CN106272437B - 一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置，由标识板和双目视觉平台两部分组成；标识板为带有数字编码的黑白方格标识板；双目视觉平台由底座、竖直支架、竖直滑块、纵向丝杠机构、竖直丝杠机构、水平支架、两个横向丝杠机构、两个横向滑块以及两个万向节组成的六自由度运动平台。本发明通过精确调节安装在双目视觉平台上的摄像机的空间位置，结合摄像机焦距调节，对运动平台上的标识板的标识进行捕捉定位，对运动平台进行高精度的三维空间定位，最终获得并联机器人双目视觉定位的最优视场。

Description

一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，适用于并联机器人双目视觉定位，具体涉及一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置。

背景技术

并联机构是指一个机构的运动链能构成至少一个闭环的机构。相对于当前常见的串联机构而言，并联机构的特殊构型使其不会像串联机构那样因为自由度的增加而产生位置累积误差，又由于其驱动机构均能以二力杆形式存在，具有承载力大，运动惯量小等优点。使其在运动模拟器、精密机床及机器人关节等领域成为研究热点。

并联机构的一个重要特征是，其运动学逆解的求解，即按照运动平台位姿求解连杆长度是较为容易的，而运动学正解，即按照连杆长度求解运动平台的位姿较难。使用视觉装置对并联机器人运动平台的姿态进行测量的技术则可以通过空间定位的方式直接获得上平台的方位，同时由于逆解的唯一性，可以获得连杆的准确长度，具有十分重要的意义。

该研究在国内外已广泛展开。N.Andreff等人在2005提出通过对Stewart并联机构的连杆进行角度定位的方法，其同一团队的O,Tahri等人又提出了使用全景摄像机在底部对Stewart平台的连杆进行角度定位的方案。由于这类方法以直线机构为追踪对象，可获得更高的精度，类似的研究在许多研究机构中展开。我国浙江大学的左爱秋等人也对基于双目视觉的六自由度并联机构执行末端定位方法进行了研究。

当前的视觉定位研究中，一个普遍的存在的问题是视场与定位精度之间的矛盾。由于摄像机分辨率及计算机处理能力的限制，用于实时定位的视觉装置需要在定位范围与定位精度之间进行折中。通过缩小视场，可以提高定位精度，但要求在较小的工作空间。因此对并联机构的执行末端和运动空间特点，有针对性的进行视场调节和标识设计，可以有效提高视觉定位的效果。

发明内容

针对现有的视觉定位技术存在视场与定位精度之间的矛盾问题，本发明一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置，以解决定位范围与定位精度之间进行折中的最佳视场的获取问题。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：

一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置，由安装在并联机器人运动终端的标识板和与标识板相向设置的双目视觉平台两部分组成；

所述标识板为带有数字编码的黑白方格标识板；

所述双目视觉平台由底座1、竖直支架2、竖直滑块3、纵向丝杠机构4、竖直丝杠机构5、水平支架6、横向丝杠机构Ⅰ、横向丝杠机构Ⅱ、横向滑块Ⅰ、横向滑块Ⅱ、以及万向节Ⅰ和万向节Ⅱ组成，实现六个自由度的运动；

其中，纵向丝杠机构4固定安装在底座1上，竖直支架2与纵向丝杠机构4的丝杠螺母固定连接，竖直丝杠机构5安装在竖直支架2上，竖直滑块3与竖直丝杠机构5的丝杠螺母固定连接；

在水平支架6上呈线性开有一列螺栓孔，以调节水平支架6的水平位置；水平支架6通过螺栓安装在竖直滑块3上，且螺栓与水平支架6上的螺栓孔为间隙配合；横向丝杠机构Ⅰ7和横向丝杠机构Ⅱ8沿Y轴方向并排固定在水平支架6上；横向滑块Ⅰ9和横向滑块Ⅱ10分别配合安装在横向丝杠机构Ⅰ7和横向丝杠机构Ⅱ8的丝杠上；在横向滑块Ⅰ9和横向滑块Ⅱ10上分别安装有万向节Ⅰ11和万向节Ⅱ12，万向节Ⅰ11和万向节Ⅱ12上分别安装摄像机。

