一種基于視覺識別的工業(yè)機器人示教裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及機器視覺技術領域，尤其涉及基于視覺識別的工業(yè)機械人示教裝置及 方法。
【背景技術】
[0002] 工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí) 行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。工業(yè)機器人可以接受人類 指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術制定 的原則綱領行動。
[0003] 機器人技術是一項綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能等 多學科的高新技術，是當代研究十分活躍且應用日益廣泛的領域，并逐漸成為一個國家工 業(yè)自動化水平的重要標志。機器視覺是工業(yè)機器人領域的關鍵技術之一，是提高機器人智 能水平的關鍵。
[0004] 工業(yè)機器人作為一種對生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境適應性和靈活性很強的自動化設備， 其在機械制造、零件加工和裝配以及運輸?shù)阮I域有著廣泛應用。工業(yè)機器人對穩(wěn)定提高產(chǎn) 品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率和改善勞動條件起著十分重要的作用。機器視覺作為工業(yè)機器人獲 得環(huán)境信息的主要手段之一，它可以增加機器人的自主能力，提高機器人的靈活性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明實施例的目的在于提供基于視覺識別的工業(yè)機器人示教裝置及方法，為工 業(yè)機器人提供對工件的自動定位及運動路徑規(guī)劃示教等。
[0006] 本發(fā)明提供一種基于視覺識別的工業(yè)機器人示教裝置，其特征在于：其包括：工 業(yè)機械人的機械手，其端部設有對待測工件工作的機械手末端；大視場相機，拍照視場覆 蓋機械手的整個有效工作范圍；小視場相機，固定在機械手的末端，隨機械手的手臂一起移 動；以及機械手示教器，接收大視場相機和小視場相機拍攝的圖像并預處理相機拍照傳來 的圖像，機械手示教器內(nèi)設有圖像分析軟件。
[0007] 本發(fā)明還提供一種基于視覺識別的工業(yè)機器人示教方法，包括如下步驟：
[0008] 第一步：對機械手坐標系及大、小視場相機坐標系進行標定，將所有坐標系統(tǒng)一到 同一個坐標系；
[0009] 第二步：大視場相機對機械手工作場景進行拍照，同時大視場相機拍攝的圖像對 機械手的點位運動路徑進行粗定位，機械手示教器的圖像分析軟件識別出被測工件的輪廓 尺寸等信息，通過圖像分析軟件設定機械手移動的點位路徑；
[0010] 第三步：機械手運動到粗定位點后，由小視場相機對粗定位點位置進行拍照，尋找 被測工件的特征信息，移動機械手至小視場相機的圖像中心點與被測工件的特征區(qū)域中心 點重合，該點即為機械手在該處精確的點位信息。
[0011] 其中，所述第二步還包括：圖像分析軟件還需判斷機械手的點位移動過程中是否 有障礙物，如有障礙物，需進行壁障，即根據(jù)障礙物的位置與形狀，對機械手的點位運動路 徑進行規(guī)劃。
[0012] 其中，所述第一步的具體方法為：選擇一標定板置于機械手的工作區(qū)域，標定板作 為待測工件，大視場相機能對整塊標定板成像，以標定板的中心點為坐標原點，建立一個直 角坐標系，此坐標系即為機械手點位運動的坐標系，機械手坐標系和大小視場相機坐標都 要以此坐標系為基準。
[0013] 其中，所述第二步的具體方法為：根據(jù)機械手在標定板上的點位運動坐標系，建立 從大視場相機坐標系轉換到機械手點位運動坐標系的旋轉矩陣；然后統(tǒng)一機械手坐標系與 機械手的點位運動坐標系。
[0014] 其中，所述機械手的點位運動路徑的規(guī)劃過程為：大視場相機對標定板成像，由圖 像處理軟件對大視場相機拍攝的圖像進行處理，求出標定板的輪廓特征，再在示教器上選 擇機械手的點位信息，并通過坐標旋轉矩陣將圖像坐標轉換為機械點位運動坐標系坐標。
[0015] 其中，標記板采用棋盤格、或者有規(guī)則格子的板都可以作為標定板。
[0016] 其中，大視場相機的圖像坐標轉換為機械手點位運動坐標包括如下過程：
[0017] B1 :大視場相機坐標到機械手點位運動坐標的坐標轉換矩陣，通過此轉換矩陣將 大視場相機的圖像坐標轉換為機械手點位運動坐標；
[0018] B2 :統(tǒng)一機械手1的坐標系與機械手1的點位運動坐標系，保證兩坐標系平行。
