基于結(jié)構(gòu)光視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人定位系統(tǒng)設(shè)計分析

周春

摘 要：研究提出了基于線結(jié)構(gòu)光視覺引導(dǎo)下的工業(yè)機(jī)器人定位系統(tǒng)，其視覺傳感器選擇的是線結(jié)構(gòu)光自掃描測量裝置，在振鏡轉(zhuǎn)動作用下完成激光平面對目標(biāo)對象的掃描，進(jìn)而得到目標(biāo)對象處于相機(jī)坐標(biāo)系下的三維位姿。然后采用機(jī)器人手眼關(guān)系聯(lián)合工具坐標(biāo)系標(biāo)定法，對隨機(jī)位姿目標(biāo)對象進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人三維定位，結(jié)果證實該系統(tǒng)定位精度高、靈活性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場需求。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)光視覺；工業(yè)機(jī)器人；定位系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.053

1 系統(tǒng)標(biāo)定

1.1 線結(jié)構(gòu)光自動掃描裝置參數(shù)設(shè)定

線結(jié)構(gòu)光裝置參數(shù)如圖1所示。先要對相機(jī)內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，然后拍攝二維棋盤靶標(biāo)圖像，其主要反映的是在工作范圍內(nèi)不同的位姿，結(jié)合張正友攝像機(jī)標(biāo)定算法合理設(shè)置相機(jī)內(nèi)參數(shù)，用f表示相機(jī)焦距，主點坐標(biāo)為（u0，v0），k1、K2、p1、p2均表示畸變系數(shù)。

振鏡轉(zhuǎn)軸主要指的是各個電壓下出射光平面的交線，其垂直于各光平面法向量，將振鏡轉(zhuǎn)軸方向向量與光平面法向量相乘，可以得到優(yōu)化目標(biāo)，Xw軸方向上的向量在振鏡坐標(biāo)系，也能得到[2]?？刂齐妷罕硎緸閁0，振鏡坐標(biāo)系yw軸方向的向量也可以當(dāng)做是Zw軸方向向量，可以采用Xw×Yw表示。根據(jù)上述可以得到振鏡坐標(biāo)系下出射光平面的方程：cos·yw+sin·Zw。通過目標(biāo)點的坐標(biāo)處于振鏡坐標(biāo)系下（xw，yw，zw）的相關(guān)數(shù)值能夠計算出。齊次變換矩陣主要利用相機(jī)坐標(biāo)系與振鏡坐標(biāo)系相結(jié)合的方式計算，進(jìn)而得到其坐標(biāo)在目標(biāo)點下為（xe，ye，ze）。

1.2 機(jī)器人手眼關(guān)系標(biāo)定

傳統(tǒng)對視覺系統(tǒng)手眼關(guān)系標(biāo)定主要是在機(jī)器人法蘭末端固定上棋盤靶標(biāo)，棋盤靶標(biāo)會隨著機(jī)器人運(yùn)動而不斷運(yùn)動，棋盤靶標(biāo)不論處于哪種位姿，都能夠被納入到相機(jī)拍攝范圍，進(jìn)而正確判斷、處理機(jī)器人與相機(jī)所處的位姿關(guān)系。本次研究則采用的是手眼關(guān)系與工具坐標(biāo)系聯(lián)合標(biāo)定的方式，在工具一側(cè)固定傷期盼靶標(biāo)，其會隨著工具運(yùn)動而運(yùn)動，此時相機(jī)不僅能夠?qū)Σ煌蛔似灞P靶標(biāo)進(jìn)行拍攝，而且能夠?qū)C(jī)器人處于該位置的位姿進(jìn)行記錄。

假設(shè)機(jī)器人基坐標(biāo)系為Cw，攝像機(jī)坐標(biāo)系為Cc，Co6j、Ctool分別為平面靶標(biāo)坐標(biāo)系、機(jī)器人工具坐標(biāo)系，可以將空間任意兩個坐標(biāo)系的齊次變換矩陣表示為：

正交矩陣3×3單位用R表示，兩個坐標(biāo)系之間是否存在旋轉(zhuǎn)關(guān)系均由其進(jìn)行反映；3×1平移矩陣采用T進(jìn)行表示，兩個坐標(biāo)系之間是否存在位置偏移關(guān)系主要通過平移矩陣進(jìn)行反映。通常，T值往往較R值大，若對齊次變換矩陣進(jìn)行直接求解不符合工程的需求，可以將其分解為旋轉(zhuǎn)與平移兩個方面，對其次變化矩陣R值及T值給予兩步法計算。

1.3 機(jī)器人工具坐標(biāo)系標(biāo)定

當(dāng)標(biāo)定機(jī)器人手眼關(guān)系后，還需要對工具坐標(biāo)系進(jìn)行進(jìn)一步標(biāo)定，完成工具坐標(biāo)系與機(jī)器人法蘭坐標(biāo)系的齊次變換矩陣。根據(jù)靶標(biāo)的加工尺寸，然后依據(jù)機(jī)械抓手，在忽略靶標(biāo)固定誤差的情況下，可以用如下公式對靶標(biāo)與工具齊次變換矩陣的關(guān)系進(jìn)行表示：

其能夠降低誤差，不僅有效簡化了標(biāo)定步驟，而且大大提升了工作效率，能夠滿足工程實際應(yīng)用需求。

2 實驗驗證

研究首先對系統(tǒng)定位精度進(jìn)行檢測，傳統(tǒng)采用抓取實驗僅能夠滿足系統(tǒng)可行性的定性研究，為進(jìn)一步明確系統(tǒng)定位精度，可以選取三棱柱頂點作為目標(biāo)點，對法蘭在機(jī)器人基坐標(biāo)系下位姿標(biāo)定值、理論值偏差進(jìn)行比較，進(jìn)而明確系統(tǒng)定位精度。在系統(tǒng)工作范圍之內(nèi)放置三棱柱，在線結(jié)構(gòu)光視覺引導(dǎo)下明確機(jī)器人基坐標(biāo)系下位姿的標(biāo)定值，得到齊次變換關(guān)系。然后進(jìn)行多位置定位實驗。對工作范圍內(nèi)目標(biāo)點不同位置定位誤差進(jìn)行精度評價，擺放6個三棱柱，由機(jī)器人帶動末端執(zhí)行工具，將其移動到三棱柱頂點為主，然后對其偏移值以及標(biāo)定值進(jìn)行計算。結(jié)果顯示，目標(biāo)對象在相機(jī)視野中心時具有較高的精度，其定位誤差在3mm之類。目標(biāo)對象在視野邊緣位置時，其定位精度較低，但誤差不高于5mm。

3 結(jié)論

研究在獲取目標(biāo)對象三維對象時主要采用了線結(jié)構(gòu)光三維視覺，雙目立體視覺目標(biāo)點匹配的缺陷問題能夠得以有效改進(jìn)，促進(jìn)復(fù)雜環(huán)境的改善，在目標(biāo)對象缺乏紋理的條件下也可正常工作，在機(jī)器人一側(cè)安裝線結(jié)構(gòu)光自掃描裝置，有效解決了手眼系統(tǒng)存在的目標(biāo)物體丟失問題。通過機(jī)器人定位實驗，可以發(fā)現(xiàn)該研究設(shè)計的參數(shù)標(biāo)定方案，能夠有效降低較遠(yuǎn)距離目標(biāo)對象三維定位誤差，滿足工程需要，提升工作效率。

參考文獻(xiàn)：

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