìn)行工件的特征點(diǎn)的提取，非常適合用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

在理想條件下，涂膠機(jī)器人可以非常準(zhǔn)確的進(jìn)行涂膠作業(yè)，但在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中往往會(huì)出現(xiàn)待涂膠工件擺放角度和位置出現(xiàn)偏差、工件本身上尺寸的誤差等原因，這會(huì)導(dǎo)致涂膠的結(jié)果產(chǎn)生誤差，從而導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人涂膠效果不符合要求?，F(xiàn)今對(duì)于涂膠工件的擺放位置誤差多數(shù)是通過(guò)人為校正，方法上雖然簡(jiǎn)單易行，但效果不是十分理想，并且人工成本過(guò)于巨大。少數(shù)使用校正設(shè)備進(jìn)行校正，但是價(jià)格上很高，方法上也很復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有人為校正方法效果不理想，人工成本過(guò)于巨大，使用校正設(shè)備進(jìn)行校正的方法價(jià)格高，方法復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種提高涂膠工業(yè)機(jī)器人涂膠精度的方法，該方法利用機(jī)器視覺(jué)獲取涂膠現(xiàn)場(chǎng)中工件的準(zhǔn)確位置，通過(guò)把位置信息反饋給涂膠工業(yè)機(jī)器人，這樣得到的工件位置就會(huì)更準(zhǔn)確，以此來(lái)提高涂膠精度，并且減少勞動(dòng)力，節(jié)約成本，提高效益。

本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案如下：

提高涂膠工業(yè)機(jī)器人涂膠精度的方法，其包括如下步驟：

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境以及待涂膠工件的特性，選取光源的類(lèi)型和光源安放的位置；

(2)在帶有刻度尺的相機(jī)支架上安放兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)，使兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)光軸平行、相平面在同一平面且相平面上成像的特征點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)值相同，由刻度尺的讀數(shù)確定兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)間的距離；

(3)使用步驟(2)所述兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)棋盤(pán)式標(biāo)定板進(jìn)行取圖，左右各拍攝10張圖片；

(4)利用張正友標(biāo)定方法來(lái)對(duì)步驟(2)所述兩個(gè)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，得到攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)；

(5)保持步驟(2)所述兩個(gè)攝像機(jī)的位置和焦距不變，對(duì)待涂膠工件進(jìn)行取圖；

(6)得到待涂膠工件的特征點(diǎn)在兩個(gè)攝像機(jī)相平面中的二維坐標(biāo)；

(7)利用步驟(6)所獲得的二維坐標(biāo)以及步驟(4)標(biāo)定所求出的內(nèi)外參數(shù)準(zhǔn)確求取步驟(6)所述特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)；

(8)將步驟(7)得到的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基于涂膠機(jī)器人坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)；

(9)將步驟(8)得到的三維坐標(biāo)傳回到涂膠機(jī)器人，對(duì)涂膠機(jī)器人進(jìn)行控制；

(10)通過(guò)控制涂膠機(jī)器人到達(dá)步驟(8)所獲取的特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)位置，根據(jù)特征點(diǎn)到膠線間的距離來(lái)控制涂膠機(jī)器人對(duì)待涂膠工件進(jìn)行涂膠。

步驟(1)所述光源的類(lèi)型包括條形光、環(huán)形光、白光、紅光。

步驟(1)所述選取光源的類(lèi)型和光源的安裝的位置是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，針對(duì)待涂膠工件的表面特征和材質(zhì)，選擇不同形狀和不同波長(zhǎng)的光源來(lái)達(dá)到理想的取圖效果。

步驟(3)所述左右各拍攝10張圖片是：保持工業(yè)攝像機(jī)位置不變、焦距不變的情況下移動(dòng)標(biāo)定板10次并拍照，同時(shí)在10次拍照時(shí)保證標(biāo)定板能夠完全顯示在攝像機(jī)的視場(chǎng)中。

步驟(6)所述的二維坐標(biāo)是以攝像機(jī)的左上角為相平面原點(diǎn)，特征點(diǎn)在相平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

