一種無須示教機器人系統的空間定位方法
2023-07-07 12:55:21
一種無須示教機器人系統的空間定位方法
【專利摘要】本發明提出一種無須示教機器人系統的空間定位方法，首先使用高速精確的三維掃描儀獲取被測物的大批點雲數據並生成被測物的三維模型，然後進行噪點去除、面片特徵預處理、特徵點提取操作，最終獲得工作目標點在攝像機坐標系下的坐標；然後，使用坐標變換算法將工作目標點在攝像機坐標系下的坐標轉換為機器人世界坐標系下的坐標，以便機器人工作定位使用；最後根據得到的工作目標點在世界坐標系下的坐標，以及用戶輸入的控制參數控制機器人工作。本發明使整個操作更加自動化、集成化和高效化，在多示教點的短時多變場合應用非常有優勢。
【專利說明】一種無須示教機器人系統的空間定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及機器人空間定位方法研究領域，尤其是涉及一種無須示教機器人系統 的空間定位方法。
【背景技術】
[0002] 針對現代工業快速多變以及日益增長的複雜性要求，繼柔性製造、計算機集成制 造、精良生產及並行工程，在面向未來工業應用的生產單元中，機器人不僅被要求"不知疲 倦"地進行簡單重複工作，而且能作為一個高度柔性、開放並具有友好的人機互動功能的 可編程、可重構製造單元融合到製造業系統中。這一能力的實現要求現階段機器人技術整 體的進步，示教技術就是其中重要的一項。機器人因為能被編程完成不同的任務而被視為 柔性的自動化設備。工業機器人工作時必須準確知道工作目標點的空間位置，現有的機器 人示教系統可分為三類：示教再現方式，也稱為直接示教，就是指我們通常所說的手把手示 教，由人直接搬動機器人的手臂對機器人進行示教，如示教盒示教或操作杆示教等；離線編 程方式，基於CAD/CAM的機器人離線編程示教，是利用計算機圖形學的成果，建立起機器人 及其工作環境的模型，使用某種機器人程式語言，通過對圖形的操作和控制，規劃出機器人 的作業軌跡，然後對編程的結果進行三維圖形仿真，以檢驗編程的正確性，最後生成機器人 可執行代碼下載到機器人控制器中，用以控制機器人作業；基於虛擬實境方式，虛擬實境方 式作為高端的人機接口，允許用戶通過聲、像、力以及圖形等多種交互設備實時地與虛擬環 境交互。根據用戶的指揮或動作提升，示教或監控機器人進行複雜的作業。
[0003] 傳統工業機器人示教方式以其能為工業機器人工作時空間定位提供準確的數據 而廣泛應用，但也帶來了操作耗時不便的問題，特別是在多示教點時有時候可能多達數天， 這給工業機器人在短時多變的工作場合帶來了很多阻礙。當前主要採用傳統手動示教方式 準確獲取這些目標點的空間位置，同時因為每次到達一個工作目標點需要多次手動有計劃 地調整，當存在多個工作目標點時，需要花費較長時間，因此在短時多變的場合，傳統示教 所帶來的時間消耗在整個應用系統中所佔比重較大，極大抑制工作效率的提高。
【發明內容】
[0004] 相比於現有技術中，傳統示教所帶來巨大的時間消耗，極大抑制工作效率的提高， 在本發明中採用光學三維測量技術來獲取數據，光學三維測量技術是使用攝像機和投影儀 等光學設備非接觸地獲取被測物體表面形貌特徵的技術。從本質上來講，光學三維測量是 一個逆向的求解方法，系統接受輸入圖像並從二維圖像中還原被測物體的三維形貌信息。
[0005] 本發明的技術方案為：
[0006] 所述一種無須示教機器人系統的空間定位方法，其特徵在於：採用以下步驟：
[0007] 步驟1 :對被測物體進行掃描測量，獲得被測物體點雲數據，並對被測物體點雲數 據進行圖像處理得到對應的CAD模型，在得到的CAD模型上獲取被測物體上的孔特徵集；
[0008] 步驟2 :對步驟1獲得的被測物體點雲數據進行周邊噪點去除，得到被測物體特徵 的全部點數據，再對步驟1獲取的被測物體上的孔特徵集之外的孔特徵進行填補，最後將 點雲封裝，得到被測物體特徵面片；
