基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统

基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统

林炳强

广东利迅达机器人系统股份有限公司 广东 佛山 528313

摘要：伴随着经济的飞速发展，工业产品的需求量不断攀升，传统制造业面临着巨大挑战。工业机器人具有工作效率高、稳定性好、重复定位精度高、能适应各种高危工作环境等特点，其是高度集成的机电一体化产物。将其应用于工业生产和制造业中可大大提高生产效率，实现以机换人的效果。

关键词：结构、工业机器人

1 前言

工业机器人为机电一体化高度集成的产物，自发明以来其发展迅速，现已被广泛应用到工业生产的各个场景中。工业机器人可代替人工进行24小时工作，并且其生产效率和精度较高，可在各种高危环境中工作，因此工业机器人必将改变传统需要大量人力的生产方式，以其优越的性能实现智能制造。对机器人多数应用场景而言，需要预知目标对象的位姿才能完成相应的作业任务。目前在机器人的工业应用中，大多通过手动示教或离线编程的方式来规划机器人的工作路径，然而这种方法严格限定了目标对象的起始位姿和终比位姿，只能机械地重复提前规划好的路径，且不同的工作对象需要分别示教以得到相应的示教文件，高度结构化的工作环境严重制约了机器人的工作效率、灵活性和智能性，无法满足柔性生产系统的要求。

2 基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统原理

基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统对比传统的定位方式具有误差小、独立高和标定简单等特点，在实际的应用中具有可行性和可靠性，其系统由两部分组成，一是线结构光自扫描装置，二是机器人本身，前者安装在后者的一侧，这便是该系统的外部结构，其中，工业相机、激光器和振镜组成了线结构光自扫描装置。基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统原理如下：工业机器人通过线结构光对目标对象进行扫描并识别，得到其在相机坐标系下的位姿，将定位得到的结果与机器人手眼关系相结合从而获得到机器人工具坐标系下的位姿，这就完成了对于目标对象的定位，此时工业机器人可以根据定位得到的结果进行相应的动作，从而完成目标工作。机器人定位系统由线结光自扫描装置和机器人两部分构成。线结构光扫描装置安装在机器人的一侧，确保机器人的工作空间位于相机视场范围内，通过线结构光扫描，识别出目标对象叫，获取目标对象在相机坐标系下的位姿。然后采用本文提出的机器人手眼关系与工具坐标系联合标定的方法，进一步获取目标对象在机器人工具坐标系下的位姿，根据定位结果，机器人机械臂带动末端执行工具移动至目标位姿，并进行相应的操作。

3 基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统标定

对基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统进行相关的标定工作可以帮助系统在实际工作中具有更高的定位精度，保证系统的顺利运行。标定工作主要分为三个方面，包括线结构光自扫描装置参数标定、机器人手眼关系标定和机器人工作坐标系标定，对于这三方面进行标定可以对系统的实现提供帮助。

第一，线结构光自扫描装置参数标定。在相机的工作范围内，对具有不同位姿的棋盘靶标进行拍摄，结合已标定的相机内的参数，使用张正有摄像机标定算法来进行相机内参数的标定。将已知参数带入到线结构光坐标系与标定相机坐标系的齐次变换矩阵之中，建立相机坐标系与振镜坐标系的转换关系，结合相关的公式得出相机坐标系下的目标对象的坐标，从而完成标定工作。

第二，机器人手眼关系标定。该标定方法与传统的标定方法不同，它是将棋盘靶标在工具的一侧进行固定，使得棋盘靶标与工具共同运动，在相机对各个位姿下的棋盘靶标进行拍摄记录时，也能记录机器人移动到不同位置的位姿，对记录的数据进行分析求解，从而完成对机器人手眼关系的标定。

第三，机器人工具坐标系标定。该标定工作是根据靶标和机械抓手的加工尺寸，结合机器人手眼关系标定得出的结果，利用靶标到工具的齐次变换矩阵进行分析求解，使用得出的误差数值与标准值进行比较，确保偏差在允许的范围之内，方可保证系统的顺利运行。

4 基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统实验

4.1使用比较的方式进行系统定位精度实验

基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统在建立之后需要通过实验进行验证，检查该系统是否具有可行性和应用性，对系统定位精度进行检测就是其中一项。我们可以通过比较法的方式来对系统定位的精度进行判定，在系统的工作范围内摆放三棱柱，并将三棱柱的顶点与移动工具坐标系的原点重合，作为进行实验的目标点，此时我们可以利用机器人运动学正解得出位姿，即机器人坐标系下法兰的位姿，也是我们本次系统定位精度实验定位的理论值。

4.2使用多位置定位的方式进行系统定位精度实验

多位置定位实验是在机器人的工作范围内根据检测目标对象基于不同位置的定位误差来进行系统定位精度判断的，在实际应用中具有一定的可行性。在实验过程中，首先需要将6个三棱柱按照顺序和位置摆放好，末端执行工具移动到每个三棱柱的顶点上，对在机器人基坐标系位置上的法兰的偏移量理论值与偏移量标定值进行检测和计算。例如，A公司在使用多位置定位法进行系统定位精度实验时，对得出的数据进行分析，包括机器人基坐标系下目标点的坐标和三棱柱顶点与机器人工具坐标系原点重合时法兰坐标系相对于机器人基坐标系的姿态。该数据测量结果显示，目标点在相机事视野中心位置时的系统定位误差小于3毫米，边缘位置时的系统定位误差小于5mm，虽然边缘位置相比较中心位置的系统定位精度较低，但是仍然在可以接受的范围内，不会对工业机器人的工作造成过大的影响。

4.3使用多角度定位的方式进行系统定位精度实验

多角度定位的方式与多位置定位的方式有所不同，这是为了检测工业机器人定位系统在各不相同的抓取姿态下的定位精度，该实验的设计具有明确的目的性，在关于这方面的检测中发挥其作用。多角度定位法是让机器人带动末端执行工具移动到三棱柱的顶点，其过程需要采用不同的姿态，在这样的情况下对机器人基坐标系位置上的法兰的偏移量理论值与偏量标定值进行检测和计算，从而得出不同姿态下的理论数值和实际数值，通过比较其误差来断工业机器人定位系统的定位精度是否稳定。通过对系统定位精度的实验，证明了基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统具有足够高的精度，其定位误差能够保证在5毫米以下，这对比传统的工业机器人定位系统要先进许多，即比双目立体视觉的定位方式的误差更小，如若投入使用，对于提高工业机器人定位系统的精度有很大帮助。双目立体视觉是目前引导工业机器人的三维定位的主要解决方案，定位误差在8mm以内。多位置定位和多角度定位实验结果表明，线结构光视觉引导的工业机器人定位误差小于5mm，且能够准确定位各个姿态的目标物体。因而线结构光视觉引导工业机器人定位不仅避免了双目视觉的立体匹配问题，而且提高了系统定位精度。

5 结束语

综上所述，使用基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统使得工业机器人的技术得以提高，其技术的先进性使得工业机器人能够更精确的完成目标工作，扩大其工作范围。该系统的使用让工业机器人的工作完成度能够达到预定的标准，从而提高我国自动化水平和工业生产效率，为我国的工业建设添砖加瓦，从而推动社会工业化的发展。

参考文献：

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[2]梁文莉.中国工业机器人市场统计数据分析[J].机器人技术与应用.2019(02)

[3]林义忠,刘庆国,徐俊,廖继芳.工业机器人离线编程系统研究现状与发展趋势[J].机电一体化.2015(07)