步驟(6)所述的特征點(diǎn)是具有特征的局部區(qū)域的位置標(biāo)識(shí)。

步驟(7)所述的三維坐標(biāo)是在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，此坐標(biāo)系是以左側(cè)攝像機(jī)的光心為原點(diǎn)，兩個(gè)攝像機(jī)連線的方向?yàn)閄軸正向，攝像機(jī)的光軸方向?yàn)閅軸正向，通過(guò)右手定則確定Z軸正向所建立的坐標(biāo)系。

步驟(7)所述三維坐標(biāo)的求取方法是：利用視差原理，兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)在同一時(shí)刻觀看空間物體的同一特征點(diǎn)P(x_c,y_c,z_c)，分別在左側(cè)攝像機(jī)和右側(cè)攝像機(jī)上獲取了點(diǎn)P的圖像，它們的圖像坐標(biāo)分別為p_left＝(X_left,Y_left)，p_right＝(X_right,Y_right)；

兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)的圖像在同一個(gè)平面上，則特征點(diǎn)P的圖像坐標(biāo)Y坐標(biāo)相同，即Y_left＝Y(jié)_right＝Y(jié)，則由三角幾何關(guān)系得到：

則視差為：Disparity＝X_left-X_right，由此可計(jì)算出特征點(diǎn)P在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為：

式中，B為基線距，即兩個(gè)攝像機(jī)的投影中心連線的距離；f為攝像機(jī)焦距。

步驟(8)所述坐標(biāo)變換是將攝像機(jī)坐標(biāo)系下的特征點(diǎn)轉(zhuǎn)換到涂膠工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系下的特征點(diǎn)。

步驟(10)所述的膠線是待涂膠工件的邊緣處按照涂膠要求進(jìn)行涂膠所獲取的線條。

本發(fā)明的有益效果是：該方法利用機(jī)器視覺(jué)的方法，價(jià)格上相對(duì)便宜，方法上簡(jiǎn)單易行。利用機(jī)器視覺(jué)在特定的條件下，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中工件特征點(diǎn)三維坐標(biāo)準(zhǔn)確的獲取，再把獲取的坐標(biāo)反饋給涂膠工業(yè)機(jī)器人，利用坐標(biāo)變換算法控制機(jī)器人找到工件特征點(diǎn)準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，引導(dǎo)涂膠機(jī)器人進(jìn)行涂膠工藝，使整個(gè)涂膠工藝更加精密和準(zhǔn)確，取代了人工檢測(cè)和調(diào)整，縮短了整個(gè)工藝過(guò)程，解決了人工及經(jīng)驗(yàn)對(duì)涂膠精度的影響。

附圖說(shuō)明

圖1為兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)成像原理示意圖。

圖2為單個(gè)工業(yè)攝像機(jī)拍攝特征點(diǎn)的原理示意圖。

圖3為特征點(diǎn)在相平面上成像后坐標(biāo)選取的方式示意圖。

圖4為本發(fā)明提高涂膠工業(yè)機(jī)器人涂膠精度的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1至圖4所示，本發(fā)明提高涂膠工業(yè)機(jī)器人涂膠精度的方法包括如下步驟：

對(duì)于獲取圖像而言，光源是非常重要的，故對(duì)光源的選取和安放要特別注意。光源的類(lèi)型分為條形光、環(huán)形光、白光、紅光等，針對(duì)檢測(cè)到的待涂膠工件表面的特征和材質(zhì)，選用不同形狀和不同顏色的光源，也就是選擇不同波長(zhǎng)的光源來(lái)達(dá)到理想的取圖效果。安放的位置也能夠影響對(duì)待涂膠工件上的檢測(cè)效果，選擇合適的位置可以減小反光率，提高檢測(cè)效果。在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中要求光源安裝位置要滿足具有一定的工作距離、光照均勻性好、亮度高等要求，因此選擇帶有角度照射方式，即需要在工位一側(cè)并帶有角度來(lái)安裝光源。根據(jù)對(duì)涂膠工件的材質(zhì)考慮，波長(zhǎng)較長(zhǎng)、對(duì)比度高的紅光對(duì)于涂膠工件進(jìn)行照射時(shí)需要觀察的特征更加明顯，環(huán)形光對(duì)平面工件表面檢測(cè)效果較好，最終達(dá)到理想的取圖效果。

