一种工业机器人三维实时高精度定位装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种工业机器人三维实时高精度定位装置及方法。该装置包括工业机器人系统、工业计算机和相机单元，工业计算机通过第一千兆以太网与工业机器人控制器相连接后接入工业机器人系统，工业计算机通过第二千兆以太网与相机单元相连，其中相机单元为主动相机单元或者多相机单元。该方法如下：根据特征点与实际目标点的位置，设置相机单元的位置状态；建立机器人空间中三维坐标到相机空间中二维坐标的映射关系；获取目标点在三维机器人空间中的位置，工业机器人控制器发送命令控制机器人向目标点运动，将机器人定位到目标点上；通过判断最终定位到实际目标点上。本发明专利技术不需要进行标定，且具有定位精度高、视野范围广、实时性好的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种工业机器人三维实时高精度定位装置的定位方法
本专利技术涉及工业机器人视觉伺服
，特别是一种工业机器人三维实时高精度定位装置及方法。
技术介绍
随着工业机器人的应用范围的扩大和多种复杂场合的需要，工业机器人视觉伺服显得越来越重要。在目前的工业机器人实际运用中，由于定位精度、实时性、需要标定等问题，只有极少场合运用了机器人视觉伺服定位，随着工业机器人行业的发展，工业机器人拥有视觉伺服能力将是必然趋势。实时性与定位精度是验证一个机器人视觉定位系统有效性与可实用性的最重要的两个指标，也是能否被投入到实际工业生产中的关键性因素。基于视觉的机器人控制分为两类：基于位置的视觉伺服和基于图像的视觉伺服。基于位置的视觉伺服机器人定位过程中需要对机器人进行标定，标定中存在的任何误差都会导致机器人在三维空间中的定位产生一定的误差(P.I.CorkeandS.Hutchinson2001)。在基于图像的视觉伺服中，视觉系统中微小的误差将会对机器人定位产生很大的影响，故需要对摄像机以及机器人进行标定，而对摄像机和机器人的标定是一个极其复杂的问题。图像处理与控制机器人运动之间同步实时性是一个必须面临的难题，因此，由于图像处理的延时，高精度与高实时性的基于图像的视觉伺服定位是一个难以完成的任务。ItsushiKinbara提出了一种新的视觉伺服机器人控制系统，此系统采用对图像特征进行估计的方法，但是这种方法始终摆脱不了需要对相机进行标定的弊端(ItsushiKinbara,satoshiKomadda,andJunjiHirai2006)。绝大部分的视觉伺服定位方法都是对相机的参数进行标定，但是S.B.Skaar首先提出了一种方法名为camera-spacemanipulation(CSM)，这种方法是建立机器人工装机构上的特征点在相机空间的坐标与相对应的机器人关节空间的关系(S.B.Skaar,W.H.Brockman,andR.Hanson1987)，基于这种方法的机器人定位不需要对相机进行标定，也不需要对工业机器人进行标定。JuanManuelRendon-Mancha提出了一种改进的CSM方法，采用了运用线性的模型代替经典CSM方法中的非线性参数模型(JuanManuelRendon-Mancha,AntonioCardenas,MarcoA.Garcia2010)。CSM方法被运用到很多场合，例如太空探索，以及移动机器人等多个领域，但是并没有被深入的运用到实际工业生产当中去。综上所述，目前工业生产中的机器人三维定位方法具有以下缺点：定位过程中需要对系统进行标定，标定误差大、操作复杂、定位精度低，影响了工业机器人的工作效率，阻碍了工业机器人的发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高精度的工业机器人三维实时定位装置及方法，具有操作简单、工作效率高、实时性好的优点。