CN107598977B - 使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的方法和系统，其特征在于：包括步骤：获取其中一个目标示教点的原始的点位设计信息，驱动机器人移动至该点位上方；触发激光测距仪进行测距，计算机器人在Z轴的位移值，并根据该位移值移动机器人上的工业相机使其与目标示教点的原始点位之间的Z轴距离与工业相机预设的固定焦距相同；触发工业相机拍照，并且对所拍图像进行处理、识别，判断是否拍到实际的目标示教点，如果拍到了实际的目标示教点，则识别该目标示教点的真实位置信息并存储到机器人或机器人控制单元，否则以原始的点位设计信息所对应的点位为中心设置若干校准拍照点重新拍照和识别，它实现了整个精确示教的过程完全自动化。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动化领域，尤其涉及机器人的示教方法。
背景技术
随着人力成本的提高和科学技术的发展，机器人（尤其是工业机器人）在工业自动化领域越来越广泛的应用，在机器人的使用之前，都需要对机器人需要到达的目标点进行精确示教，以便机器人能够准确无误的完成需要的动作。
传统的示教方式是使用机器人的示教器，操作机器人移动到目标点，然后微动使工具和目标点重合，整个过程对机器人操作人员的技能要求高而且花费时间长；示教过程是一个比较烦杂的过程，很多是一些重复性劳动，人工示教注定不能做到高度的一致性；同时在一些设计比较复杂的设备中，人和机器人需要在同一空间工作，误操作的时候对操作人员的人生安全也造成一定影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的方法和系统。
本发明目的通过以下方案实现：一种使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的方法，其特征在于，包括以下步骤：获取其中一个目标示教点的原始的点位设计信息，驱动机器人移动至该原始的点位设计信息对应的点位上方；触发激光测距仪进行测距，计算机器人在Z轴的位移值，并根据该位移值移动机器人上的工业相机使其与目标示教点的原始点位之间的Z轴距离与工业相机预设的固定焦距相同；触发工业相机拍照，并且对所拍图像进行处理、识别，判断是否拍到实际的目标示教点，如果拍到了实际的目标示教点，则识别该目标示教点的真实位置信息并存储到机器人或机器人控制单元，否则以原始的点位设计信息所对应的点位为中心设置若干校准拍照点重新拍照和识别。
在对上述方法改进方案中，当以原始的点位设计信息所对应的点位为中心设置的所有校准拍照点重新拍照后仍然无法拍到目标示教点的，停止继续示教并报错/报警。
在对上述方法改进方案中，所述以原始的点位设计信息所对应的点位为中心设置若干校准拍照点包括以原始的点位设计信息所对应的点位为中心根据固定的偏移量和九宫格方式确定所有的相机校准拍照点位置。
在对上述方法改进方案中，还包括如果拍到了实际的目标示教点，则识别该目标示教点的真实位置信息并存储到机器人或机器人控制单元，通过该真实位置信息机器人控制系统单元便可以确定机器人对应示教后的真实运动轨迹。
在对上述方法改进方案中，所述真实位置信息包括目标示教点的真实的三维坐标与/或目标示教点的角度/方向。
在对上述方法改进方案中，还包括步骤：判断重试/重拍次数是否超过限制值，如果已经超过了限制值，则停止继续示教并报错/报警；否则根据偏移量和九宫格所确定新的相机校准拍照点位置并逐一移动至对应的相机校准拍照点重新拍照与识别，并依次执行后续的步骤或下一个循环。
在对上述方法改进方案中，还包括加载系统配置信息，把机构设计的一个或一个以上的目标示教点的原始的点位设计信息加载到内存，同时把一些校准数据和预设数据也加载到内存以便程序使用。
在对上述方法改进方案中，还包括判断是否所有的点都已经示教完，如果是，示教结束；否则获取下一个目标示教点的原始的点位设计信息，并执行后续的步骤或下一个循环。
本发明还提供一种使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的系统，其特征在于，包括系统信息配置单元、视觉系统单元、激光测距系统单元、机器人控制系统单元和自动示教算法单元；所述的系统配置信息单元是用于记录机构设计提供的目标示教点的原始的点位设计信息以及一些校准数据；视觉系统单元用于识别目标点，并且能给出目标点的精确位置信息；激光测距系统单元用于测量拍照点到目标点的距离，并且根据校准数据获得目标点相对于机器人坐标系的Z轴数据；机器人控制系统单元用于控制工业机器人做相关的运动和记录位置信息；自动示教算法单元用于通过控制机器人运动到对应的设计点位，触发相机拍照，通过相机返回精确平面坐标信息结合激光测距仪测量的数据确定目标点的精确位置数据，并且记录到机器人。