[0019] 其中，所述步驟B1的具體方法為：首先，由圖像處理軟件對大視場相機拍攝的標 記板圖像進行處理，求標記板所有格點在圖像中的像素坐標；然后，建立一個大視場相機坐 標到機械手點位運動坐標的坐標轉換矩陣，通過此轉換矩陣，可將大視場相機的圖像坐標 轉換為機械手點位運動坐標。
[0020] 其中，大視場相機的圖像坐標轉換為機械手點位運動坐標的過程為：設定X坐標 為標定板平行于水平面的坐標，y坐標為垂直于X坐標，xy坐標系為機械手點位運動坐標 系，X坐標與y坐標的交叉點為0點，即：標定板的中心點，此點將作為機械手的點位運動 坐標系的原點；在坐標系中選擇三點：pl、P2、p3為人工在示教器上選定的三個點，假設 點pi、p2、p3在圖像上的像素坐標已知，假設為（plr, pic)，（p2r, p2c)，（p3r, p3c)，根據(jù) 建立的機械手點位運動坐標系：設定點pl、p2、p3在機械手點位運動坐標系中的坐標分別 為（-2,3)、（3,1)、（2,-2)，建立一個像素點坐標換算至機械手點為運動坐標的換算矩陣=
[0022] 計算出換算矩陣的各個值后，就可根據(jù)旋轉矩陣將圖像上的各個點轉換為機械手 點位運動坐標系中的坐標。
[0023] 其中，所述選擇的三點pl、p2、p3為棋盤格中某個小方格的頂點。
[0024] 其中，所述步驟B2的具體方法為：用大視場相機對標記的兩標記點成像，求出該 兩標記點在圖像上的坐標并換算至機械手的點位運動坐標系，計算這兩點在機械手點位運 動坐標中的距離以及與水平方向的夾角。
[0025] 其中，所述步驟B2所述的方法，多次調(diào)整或旋轉機械手至兩點在機械手點位運動 坐標系中的距離和方向與機械手坐標系的一致。
[0026] 其中，假定機械手坐標系控制機械手沿其X軸正方向從位置S1處移動到位置S2 處，并在各位置處標記之，大視場相機對標記點拍照，求出標記點中心點的圖像坐標，假設 SI = (Sir, Sic), S2 = (S2r, S2c)，機械手1的點位運動坐標系的坐標為S1*H換算矩陣，S2* 換算矩陣，機械手的點位運動坐標系中線段Sl、S2與X軸正方向夾角即為機械手坐標系與 機械手點位運動坐標系統(tǒng)一需要調(diào)整的角度。
[0027] 其中，所述第三步包括如下步驟：
[0028] C1 :運動機械手末端至其工作位置，小視場相機對標定板成像，計算小視場標定板 圖像中一個格子的實際長度S與其像素長度的比例即可以得到小視場相機的標定系數(shù)C:
[0030] C2 :大視場相機對機械手工作范圍內(nèi)的待測工件成像，待測工件或待測工件及其 障礙物的外形輪廓，粗略選定機械手運動的各個點位的像素坐標，并通過第一步所述方法， 將各個點位的像素坐標轉換為機械手點位運動坐標。
[0031] C3 :驅(qū)動機械手按該路徑運動，機械手運動至各粗略定位點之后，由小視場相機對 當前環(huán)境進行成像，計算小視場相機中心點與機械手的末端工作點的像素距離，根據(jù)C1步 驟所得標定結果將像素距離換算成長度距離，并驅(qū)動機械手移動小視場相機中心與機械手 的末端工作點重合，小視場相機中心點與機械手的末端工作點的重合點加上小視場相機中 心點與機械手末端的固定偏移量即為機械手在該處的精確點位信息。
[0032] 本發(fā)明中所采取的技術方案是雙相機對機器人的運動路徑進行規(guī)劃：由大視場相 機進行運動路徑的粗略定位和總體規(guī)劃，由小視場相機對每個粗略定位點進行精確定位。 通過本發(fā)明可對黏連在工件上的障礙物進行規(guī)避，大大提高了機器人的智能水平，本發(fā)明 能很好的適用于生產(chǎn)線零件的加工、工件的抓取等。
【附圖說明】
[0033] 圖1所示為本發(fā)明基于視覺識別的工業(yè)機器人示教裝置的結構示意圖；
[0034] 圖2所示為大視場相機坐標系標定示意圖；
[0035] 圖3所示機械手坐標系與機械手點位運動坐標系的統(tǒng)一示意圖；
[0036] 圖4所示為圖3機械手坐標系與機械手點位運動坐標系在坐標系中的示意圖。
【具體實施方式】
[0037] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案更清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進 行進一步的詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技 術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演和 替換，都應該視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0038] 機器人技術是一項綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能等 多學科的高新技術，是當代研究十分活躍且應用日益