本发明专利技术涉及一种工作空间内目标刚体六自由度位姿获取装置及方法，其中工作空间设有机械装置和工作台，目标刚体六自由度位姿获取装置包括目标刚体、参考刚体、定位相机和控制器，机械装置的操作端安装有操作工具，目标刚体安装在机械装置上靠近操作工具的位置，参考刚体安装在工作台上，定位相机安装在机械装置上，定位相机跟随机械装置运动，目标刚体和参考刚体位于定位相机的镜头视野内，定位相机与控制器进行通信，控制器根据定位相机采集的目标刚体与参考刚体的位姿数据获取目标刚体的精确位置数据。与现有技术相比，本发明专利技术具有布置难度低、鲁棒性好、安装方便、定位精度高、帧率高等优点。等优点。等优点。
【技术实现步骤摘要】
一种工作空间内目标刚体六自由度位姿获取装置及方法
[0001]本专利技术涉及工作空间内目标刚体定位
，尤其是涉及一种工作空间内目标刚体六自由度位姿获取装置及方法。
技术介绍
[0002]使用自动化机械装置(例如机械臂)对工作台上的零件进行焊接、装配等操作已经成为了工业自动化必不可少的一项技术。越来越多的工厂(包括汽车制造，电子产品加工，纺织等领域)使用机械装置代替人工进行生产制造，增加产能降低成本。那么如何对机械臂装置操作端(例如焊接钻头、抓取物品的机械手等设备)进行定位则成了机械制造的关键一步。以焊接为例，机械臂只有精准实时地获得钻头的位置，才能给机械臂下达明确的指令进行焊接。定位的精度直接影响到焊接的偏差以及制造的工艺。
[0003]目前，市场上许多的机械装置都自带定位功能，可以精确地定位到机械装置在其自身坐标系下的位置与旋转。但在有些情况下，由于机械装置与工作台接触、摩擦后有略微偏移等因素，使得定位精度不稳定，精度下降。因此，很多厂家会利用机器视觉的方法去重新定位机械装置末端的位置。常见的做法是：在机械装置末端固定放置2台或更多的相机(彩色，红外，深度相机都有被采用)，相机的数目根据需要定位的空间范围而调整。利用双目立体视觉或者配合红外激光的三角测量技术去定位机械装置末端的位置。这样的做法确实可以弥补机械装置自身定位不稳定的缺点，但这些传统的机器视觉方法也有一些局限：
[0004]1、上述方法需要将在相机系统中计算的机械末端位置转换到机械装置坐标系，一般事先会进行一组标定，获得这2个坐标系之间的转换。这样就意味着，相机和机械装置一旦安装完成之后都不能移动，不然会破坏2个坐标系之间的转换关系。这样，相机照射到的区域是固定的，不随机械装置的运动而变化的，因此定位空间是比较有限的。若要增加定位的空间范围，就不得不增加相机的数量，提高成本。
[0005]2、双目普通摄像机的系统会利用一些特征点或深度学习的方法识别机械钻头，并进一步设计复杂的算法去定位钻头位置。这样的方法对光照和背景的复杂程度比较敏感，不太适合高精度的定位。相机配合激光或者投影光栅的三角测量技术可以避免环境光的影响，但激光一次扫描的范围有限，扫描速度和抗环境光的能力一直是基于结构光的系统的两难问题。换言之，很难在定位精度和定位帧率中获得一个平衡。此外，激光对于一些金属会有不规则的折射和反射现象，增加了不确定因素。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种布置难度低、鲁棒性好、安装方便、定位精度高、帧率高的工作空间内目标刚体六自由度位姿获取装置及方法。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]一种工作空间内目标刚体六自由度位姿获取装置，所述的工作空间设有机械装置
和工作台；所述的目标刚体六自由度位姿获取装置包括目标刚体、参考刚体、定位相机和控制器；所述的机械装置的操作端安装有操作工具；所述的目标刚体固定安装在机械装置末端靠近操作工具的位置；所述的参考刚体固定安装在工作台上；所述的定位相机安装在机械装置另一端，定位相机跟随机械装置运动；所述的目标刚体和参考刚体位于定位相机的镜头视野内；所述的定位相机与控制器进行通信，控制器根据定位相机采集的目标刚体与参考刚体的位姿数据获取目标刚体的精确位置数据。
[0009]优选地，所述的目标刚体和参考刚体均为由主动式标记点制成的刚体。
[0010]更加优选地，所述的主动式标记点具体为：主动发光的红外LED灯。
[0011]更加优选地，所述的目标刚体和参考刚体中标记点的数量均为3～8个。
[0012]优选地，所述的定位相机具体为：双目相机。
[0013]一种用于上述工作空间内目标刚体六自由度位姿获取装置的目标刚体六自由度位姿获取方法，该获取方法内嵌在控制器内，所述的目标刚体六自由度位姿获取方法包括：
[0014]步骤1：判断是否收到参数优化指令，若是，则执行步骤2，否则，直接执行步骤3；
[0015]步骤2：进行参数优化，然后执行步骤3；
[0016]步骤3：通过定位相机获取目标刚体的旋转和位置数据[R
zt
,t
zt
]；