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种工业机器人三维实时高精度定位装置，包括：工业机器人系统、工业计算机和相机单元，其中工业计算机包括变权重相机空间定位单元、图像处理单元和机器人运动控制单元，机器人运动控制单元包括机器人正运动学单元和机器人逆运动学单元两部分，其中图像处理单元通过变权重相机空间定位单元与机器人运动控制单元相连；工业计算机通过第一千兆以太网与工业机器人控制器相连接，工业机器人控制器的控制端接入工业机器人系统，工业计算机通过第二千兆以太网与相机单元相连；所述工业机器人系统包括六自由度工业机器人、激光发射装置和工装机构，其中工装机构的初始端刚性固定在六自由度工业机器人的末端，且与六自由度工业机器人的前臂共轴；工装机构的末端设置有特征点和工具，特征点位于工装机构顶端与其轴线成30°～60°夹角的上斜面，工具刚性固定在工装机构的下方；激光发射装置设置在六自由度工业机器人前臂，使激光发射装置发射出的激光线投射到工作平台上；相机单元将实时采集的图像输入工业计算机中的图像处理单元进行处理，并将处理结果发送给变权重相机空间定位单元；机器人正运动学单元将当前六自由度工业机器人的状态信息进行处理后发送给变权重相机空间定位单元；变权重相机空间定位单元对接收到的信息进行综合处理后发送给机器人逆运动学单元；机器人逆运动学单元与工业机器人控制器进行网络通信发送命令控制六自由度工业机器人运动。所述相机单元为主动相机单元或多相机单元，其中主动相机单元包括第一相机、云台本体、多自由度电机运动单元及电机驱动模块，其中第一相机固定在云台本体上，多自由度电机运动单元固定连接在云台本体上，电机驱动模块通过I/O口接入多自由度电机运动单元；工业计算机通过第二千兆以太网与相机单元中第一相机相连，工业计算机通过总线与相机单元中电机驱动模块进行通信，电机驱动模块根据接收到的命令控制多自由度电机运动单元运动从而带动云台本体及第一相机移动；多相机单元包括多个第二相机以及与第二相机一一对应的支架，第二相机固定设置在对应的支架上，且每个第二相机均通过第二千兆以太网与工业计算机相连。一种工业机器人三维实时高精度定位装置的定位方法，其中相机单元为主动相机单元，包括以下步骤：第1步，第一相机获取实际目标点及特征点，并根据特征点与实际目标点之间的位置关系设置虚拟目标点，目标点包括实际目标点和虚拟目标点；第2步，设置相机单元，调整第一相机的位置状态，使该位置状态对应的目标点与特征点处于第一相机的视野范围内；第3步，建立机器人空间中三维坐标到相机空间中二维坐标的映射关系：机器人正运动学单元通过第一千兆以太网获取当前六自由度工业机器人的状态信息，并确定机器人末端识别装置上的特征点在机器人空间中的三维坐标位置；通过采样获取特征点在相机空间中的二维坐标及在机器人空间中的三维坐标位置，利用变权重相机空间定位单元建立机器人空间中三维坐标到相机空间中二维坐标的映射关系；第4步，获取目标点在三维机器人空间中的位置：根据第3步得到的映射关系，变权重相机空间定位单元将目标点在相机空间中的二维坐标转换为机器人空间中的三维坐标；第5步，机器人逆运动学单元根据第4步所得的目标点三维坐标，确定相对应的六自由度工业机器人关节角度值并发送给工业机器人控制器，工业机器人控制器发送命令控制六自由度工业机器人向目标点运动；第6步，判断六自由度工业机器人上设置的工具是否定位至目标点：①如果未定位至目标点，则返回至第3步，将当前位置特征点在机器人空间中的三维空间坐标以及在相机空间中的二维坐标做为采样点重新估计映射参数，建立机器人空间中三维坐标到相机空间中二维坐标的映射关系，并按照第4～6步重新定位；②如果定位至虚拟目标点，则返回至第2步，调整第一相机到下一位置状态，按照同样的方法将工具定位至下一目标点；③如果定位至实际目标点，则完成工业机器人的三维实时定位。