本发明方法或系统整个精确示教的过程完全自动化，不需要人工参与，大大提高效率，减少了人力成本投入，并且示教精度高，一致性好，同时操作员在安全空间内操作，不存在安全方面的隐患。
附图说明
图1为某优选实施例中系统的硬件结构框图；
图2为某优选实施例中系统的软件框图；
图3为某优选实施例中的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
本发明提供一种基于机构设计人员提供的目标示教点的原始的点位设计信息，使用工业相机和激光测距仪配合机器人来实现自动示教的方法和装置。由于装配和加工等因素，目标示教点的实际位置信息与原始的点位设计信息（如原坐标、角度等）往往存在一定的误差。本发明能够根据目标示教点的原始的点位设计信息对其实际位置信息进行自动识别、进而更新机器人的运动路径，对多个目标点进行快速的自动示教，同时对误差过大无法通过示教的不合格设备进行自动识别。
请参阅图1，自动示教系统包括机器人、工业相机、激光测距仪和工控机，工业相机和激光测距仪均固定在机器人的工具末端。工控机控制机器人运动的同时可以带动工业相机和激光测距仪运动，通过激光测距仪可以调整相机焦距，工控机能触发相机拍照，通过分析图像能够确定目标示教点的精确平面数据，从而能得到完整的目标示教点的实际位置信息，并且记录到机器人控制器中。
自动示教系统涉及的软件构成如图2所述，其包括系统信息配置单元、视觉系统单元、激光测距系统单元、机器人控制系统单元和自动示教算法单元。所述的系统配置信息单元是用于记录机构设计提供的目标示教点的原始的点位设计信息以及一些校准数据；视觉系统单元用于识别目标点，并且能给出目标点的精确位置信息(包括但不限于坐标、方向、角度等信息)；激光测距系统单元用于测量拍照点到目标点的距离，并且根据校准数据获得目标点相对于机器人坐标系的Z轴数据；机器人控制系统单元用于控制工业机器人做相关的运动和记录位置信息；自动示教算法单元用于通过控制机器人运动到对应的设计点位，触发相机拍照，通过相机返回精确平面坐标信息结合激光测距仪测量的数据确定目标点的精确位置数据，并且记录到机器人。
以下结合图3进一步介绍本发明通过工业相机和激光测距仪实现自动示教的方法，包括以下步骤：
步骤1，对设备及系统初始化，包括初始化机器人、相机、激光测距仪等硬件设备。
步骤2，加载系统配置信息，把机构设计的一个或一个以上的目标示教点的原始的点位设计信息加载到内存，同时把一些校准数据和预设数据也加载到内存以便程序使用。
步骤3，获取其中一个目标示教点的原始的点位设计信息。
步骤4，机器人走到该点，机器人控制系统单元根据该原始的点位设计信息控制机器人运动至对应的位置。由于装配和加工等因素，目标示教点的真实位置与该点的原始的点位设计信息存在一定的误差。机器人走到该点还包括机器人控制系统单元根据偏移量和九宫格确定新的相机校准拍照点位置，机器人及相机移动到该新的点。
步骤5，激光测距系统单元触发激光测距仪进行测距，并且获得对应的高度信息，根据该高度信息可以确定目标点和相机之间的真实距离。
步骤6，机器人控制系统单元调整机器人的高度使相机与目标示教点的原始点位距离与工业相机设定的焦距相同。这样通过测到的距离与设定的焦距差值，控制机器人在Z轴方向根据这个差值运动，调整相机的焦距到设定值。为了保证示教的质量和图像识别的标准化和便捷性，每次工业相机拍照所用焦距优选为固定值。
步骤7，视觉系统单元触发相机拍照，并且对所拍图像进行处理、识别。
步骤8，系统判断是否拍到实际的目标示教点，如果拍到了实际的目标示教点，则识别该目标示教点的真实位置信息并返回并执行步骤9；否则跳到步骤12。
步骤9，如果有拍到目标示教点，就获取目标示教点的真实位置信息，位置信息包括X、Y的真实坐标信息、目标示教点的角度/方向等、以及目标示教点的真实Z轴坐标。把目标示教点的真实位置信息存储到机器人，通过该真实位置信息机器人控制系统单元便可以确定机器人对应示教后的运动轨迹。
步骤10，判断是否所有的点都已经示教完，如果是，则完成示教，如果没有则跳到步骤3。
步骤11，示教结束。
步骤12，判断重试/重拍次数是否超过限制值。优选地，若干校准拍照点的设置方法包括以原始的点位设计信息对应的点位为中心按照九宫格的依次走一个偏移来确定。偏移的量可以根据实际需要而设置。如果工业相机按照九宫格在每个格对应的位置上方都进行了拍照后，都无法拍到目标示教点，即可判断重试/重拍次数超限了，跳到步骤14，说明设备的误差过大，设计信息与真实位置信息严重不符，系统停止示教，对无法通过示教的不合格设备进行报错或报警。该如果次数还没有超限，就跳到步骤13。
步骤13，表示重试次数没有超限，就按照九宫格对应的偏移值移动机器人及上面的工业相机，确定和更新拍照点位信息并跳到步骤4,机器人走到新的点。