一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置，其中，所述标识板上的数字编码采用圆形、三角形、正方形或矩形，通过单个或多个组合的方式标识。

一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置，其中，所述横向丝杠机构Ⅰ7和横向丝杠机构Ⅱ8为滚珠丝杠机构或梯形丝杠机构。

更进一步地，所述丝杠机构采用手摇驱动或电动机驱动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置，可根据并联机器人运动平台的运动特性，自由地调节摄像机的空间位置角度及焦距等视场参数。以最高的帧数和最少的像素数对运动平台进行高精度的三维空间定位。

2、本发明所述一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置，充分考虑了并联机器人的工作空间、构型特点及视觉伺服的特点，通过简单的机械结构便可以对摄像机进行精确的定位，同时可根据视觉伺服的效果对误差进行一定程度的修正。

附图说明

图1为本发明一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置的工作场景示意图；

图2为本发明一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置中，标识板结构示意图；

图3为本发明一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置中，双目视觉平台结构示意图；

图4为本发明一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置的工作流程图；

图中：

A-标识板； B-双目视觉平台； C-摄像机； D-运动平台；

E-并联机器人；

1-底座； 2-竖直支架； 3-竖直滑块； 4-纵向丝杠机构；

5-竖直丝杠机构； 6-水平支架； 7-横向丝杠机构Ⅰ； 8-横向丝杠机构Ⅱ；

9-横向滑块Ⅰ； 10-横向滑块Ⅱ； 11-万向节Ⅰ； 12-万向节Ⅱ。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的技术方案，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

本发明提供了一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置，由标识板和双目视觉平台两部分组成。如图1所示，标识板A安装在运动平台D的侧面，运动平台D客观反映了并联机器人E的运动过程，双目视觉平台B置于运动平台D一侧，朝向标识板A，两个摄像机C安装于双目视觉平台的正前方，朝向运动平台D上的标识板A，本发明所述装置可根据并联机器人工作空间小、执行机构为面积较大的平面等特点，对双目视觉定位装置进行最佳视场的求取。在通过结合了视觉技术理论与并联机构运动特性计算出的最佳视点位置、相机焦距、相机角度及标识特性等参数的基础上，对用于双目视觉定位的一对摄像机进行X、Y、Z(纵、横、竖)三个方向的平移与旋转等六个自由度进行调节。通过调节两个摄像机C在双目视觉平台B上的空间位置，对运动平台C上标识板A的标识进行捕捉定位，通过反算对运动平台C进行高精度的三维空间定位，最终获得并联机器人双目视觉定位的最优视场。

根据并联机器人的结构特点，执行末端为面积较大的平面等特点。如图2所示，本发明装置中所述标识板A采用黑白方格(棋盘格)标识板，将该标识板安装在并联机器人执行末端的运行平台上，通过双目视觉技术获得黑白方格标识各角点的空间位置，然后采用P4P(Perspective-4-Point)算法获得并联机构运行平台的三维空间位置信息。此外，所述标识板A还采用数字编码标识，在标识板的黑白方格内采用两两组合的方式标有圆形、三角形、正方形或矩形标识，可获得该标识在标识盘上的相对位置信息。这样通过少数标识角点的定位即可获得并联机构执行末端的空间位置信息。并可在视觉装置与并联机构末端距离变化时，采用面积不同的标识进行定位。采用圆形、三角形、矩形或正方形等易于识别的图形，通过图形的组合可确定被识别方形标识与执行末端的相对位置。

采用上述带有编码的黑白方格标识板，首先，可通过求取黑白图像的梯度获取精确度相对较高的角点位置；其次，通过编码可以获得所求角点与运动平台的相对位置，在较小的视场中对方块格的角点进行追踪即可实现平台的定位。最后，所述标识是可变的，在运行平台距摄像机较近时，可对面积较小的方格角点定位，而在运行平台距摄像机较远时，可对面积较大的方格角点定位。