一种工业机器人三维实时高精度定位装置的定位方法，其中相机单元为多相机单元，包括以下步骤：第1步，选取两部第二相机，使机器人末端工装机构的特征点与实际目标点都处于第二相机视野范围内；第2步，获取实际目标点，激光发射装置发出的激光投射到实际目标点，第二相机实时采集实际目标点的图像并传送至工业计算机中的图像处理单元，图像处理单元对采集到的图像进行处理得到实际目标点在相机空间中的二维坐标位置；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工业机器人三维实时高精度定位装置，其特征在于，包括：工业机器人系统（1）、工业计算机（2）和相机单元（3），其中工业计算机（2）包括变权重相机空间定位单元（2‑1）、图像处理单元（2‑2）和机器人运动控制单元（2‑3），机器人运动控制单元（2‑3）包括机器人正运动学单元（2‑3‑1）和机器人逆运动学单元（2‑3‑2）两部分，其中图像处理单元（2‑2）通过变权重相机空间定位单元（2‑1）与机器人运动控制单元（2‑3）相连；工业计算机（2）通过第一千兆以太网（5）与工业机器人控制器（6）相连接，工业机器人控制器（6）的控制端接入工业机器人系统（1），工业计算机（2）通过第二千兆以太网（4）与相机单元（3）相连；所述工业机器人系统（1）包括六自由度工业机器人（1‑0）、激光发射装置（1‑1）和工装机构（1‑2），其中工装机构（1‑2）的初始端刚性固定在六自由度工业机器人（1‑0）的末端，且与六自由度工业机器人（1‑0）的前臂共轴；工装机构（1‑2）的末端设置有特征点（1‑6）和工具（1‑5），特征点（1‑6）位于工装机构（1‑2）顶端与其轴线成30°～60°夹角的上斜面，工具（1‑5）刚性固定在工装机构（1‑2）的下方；激光发射装置（1‑1）设置在六自由度工业机器人（1‑0）前臂，使激光发射装置（1‑1）发射出的激光线投射到工作平台（1‑3）上；相机单元（3）将实时采集的图像输入工业计算机（2）中的图像处理单元（2‑2）进行处理，并将处理结果发送给变权重相机空间定位单元（2‑1）；机器人正运动学单元（2‑3‑1）将当前六自由度工业机器人（1‑0）的状态信息进行处理后发送给变权重相机空间定位单元（2‑1）；变权重相机空间定位单元（2‑1）对接收到的信息进行综合处理后发送给机器人逆运动学单元（2‑3‑2）；机器人逆运动学单元（2‑3‑2）与工业机器人控制器（6）进行网络通信发送命令控制六自由度工业机器人（1‑0）运动。...

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人三维实时高精度定位装置的定位方法，其特征在于，所述工业机器人三维实时高精度定位装置，包括：工业机器人系统(1)、工业计算机(2)和相机单元(3)，其中工业计算机(2)包括变权重相机空间定位单元(2-1)、图像处理单元(2-2)和机器人运动控制单元(2-3)，机器人运动控制单元(2-3)包括机器人正运动学单元(2-3-1)和机器人逆运动学单元(2-3-2)两部分，其中图像处理单元(2-2)通过变权重相机空间定位单元(2-1)与机器人运动控制单元(2-3)相连；工业计算机(2)通过第一千兆以太网(5)与工业机器人控制器(6)相连接，工业机器人控制器(6)的控制端接入工业机器人系统(1)，工业计算机(2)通过第二千兆以太网(4)与相机单元(3)相连；所述工业机器人系统(1)包括六自由度工业机器人(1-0)、激光发射装置(1-1)和工装机构(1-2)，其中工装机构(1-2)的初始端刚性固定在六自由度工业机器人(1-0)的末端，且与六自由度工业机器人(1-0)的前臂共轴；工装机构(1-2)的末端设置有特征点(1-6)和工具(1-5)，特征点(1-6)位于工装机构(1-2)顶端与其轴线成30°～60°夹角的上斜面，工具(1-5)刚性固定在工装机构(1-2)的下方；激光发射装置(1-1)设置在六自由度工业机器人(1-0)前臂，使激光发射装置(1-1)发射出的激光线投射到工作平台(1-3)上；所述相机单元(3)为主动相机单