在選擇合適的光源和合適的位置后，對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行安放。攝像機(jī)需要安放在帶有刻度尺的支架上，此處的刻度尺是指有刻度的、帶有兩個(gè)凹槽的直尺，能夠在刻度尺上讀出兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)間的距離。并且，安放兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)時(shí)，需要兩個(gè)工業(yè)攝像機(jī)的光軸平行、相平面在同一平面且相平面上成像的特征點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)值相同，如圖1所示。

隨后進(jìn)行攝像機(jī)的標(biāo)定：對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定是使左右兩個(gè)攝像機(jī)相對(duì)于工件的位置保持不變，并且攝像機(jī)之間的距離以及攝像機(jī)的焦距保持不變，接下來(lái)利用標(biāo)定板對(duì)攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，所使用的標(biāo)定板是標(biāo)準(zhǔn)的棋盤(pán)式標(biāo)定板，標(biāo)定板上的每一個(gè)方格尺寸都是相同的。按照攝像機(jī)標(biāo)定的要求，左右兩個(gè)攝像機(jī)分別對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行取圖，每個(gè)攝像機(jī)各取10張圖片，按照標(biāo)定方法進(jìn)行攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定。

上述標(biāo)定方法采用的是張正友的張氏標(biāo)定法，該方法是介于傳統(tǒng)標(biāo)定和自標(biāo)定之間的一種方法，它只需要攝像機(jī)對(duì)某個(gè)標(biāo)定板從不同方向拍攝多幅圖片，通過(guò)標(biāo)定板上每個(gè)特征點(diǎn)和其像平面的像點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即用每一幅圖像的單應(yīng)性矩陣來(lái)進(jìn)行攝像機(jī)的標(biāo)定，由于該方法模板制作容易，使用方便，成本低，魯棒性好，準(zhǔn)確率高，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用。該算法也屬于兩步法，攝像機(jī)和模板可以自由的移動(dòng)，不需要知道運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

采用張氏攝像機(jī)標(biāo)定的方法如下：

(1)單應(yīng)性矩陣H的計(jì)算

根據(jù)攝像機(jī)針孔成像模型，可以得到下面的等式：

(u,v,1)表示圖像平面的像素坐標(biāo)，(X_w,Y_w,Z_w,1)表示世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)點(diǎn),A表示攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)，s表示放縮因子標(biāo)量，R表示旋轉(zhuǎn)矩陣，t表示平移矩陣。

現(xiàn)將世界坐標(biāo)系平面置于標(biāo)定模板所在的平面，即Z_W＝0。則上式可變?yōu)槿缦滦问剑?/p>

其中，r_i表示旋轉(zhuǎn)矩陣R的第i列向量，i＝1,2,3。令則上式可簡(jiǎn)寫(xiě)為：

其中：

H為單應(yīng)性矩陣，為3×3的矩陣。由式子可以推出：

從而推得：

令：h'＝[h₁₁h₁₂h₁₃h₂₁h₂₂h₂₃h₃₁h₃₂]

則有：

上式可以看作Sh'＝0，那么矩陣S^TS最小特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量就是該方程的最小二乘解。再將解歸一化得到所需的h'，從而可以求得H。

(2)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)求解

由于步驟(1)中求得的H可能和真實(shí)的H相差一個(gè)比例因子，因此將式子寫(xiě)成如下形式：

[h₁ h₂ h₃]＝λA[r₁ r₂ t]

λ為放縮因子標(biāo)量，也是s的倒數(shù)。r₁與r₂為單位正交向量，有且所以得到攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)求解的兩個(gè)約束條件：

α、β是焦距歸一化成像平面上的成像點(diǎn)坐標(biāo)到圖像坐標(biāo)的放大系數(shù)，(u₀,v₀)為中心點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，γ為畸變系數(shù)。

令B是對(duì)稱(chēng)矩陣，可以寫(xiě)成六維向量的形式：

b＝[B₁₁ B₁₂ B₂₂ B₁₃ B₂₃ B₃₃]^T

設(shè)H的第i列向量表示為h_i＝[h_i1 h_i2 h_i3]，根據(jù)攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)求解的兩個(gè)約束條件方程推得：

h_i^TBh_i＝V_ij^Tb

其中：

V_ij＝[h_i1h_j1 h_i1h_j2+h_i2h_j1 h_i2h_j2 h₃₁h_j1+h_i1h_j3 h₃₁h_j1+h_i3h_j3 h_i3h_j3]