如图3所示，与标识板相对应的双目视觉平台是用来安装并调节两个摄像机的机械结构。所述双目视觉平台能够在X、Y、Z(纵、横、竖)三个方向的平移和X、Y、Z三个方向的旋转，共6个自由度的运动。

所述双目视觉平台包括底座1、竖直支架2、竖直滑块3、纵向丝杠机构4、竖直丝杠机构5、水平支架6、横向丝杠机构Ⅰ、横向丝杠机构Ⅱ、横向滑块Ⅰ、横向滑块Ⅱ、以及万向节Ⅰ和万向节Ⅱ。

其中，底座1、竖直支架2、竖直滑块3、纵向丝杠机构4和竖直丝杠机构5构成XZ轴移动运动平台，纵向丝杠机构4固定安装在底座1上，竖直支架2与纵向丝杠机构4的丝杠螺母固定连接，竖直丝杠机构5安装在竖直支架2上，竖直滑块3与竖直丝杠机构5的丝杠螺母固定连接。所述底座1内部采用永固机床的十字导轨结构，位置精度可达到0.1毫米。

水平支架6通过螺栓沿Y轴方向安装在竖直滑块3上，且螺栓与水平支架6上的螺栓孔采用约1毫米的间隙配合，水平支架6可沿X轴方向小幅度旋转，以保证支架6处于水平状态，使摄像机能获得与标识处于零位时平行的有利视场。此外，沿水平支架6方向每隔5cm钻一对螺栓孔，用于双目视觉平台在Y轴方向的粗定位。横向丝杠机构Ⅰ7和横向丝杠机构Ⅱ8沿Y轴方向并排固定在水平支架6上。横向丝杠机构Ⅰ7和横向丝杠机构Ⅱ8为滚珠丝杠或梯形丝杠，且丝杠长度约为10cm。横向滑块Ⅰ9和横向滑块Ⅱ10分别配合安装在横向丝杠机构Ⅰ7和横向丝杠机构Ⅱ8的丝杠上。在横向滑块Ⅰ9和横向滑块Ⅱ10上分别安装有万向节Ⅰ11和万向节Ⅱ12，两个摄像机分别固定于万向节Ⅰ11和万向节Ⅱ12上，通过万向节可实现沿摄像机沿Y轴和Z轴的转向调节。

如图3所示，本实施例中的丝杠机构均采用手摇驱动，此外还可采用电动机驱动。双目视觉平台六个自由度的运动如下：在纵向丝杠机构4的驱动下，竖直支架2带动其上方机构沿X轴平移；在竖直丝杠机构5的驱动下，竖直滑块3带动其上方机构沿Z轴平移；在横向丝杠机构Ⅰ7和横向丝杠机构Ⅱ8的驱动下，横向滑块Ⅰ9和横向滑块Ⅱ10带动其上方机构沿Y轴平移，此外，水平支架6上线性分布的螺栓孔，可实现水平支架6沿Y轴位置的手动调节后固定。根据视觉定位角度定位较难，而平移定位相对简单的技术特点。上述三个自由度的运动，可精确调节X、Y、Z(纵、横、竖)三个方向的丝杠驱动摄像机运动，优先保证位置精度。

水平支架6上的且螺栓与水平支架6上螺栓孔的间隙配合，可实现水平支架6可沿X轴小幅度旋转；万向节Ⅰ11和万向节Ⅱ12可实现摄像机沿Y轴和Z轴的旋转，一方面保证最佳的视角方向，另一方面可进一步探索改变X轴与Z轴的交叉型与偏移型双目视觉定位的方法。

根据视觉定位技术中，深度定位精度较低，而其精度与摄像机水平距离相关的特点，本发明中的双目视觉平台的调节定位过程中，先进行X轴平移、Y轴平移以及X轴旋转的位置粗调，确定摄像机大体位置，然后及进行Y轴平移、Z轴平移Y轴旋转和Z轴旋转的位置精调。使用一对精度较高的横向丝杠机构调节两台摄像机的水平横向位置，获得较一般双目视觉装置更为优越的水平方向视点位置。