元，包括第一相机(3-2)、云台本体(3-1)、多自由度电机运动单元(3-3)及电机驱动模块(3-4)，其中第一相机(3-2)固定在云台本体(3-1)上，多自由度电机运动单元(3-3)固定连接在云台本体(3-1)上，电机驱动模块(3-4)通过I/O口接入多自由度电机运动单元(3-3)；工业计算机(2)通过第二千兆以太网(4)与相机单元(3)中第一相机(3-2)相连，工业计算机(2)通过总线与相机单元(3)中电机驱动模块(3-4)进行通信，电机驱动模块(3-4)根据接收到的命令控制多自由度电机运动单元(3-3)运动从而带动云台本体(3-1)及第一相机(3-2)移动，所述定位方法包括以下步骤：第1步，第一相机(3-2)获取实际目标点(1-4)及特征点(1-6)，并根据特征点(1-6)与实际目标点(1-4)之间的位置关系设置虚拟目标点，目标点包括实际目标点(1-4)和虚拟目标点；第2步，设置相机单元(3)，调整第一相机(3-2)的位置状态，使该位置状态对应的目标点与特征点(1-6)处于第一相机(3-2)的视野范围内；第3步，建立机器人空间中三维坐标到相机空间中二维坐标的映射关系：机器人正运动学单元(2-3-1)通过第一千兆以太网(5)获取当前六自由度工业机器人(1-0)的状态信息，并确定机器人末端识别装置(1-2)上的特征点(1-6)在机器人空间中的三维坐标位置；通过采样获取特征点(1-6)在相机空间中的二维坐标及在机器人空间中的三维坐标位置，利用变权重相机空间定位单元(2-1)建立机器人空间中三维坐标到相机空间中二维坐标的映射关系；第4步，获取目标点在三维机器人空间中的位置：根据第3步得到的映射关系，变权重相机空间定位单元(2-1)将目标点在相机空间中的二维坐标转换为机器人空间中的三维坐标；第5步，机器人逆运动学单元(2-3-2)根据第4步所得的目标点三维坐标，确定相对应的六自由度工业机器人(1-0)关节角度值并发送给工业机器人控制器(6)，工业机器人控制器(6)发送命令控制六自由度工业机器人(1-0)向目标点运动；第6步，判断六自由度工业机器人(1-0)上设置的工具(1-5)是否定位至目标点：①如果未定位至目标点，则返回至第3步，将当前位置特征点(1-6)在机器人空间中的三维空间坐标以及在相机空间中的二维坐标做为采样点重新估计映射参数，建立机器人空间中三维坐标到相机空间中二维坐标的映射关系，并按照第4～6步重新定位；②如果定位至虚拟目标点，则返回至第2步，调整第一相机(3-2)到下一位置状态，按照同样的方法将工具(1-5)定位至下一目标点；③如果定位至实际目标点(1-4)，则完成工业机器人的三维实时定位。2.根据权利要求1所述的工业机器人三维实时高精度定位方法，其特征在于，第1步中设置虚拟目标点的步骤如下：步骤1.1，当工装机构(1-2)的特征点(1-6)处于第一相机(3-2)的视野中心区域时，记录此时第一相机(3-2)的位置状态，即第一相机(3-2)的横向平移距离、横向旋转角度、竖向旋转角度；步骤1.2，激光发射装置(1-1)发出激光投射到实际目标点(1-4)，通过移动第一相机(3-2)寻找实际目标点(1-4)，当实际目标点(1-4)处于第一相机(3-2)的视野中心区域时，记录此时第一相机(3-2)的位置状态；步骤1.3，根据步骤1.1与步骤1.2中记录的第一相机(3-2)的位置状态差，确定虚拟目标点的个数，以及定位过程中与各虚拟目标点对应的第一相机(3-2)位置状态。3.根据权利要求1或2所述的工业机器人三维实时高精度定位方法，其特征在于，第3步中所述建立机器人空间中三维坐标到相机空间中二维坐标的映射关系，具体如下：步骤3.1，建立特征点(1-6)在在机器人空间中三维坐标及相机空间中二维坐标的映射关系，映射关系如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永，时定兵，
申请(专利权)人：刘永，
类型：发明
国别省市：江苏;32