基于视觉系统自动生成机器人轨迹的方法.pdf

精密制造与自动化2 0 1 7 年第3 期i 试验与研究3 0基于视觉系统自动生成机器人轨迹的方法杨恒亮王萌珏(上海发那科机器人有限公司上海2 0 1 2 0 6)摘要介绍了一种基于视觉系统自动生成机器人工作轨迹的方法，其中机器人工作轨迹可以根据工件边缘轮廓形状和位置自动调整。通过视觉系统对工件边缘轮廓进行拍照，获取这些轮廓上离散点的空间位置信息。对离散点进行平移、缩放处理和机器人工具匹配后，可以实现高效、容易、快速地实现对机器人工作轨迹的生成。关键词工业机器人视觉系统机器人轨迹工业机器人是一种多轴联动，具有灵活工作轨迹和姿态的工业设备，它具有较强的通用性和较高的可靠性，被广泛地应用于需要空间工作轨迹的场合。根据其工作轨迹的特点可以分为两类：第一类的工作位置仅仅是一个或多个彼此独立的位置，在这类应用中，机器人只需要准确地运动到“拾取”或“放置”位置即可。第二类的工作位置是由一连串连续位置组成的，例如切割，涂胶，弧焊等，在这类应用中，机器人需要通过一连串运动点完成某项工作，这些连续点组成机器人工作轨迹称为连续轨迹。目前的机器人编程，基本还是通过示教器由人工预先控制机器人到指定位置，机器人工作时只是“再现”预先示教过的位置。这对于第一类需要精确控制点不多的应用是可以应对的，但对于第二类由于工作点数量多，示教工作量大而影响应用。业内已有致力于自动编程离线轨迹的方法，推出了基于仿真环境的连续轨迹离线编程方法旧q 1，但这些方法存在以下缺陷：(1)要求工作轨迹保持一致，如图1 实线所示。如果实际工件轮廓和理论轮廓存在不一致，则无法应对；(2)现有方法要求连续轨迹和用户坐标系相对位置和仿真时两者相互位置关系完全一致，否则现有方法无法应对。本文提出了一种基于视觉系统自动生成机器人轨迹的方法，每次机器人工作轨迹自动根据轮廓外形进行调整。1 0图1 工件实际轮廓和理论轮廓不一致1系统组成1 1 硬件组成基于视觉生成机器人工作轨迹的系统组成如图2 所示，相机安装在机器人末端连接杆上，对处于静止状态的工件的边缘轮廓进行拍照。篙一器人工件边缘轮廓图2系统硬件组成1 2 软件功能模块系统软件工作流程如图3 所示，软件功能分为2 个模块，分别是位于图3 左侧的离散点生成模块和位于右侧的机器人轨迹生成模块。万方数据杨恒亮等基于视觉系统自动生成机器人轨迹的方法离散点生成模块机器人轨迹生成模块一一一一一一一一一lI 一一一一一一一一一相机的标定l 确定轮廓所l在平面f 计算经过轮Il 廓点的直线I0l 计算出轮廓I：I 上的离散点l图3系统工作流程离散点生成模块的输入为相机拍摄工件边缘轮廓的图片信息，输出为相对于机器人的空间离散点信息。机器人轨迹生成模块的输入是工件边缘空间离散点，输出为机器人实际工作轨迹。2 离散点生成模块2 1 相机的标定相机的标定是为了获得以下信息：(1)相机画面中某个特征，对应图4 中相机坐标系C 中的特征线l 的关系；(2)相机安装在机器人末端的位置，即图4所示的相机坐标系C 和机器人末端法兰坐标系F 相对位置关系。为与机器人空间坐标系计算统一，坐标系相对位置关系使用6 个自由度的 x，Yz，A，B，c 转换成4 4 矩阵来表示哺。，例如A B M 表示坐标系B 在坐标系A 的位置和姿态。使用标准相机标定函数库，通过相机拍摄带有固定间距图案阵列平板，经过计算可以得出相机的成像模型，从而得出需要的信息和相机坐标系C 和阵列平板坐标系F 相对位置关系C T M。图4相机标定的坐标系示意图器人世界标系为进一步得到信息，从机器人世界坐标系出发推导空间坐标系关系，可以得到如下公式：W r M=坼M F c M C r M(1)相机坐标系C 和机器人末端法兰坐标系F 相对位置关系为：民M=(坼M)_ 1 W r M(C r M)-1(2)式(2)中，M 代表相机标定时机器人位置的直角表述形式；w 伟M 代表阵列平板相对机器人的位置，可通过机器人用户坐标系设定获得；C 下M 可使用标准相机标定函数库获得。相机的标定只需要在机器人投入实际工作前进行一次即可。2 2 确定轮廓所在平面如果工件边缘轮廓所在平面位置是固定不变的，或者是仅仅在平面内移动的，如图5(a)和(b)情形，机器人将用户坐标系X Y 轴所在平面做到该平面即可；如果出现如图5(C)所示，在空间三维上位置不一致的情况，那么需要使用视觉检出平面所在位置。刍!圈j 篁豳：j口!二丑j!：匝_!(a)(b)(C)图5 工件轮廓所在平面位置不同情况示意图检出平面的方法包括可以使用双目视觉“。等，通过检出轮廓所在平面的3 个特征点空间三维位置，计算出坐标系，其z 轴垂直于该轮廓平面(对于原点位置和x，Y 轴方向并不关系)。例如在轮廓平面内检出3 个特征点P】，P 2，P 3，通过式(3)、式(4)、