综上所述本发明的好处在于，整个精确示教的过程完全自动化，不需要人工参与，大大提高效率，减少了人力成本投入，并且示教精度高，一致性好，同时操作员在安全空间内操作，不存在安全方面的隐患。
以上所述仅为本发明的某个或某些优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应同理包括在本发明的专利保护范围内。另外，以上文字描述未尽之处也可以参考图的直接表达和常规的理解以及现有技术结合去实施。
Claims (9)
1.一种使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的方法，其特征在于，包括以下步骤：获取其中一个目标示教点的原始的点位设计信息，驱动机器人移动至该原始的点位设计信息对应的点位上方；触发激光测距仪进行测距，计算机器人在Z轴的位移值，并根据该位移值移动机器人上的工业相机使其与目标示教点的原始点位之间的Z轴距离与工业相机预设的固定焦距相同；触发工业相机拍照，并且对所拍图像进行处理、识别，判断是否拍到实际的目标示教点，如果拍到了实际的目标示教点，则识别该目标示教点的真实位置信息并存储到机器人或机器人控制单元，否则以原始的点位设计信息所对应的点位为中心设置若干校准拍照点重新拍照和识别；当以原始的点位设计信息所对应的点位为中心设置的所有校准拍照点重新拍照后仍然无法拍到目标示教点的，停止继续示教并报错/报警。
2.根据权利要求1所述的使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的方法，其特征在于，所述以原始的点位设计信息所对应的点位为中心设置若干校准拍照点包括以原始的点位设计信息所对应的点位为中心根据固定的偏移量和九宫格方式确定所有的相机校准拍照点位置。
3.根据权利要求2所述的使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的方法，其特征在于，还包括如果拍到了实际的目标示教点，则识别该目标示教点的真实位置信息并存储到机器人或机器人控制单元，通过该真实位置信息机器人控制系统单元便可以确定机器人对应示教后的真实运动轨迹。
4.根据权利要求3所述的使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的方法，其特征在于，所述真实位置信息包括目标示教点的真实的三维坐标与/或目标示教点的角度/方向。
5.根据权利要求4所述的使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的方法，其特征在于，还包括步骤：判断重试/重拍次数是否超过限制值，如果已经超过了限制值，则停止继续示教并报错/报警；否则根据偏移量和九宫格所确定新的相机校准拍照点位置并逐一移动至对应的相机校准拍照点重新拍照与识别，并依次执行后续的步骤或下一个循环。
6.根据权利要求2所述的使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的方法，其特征在于，还包括加载系统配置信息，把机构设计的一个或一个以上的目标示教点的原始的点位设计信息加载到内存，同时把一些校准数据和预设数据也加载到内存以便程序使用。
7.根据权利要求5所述的使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的方法，其特征在于，还包括加载系统配置信息，把机构设计的一个或一个以上的目标示教点的原始的点位设计信息加载到内存，同时把一些校准数据和预设数据也加载到内存以便程序使用。
8.根据权利要求7所述的使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的方法，其特征在于，还包括判断是否所有的点都已经示教完，如果是，示教结束；否则获取下一个目标示教点的原始的点位设计信息，并执行后续的步骤或下一个循环。
9.一种使用视觉和激光测距仪实现机器人自动示教的系统，其特征在于，包括系统信息配置单元、视觉系统单元、激光测距系统单元、机器人控制系统单元和自动示教算法单元；所述系统信息配置单元是用于记录机构设计提供的目标示教点的原始的点位设计信息以及一些校准数据；视觉系统单元用于识别目标点，并且能给出目标点的精确位置信息；激光测距系统单元用于测量拍照点到目标点的距离，并且根据校准数据获得目标点相对于机器人坐标系的Z轴数据；机器人控制系统单元用于控制工业机器人做相关的运动和记录位置信息；自动示教算法单元用于通过控制机器人运动到对应的设计点位，触发相机拍照，通过相机返回精确平面坐标信息结合激光测距仪测量的数据确定目标点的精确位置数据，并且记录到机器人。
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