[0017]步骤4：通过定位相机获取参考刚体的旋转和位置数据[R
ref
,t
ref
]，转换后获得定位相机相对于工作台的六自由度位姿；
[0018]步骤5：通过定位相机相对于工作台的六自由度位姿将操作工具的位姿由相机坐标系转换到工作台所在的世界坐标系，获得操作工具的精确定位X
zt
。
[0019]优选地，所述的步骤1中参数优化指令的触发条件为：
[0020]目标刚体六自由度位姿获取装置布置初始阶段及目标刚体或参考刚体进行重新布置后。
[0021]优选地，所述的步骤2具体为：
[0022]采集N组数据，每组数据包括动定位相机采集的目标刚体的旋转和位置数据[R
zt
,t
zt
]、参考刚体的旋转和位置数据[R
ref
,t
ref
]以及机械装置坐标系下的操作工具的位置真值X
zt_r
；
[0023]需要优化的变量包括：参考刚体在工作台坐标系下的旋转数据和位置数据以及操作工具到目标刚体的重心位置偏移量Δt；
[0024]优化的能量函数为：
[0025][0026]其中，x
zt_m
为定位到的操作工具位置；T
rm
为定位相机到机械装置坐标系的转换矩阵；
[0027][0028]则能量函数为：
[0029][0030]目标函数为最小化能量函数。
[0031]更加优选地，所述的能量函数的求解方法为：
[0032]使用非线性优化LM迭代求解能量函数的最优解，使得能量函数达到最小值；
[0033]设和Δt这三个优化变量对应的雅克比矩阵分别为J1、J2和J3；
[0034]则雅克比矩阵J为：
[0035]J＝[J
1 J
2 J3][0036][0037][0038][0039][0040]P＝R
ref
‑1(R
zt
Δt+t
zt
‑
t
ref
)
[0041]其中，为旋转矩阵对罗德里格的求导。
[0042]优选地，所述的步骤5具体为：
[0043][0044]其中，X
zt
为操作工具在工作台所在坐标系下的三维位置；和分别为参考刚体在工作台坐标系下的旋转数据和位置数据；R
ref
为定位相机获取的参考刚体旋转数据；t
ref
为定位相机获取的参考刚体位置数据；R
zt
为定位相机获取的目标刚体旋转数据；t
zt
为定位相机获取的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种工作空间内目标刚体六自由度位姿获取装置，其特征在于，所述的工作空间设有机械装置(1)和工作台(4)；所述的目标刚体六自由度位姿获取装置包括目标刚体(2)、参考刚体(3)、定位相机(5)和控制器；所述的机械装置(1)的操作端安装有操作工具(6)；所述的目标刚体(2)安装在机械装置(1)上靠近操作工具(6)的位置；所述的参考刚体(3)安装在工作台(4)上；所述的定位相机(5)安装在机械装置(1)上，定位相机(5)跟随机械装置(1)运动；所述的目标刚体(2)和参考刚体(3)位于定位相机(5)的镜头视野内；所述的定位相机(5)与控制器进行通信，控制器根据定位相机(5)采集的目标刚体(2)与参考刚体(3)的位姿数据获取目标刚体(2)的精确位置数据。2.根据权利要求1所述的一种工作空间内目标刚体六自由度位姿获取装置，其特征在于，所述的目标刚体(2)和参考刚体(3)均为由主动式标记点制成的刚体。3.根据权利要求2所述的一种工作空间内目标刚体六自由度位姿获取装置，其特征在于，所述的主动式标记点具体为：主动发光的红外LED灯。4.根据权利要求2所述的一种工作空间内目标刚体六自由度位姿获取装置，其特征在于，所述的目标刚体(2)和参考刚体(3)中标记点的数量均为3～8个。5.根据权利要求1所述的一种工作空间内目标刚体六自由度位姿获取装置，其特征在于，所述的定位相机(5)具体为：双目相机。6.一种用于如权利要求1所述工作空间内目标刚体六自由度位姿获取装置的目标刚体六自由度位姿获取方法，该获取方法内嵌在控制器内，其特征在于，所述的目标刚体六自由度位姿获取方法包括：步骤1：判断是否收到参数优化指令，若是，则执行步骤2，否则，直接执行步骤3；步骤2：进行参数优化，然后执行步骤3；步骤3：通过定位相机获取目标刚体的旋转和位置数据[R
zt
,t
zt
]；步骤4：通过定位相机获取参考刚体的旋转和位置数据[R
ref
,t
ref
]，转换后获得定位相机相对于工作台的六自由度位姿；步骤5：通过定位相机相对于工作台的六自由度位姿将操作工具的位姿由相机坐标系转换到工作台所在的世界坐标系，获得操作工具的精确定位X
zt
。7.根据权利要求6所述的一种工作空间内目标刚...
【专利技术属性】
技术研发人员：季毅君，张海威，张群，王兴灏，范晨怡，杨尚祖，冯艳伟，
申请(专利权)人：上海青瞳视觉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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