为了进一步理解本发明所述装置在并联机器人双目视觉定位过程中的作用，下面对本发明所述装置的工作原理及工作过程做简要介绍。

如图3所示，与通常的并联机器人视觉进行定位方法相同。首先将定位标识板A置于运行平台D上，然后使用一对摄像机C安装于双目视觉平台B，共同构成双目视觉定位的最优视场求取装置，所述装置通过立体定位算法进行定位。在这个过程中，便面临着并联机器人E工作空间(运动平台的运动范围)与定位精度之间的矛盾。当双目视觉平台B距离并联机器人E很近时，定位精度较高，但无法包含所有的工作空间，即工作视场较小。反之，为了充分包含并联机器人E的所有工作空间，则需要拉开双目视觉平台B与并联机器人E之间的距离，如此一来，难免定位精度较低，难以满足工作需求。

本发明所述装置针对此矛盾而设计，以求取最优的摄像机工作视场。如图4所示，其工作流程如下：

第一步，根据并联机器人工作空间特性和摄像机特性确定棋盘标识方块的最优几何参数，如面积、方块数量及编码方式等；

第二步，结合标识最优几何参数摄像机特性和外部干扰等获得标识显示特性；

第三步，根据机器人特性摄像机特性和标识显示特性通过视场优化算法得到最优视场参数，如焦距、摄像机空间位置和角度等；

第四步，由于此时获得的最优视场参数是理论上的，因此只能进行初步的粗定位。因此先将摄像机安装到双目视觉平台上，在粗定位基础上，结合视觉定位算法，获得机器人平台在该视场条件下的定位。

第五步，若精度不够令人满意，通过调节双目视觉平台上的丝杠及万向节等对摄像机反复精确调整，完成最优视场的设置，获得最优视场。

Claims (4)

1.一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置，其特征在于：

由安装在并联机器人运动终端的标识板和与标识板相向设置的双目视觉平台两部分组成；

所述标识板为带有数字编码的黑白方格标识板；

所述双目视觉平台由底座(1)、竖直支架(2)、竖直滑块(3)、纵向丝杠机构(4)、竖直丝杠机构(5)、水平支架(6)、横向丝杠机构Ⅰ、横向丝杠机构Ⅱ、横向滑块Ⅰ、横向滑块Ⅱ、以及万向节Ⅰ和万向节Ⅱ组成，实现六个自由度的运动；

其中，纵向丝杠机构(4)固定安装在底座(1)上，竖直支架(2)与纵向丝杠机构(4)的丝杠螺母固定连接，竖直丝杠机构(5)安装在竖直支架(2)上，竖直滑块(3)与竖直丝杠机构(5)的丝杠螺母固定连接；

在水平支架(6)上呈线性开有一列螺栓孔，以调节水平支架(6)的水平位置；水平支架(6)通过螺栓安装在竖直滑块(3)上，且螺栓与水平支架(6)上的螺栓孔为间隙配合；横向丝杠机构Ⅰ(7)和横向丝杠机构Ⅱ(8)沿Y轴方向并排固定在水平支架(6)上；横向滑块Ⅰ(9)和横向滑块Ⅱ(10)分别配合安装在横向丝杠机构Ⅰ(7)和横向丝杠机构Ⅱ(8)的丝杠上；在横向滑块Ⅰ(9)和横向滑块Ⅱ(10)上分别安装有万向节Ⅰ(11)和万向节Ⅱ(12)，万向节Ⅰ(11)和万向节Ⅱ(12)上分别安装摄像机。

2.如权利要求1所述一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置，其特征在于：

所述标识板上的数字编码采用圆形、三角形、正方形或矩形，通过单个或多个组合的方式标识。

3.如权利要求1所述一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置，其特征在于：

所述横向丝杠机构Ⅰ(7)和横向丝杠机构Ⅱ(8)为滚珠丝杠机构或梯形丝杠机构。

4.如权利要求1或3所述一种用于并联机器人双目视觉定位的最优视场求取装置，其特征在于：

所述纵向丝杠机构(4)、竖直丝杠机构(5)、横向丝杠机构Ⅰ以及横向丝杠机构Ⅱ均采用手摇驱动或电动机驱动。