那么可以由一個(gè)平面投影變換，得到對(duì)內(nèi)參數(shù)的兩個(gè)約束，可以把它寫(xiě)成關(guān)于b的兩個(gè)方程：

如有n幅模板的圖像，每幅圖像都可以獲得上述的兩個(gè)方程，就可以得到：

Vb＝0

其中，V是一個(gè)2n×6的矩陣，如果n≥3，b就可以被解出(帶有一個(gè)比例因子)，從而可以得到5個(gè)內(nèi)參數(shù)：

再根據(jù)單應(yīng)性矩陣H和內(nèi)參矩陣A，利用如下公式，計(jì)算每幅圖像的外參數(shù)：

通過(guò)上述即可求出攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。

隨后，保持?jǐn)z像機(jī)的位置不變，對(duì)工件進(jìn)行拍照。在左右攝像機(jī)各獲取一幅關(guān)于工件的圖像，在工件的圖像中獲取特征點(diǎn)的二維坐標(biāo)，二維坐標(biāo)的表示方法如圖3所示。也就是以一個(gè)攝像機(jī)的左上角為相平面原點(diǎn)，得到工件上的特征點(diǎn)在相平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

圖2為單個(gè)攝像機(jī)拍攝特征點(diǎn)的原理圖，圖3是特征點(diǎn)在相平面上成像后坐標(biāo)選取的方式。如圖1所示，基線距B＝兩攝像機(jī)的投影中心連線的距離；攝像機(jī)焦距為f，兩個(gè)參數(shù)均由標(biāo)定所求出。

設(shè)兩個(gè)攝像機(jī)在同一時(shí)刻觀看空間物體的同一特征點(diǎn)P(x_c,y_c,z_c)，分別在左側(cè)攝像機(jī)和右側(cè)攝像機(jī)上獲取了點(diǎn)P的圖像，它們的圖像坐標(biāo)分別為p_left＝(X_left,Y_left)，p_right＝(X_right,Y_right)。

根據(jù)視差原理獲得特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，視差原理是由三角原理來(lái)完成對(duì)三維信息的獲取，已知兩個(gè)攝像機(jī)之間的位置關(guān)系，便可以獲取在視場(chǎng)內(nèi)物體的三維尺寸及空間特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

現(xiàn)有兩個(gè)攝像機(jī)的圖像在同一個(gè)平面上，則特征點(diǎn)P的圖像坐標(biāo)Y坐標(biāo)值相同，即Y_left＝Y(jié)_right＝Y(jié)，利用三角幾何關(guān)系可以得到：

視差為：Disparity＝X_left-X_right。由此可計(jì)算出特征點(diǎn)P在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為：

因此，左攝像機(jī)像面上的任意一點(diǎn)只要能在右攝像機(jī)像面上找到對(duì)應(yīng)的匹配點(diǎn)，就可以確定出該點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這種方法是利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)算，相平面內(nèi)所有點(diǎn)只要存在相應(yīng)的匹配點(diǎn)，就可以上述算法進(jìn)行計(jì)算，從而獲取其對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)。

將獲取的特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)利用坐標(biāo)變換的方式來(lái)進(jìn)行變換，利用旋轉(zhuǎn)矩陣與平移矩陣使相對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為涂膠機(jī)器人坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)：

其中：為特征點(diǎn)在機(jī)器人坐系下的三維坐標(biāo)

為特征點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)

最后將工件特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)傳送給涂膠工業(yè)機(jī)器人，涂膠工業(yè)機(jī)器人在獲取特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)后準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)到工件特征點(diǎn)的位置，然后根據(jù)特征點(diǎn)到膠線間的距離來(lái)控制涂膠工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行涂膠作業(yè)。該方法能夠完成自動(dòng)檢測(cè)工件特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，即使在工件的位置發(fā)生偏移時(shí)也能夠準(zhǔn)確的獲取工件特征點(diǎn)坐標(biāo)，使得涂膠工業(yè)機(jī)器人能夠自動(dòng)調(diào)整位置來(lái)進(jìn)行涂膠作業(yè)。大大縮短了整個(gè)工作過(guò)程，降低了人工成本，也解決了人工經(jīng)驗(yàn)不足對(duì)涂膠精度所帶來(lái)的影響。