[0009] 步驟3 :對被測特徵進行預處理：對步驟2得到的特徵面片進行NURBS曲面擬合， 並且增大擬合孔邊界特徵的三角面片的個數；在孔邊界特徵上選取點擬合孔特徵，並建立 該孔特徵的軸線向量，得到機器人運動所需要的位置信息；
[0010] 將預處理後的特徵模型導入CAD造型軟體中，並採用CAD造型軟體中的特徵獲取 功能得到工作目標點在攝像機坐標系下的坐標；
[0011] 步驟4 :將工作目標點在三維掃描儀中攝像機坐標系下的坐標轉換為在機器人世 界坐標系下的坐標；
[0012] 步驟4. 1 :工作目標點在攝像機坐標系下的坐標到工件坐標系中的坐標轉換：
[0013] ⑴建立工件坐標系（〇wp，xwp，YWP，Zwp):
[0014] 在標準坐標臺上設定PQ、Px和Pxy三個標定點，指定Pq為原點，Px為工件坐標系X 軸正向上一點，Pxy為XOY平面第一象限內一點，建立固定於標準坐標臺的工件坐標系：
[0015] 三標定點在攝像機坐標系下（oc，xc，Yc，Zc)的向量坐標為：
【權利要求】
1. 一種無須示教機器人系統的空間定位方法，其特徵在於：採用以下步驟： 步驟1 :對被測物體進行掃描測量，獲得被測物體點雲數據，並對被測物體點雲數據進 行圖像處理得到對應的CAD模型，在得到的CAD模型上獲取被測物體上的孔特徵集； 步驟2 :對步驟1獲得的被測物體點雲數據進行周邊噪點去除，得到被測物體特徵的全 部點數據，再對步驟1獲取的被測物體上的孔特徵集之外的孔特徵進行填補，最後將點雲 封裝，得到被測物體特徵面片； 步驟3 :對被測特徵進行預處理：對步驟2得到的特徵面片進行NURBS曲面擬合，並且 增大擬合孔邊界特徵的三角面片的個數；在孔邊界特徵上選取點擬合孔特徵，並建立該孔 特徵的軸線向量，得到機器人運動所需要的位置信息； 將預處理後的特徵模型導入CAD造型軟體中，並採用CAD造型軟體中的特徵獲取功能 得到工作目標點在攝像機坐標系下的坐標； 步驟4 :將工作目標點在三維掃描儀中攝像機坐標系下的坐標轉換為在機器人世界坐 標系下的坐標； 步驟4. 1 :工作目標點在攝像機坐標系下的坐標到工件坐標系中的坐標轉換： (1) 建立工件坐標系（〇WP，XWP，Ywp,Zwp): 在標準坐標臺上設定PpPx和Pxy三個標定點，指定Ptj為原點，Px為工件坐標系X軸正 向上一點，Pxy為XOY平面第一象限內一點，建立固定於標準坐標臺的工件坐標系： 三標定點在攝像機坐標系下（0。，X。，Y。，Z。）的向量坐標為：
(2) 建立攝像機坐標系（0c，Xc，Yc，Zc)到工件坐標系（(ν，χ"，γ"，ζ"ρ)的齊次變換矩陣 Crp1WP:
旋轉矩陣滅為3*3矩陣，平移矩陣P為3*1矩陣：
的三個分量為正交單位向量： η為工件坐標系X軸的單位向量，由在攝像機坐標系下的單位向量表示：
G為工件坐標系ζ軸的單位向量，由在攝像機坐標系下的單位向量表示：
G為工件坐標系Y軸的單位向量，由在攝像機坐標系下的單位向量表示：
(3)工作目標點i在攝像機坐標系下的坐標/丨(.到工件坐標系下的坐標]^；:
步驟4. 2 :工作目標點在標準坐標臺上的坐標到機器人世界坐標系下的坐標變換： 首先求取世界坐標繫到工件坐標系的齊次變換矩陣wTwp,根據公式
得到工作目標點i在世界坐標系下的坐標; 步驟5 :根據步驟4得到的工作目標點在世界坐標系下的坐標，以及用戶輸入的控制參 數控制機器人工作。
【文檔編號】G01B11/00GK104457566SQ201410626295
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】莫蓉, 趙碧霞, 李佳佳, 胡棟 申請人:西北工業大學