CN109454642A - 基于三维视觉的机器人涂胶轨迹自动生产方法 - Google Patents

基于三维视觉的机器人涂胶轨迹自动生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三维视觉的机器人涂胶轨迹自动生产方法，先采用三维相机对需要设置轨迹的待涂胶产品进行三维点云的采集；然后通过参数及对应的一系列计算对采集的数据进行处理，完成待涂胶产品轮廓的识别；最后通过对应待涂胶产品的涂胶工艺要求的轨迹姿态设置来自动计算出机器人涂胶点位以及每个点对应的姿态。本发明对比人工示教机器人涂胶轨迹的方法更节约人工成本，缩短整体生成周期、提高生产效率需求，工艺变更快捷方便。由于不需要人工示教机器人涂胶轨迹，节省了生产前期的准备时间。

Description

基于三维视觉的机器人涂胶轨迹自动生产方法
技术领域
本发明涉及一种机器人工业自动化轨迹示教方法，具体说是一种基于三维视觉的机器人涂胶轨迹自动生产方法。
背景技术
随着人民生活水平的提高以及人民审美的与时俱进，制鞋行业产品的更新换代速度日益提高。舒适、美观、不同适用性的客户需求千差万别以及市场竞争全球化，致使开发周期以及供货周期不断缩短。制鞋行业的客户会根据季节、市场审美风向、材料的更新换代等进行订单的更新和增加，且要求供货周期短从而抢占市场先机。因此制鞋行业需要保证更换生产产品的速度快，生产效率高，产能大，但人力成本的增加以及长时间工作致使工人的工作效率下降，促使传统制鞋行业进行自动化升级以适应当前的环境。
目前，实现鞋子打底涂胶自动化的处理方法为：在自动化生产线中的涂胶工位采用人工示教机器人涂胶轨迹的方法来完成该工位涂胶轨迹的设置，但鞋子品牌和款式繁多，因此该方法适应性很差。每一款鞋子都需要暂停自动化生产线来示教机器人以设置该款鞋子的所有尺码及其对应的左右脚，这种方法极其耗费时间和人力，因此该种方法无法满足制鞋行业对高产能、高生产效率、生产周期短的要求。除此之外，该方法对鞋子摆放的位置要求极高，因为机器人运动的轨迹是固定的无法针对每次鞋子的摆放位置做自适应，从而无法适应鞋子摆放位置出现偏差的情况。该问题很容易导致鞋子摆放位置不准而造成涂胶偏离的情况。另外，在其他产品生产中，机器人自动涂胶生产方法也是常见的工艺。因此解决机器人涂胶轨迹自动生产方法
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种基于三维视觉的机器人涂胶轨迹自动生产方法，可以实现免机器人示教并实时计算打底涂胶轨迹。
本发明方法的基本技术思路：先采用三维相机对需要设置轨迹的待涂胶产品进行三维点云的采集；然后通过参数及对应的一系列计算对采集的数据进行处理，完成该待涂胶产品轮廓的识别；最后通过对应该待涂胶产品的涂胶工艺要求的轨迹姿态设置来自动计算出机器人涂胶点位以及每个点对应的姿态；在自动化生产过程中，通过工控机与机器人的通信，工控机将机器人涂胶点位以及每个点对应的姿态发送至机器人，机器人通过接收到的涂胶点位以及每个点对应的姿态完成待涂胶产品涂胶。
本发明基于三维视觉的机器人涂胶轨迹自动生产方法，其步骤如下：
步骤1.使用三维相机获取工位上的待涂胶产品的实时三维点云模型数据。
步骤2.调试并设置三维图像处理的参数并根据设置的参数对三维点云模型数据进行噪声处理、点云裁剪和过滤。
调试并设置三维图像处理的参数并根据设置的参数对三维点云模型数据进行噪声处理、点云裁剪和过滤不需要的点云数据。该步骤需要调整三维相机的曝光时间、置信度等参数。
降噪:通过统计学滤波，在规定邻域范围内去除邻域个数小于所设阈值的点等方法去除噪声点云。
点云剪裁:出于减少不必要环境物体的点云从而降低计算量和提升整体效率，将工作区域外的点云即其对应二维图像的内容去除。
过滤:由于点云数据信息中包含每个点的法向量信息，且该项目只关注待涂胶产品轮廓，保留点的法向量与竖直向量的角度小于所设阈值的点，进一步减少点云量来降低计算量和提升整体效率。
步骤3.提取并计算所需的待涂胶产品轮廓数据Up,Un,Ut,Ur
其中，Up:提取的待涂胶产品轮廓点的集合；Un:对应待涂胶产品轮廓点的法向集合；Ut:对应待涂胶产品轮廓点的切向集合；Ur:对应待涂胶产品轮廓点的径向集合。
Up，Un，Ut，Ur分别对应点位和其对应法向、切向、径向的集合，均通过计算待涂胶产品的三维模型数据得到。
法向计算方法:通过指定领域范围内的点或指定最近点数量来拟合平面，计算该拟合平面的平面法向量，该平面法向量即为该点的法向量；
切向计算方法:通过拟合所求点及其指定领域范围内的点或指定最近点数量来拟合空间直线，该拟合空间直线在x,y,z方向的分量即为所求点的切向量；
径向计算方法:将切向量投射至二维平面，二维平面中径向量与切向量垂直，重新重新投射至三维空间时，x,y分量与二维平面内相同，z分量设置为0；
集合内每个点的表示方式如下：
A(xa,ya,,za)
其中Up中xa为A点的空间坐标x值,ya,为A点的空间坐标y值，za为A点的空间坐标z值；Un，Ut，Ur中xa,ya,,za表示的是空间向量。
通过轮廓的三维信息数据Up,Un,Ut,Ur获得机器人初步涂胶轨迹点位信息。
步骤4.根据待涂胶产品的涂胶工艺设置机器人姿态偏移
机器人姿态偏移量(姿态偏移参数)包括：Zoffset：空间Z方向的位置偏移量；AngleReal：沿待涂胶产品轮廓点切向方向旋转的角度旋转量；Roffset：沿待涂胶产品轮廓点径向的位置偏移量；TCP_COffsetReal：沿待涂胶产品轮廓点TCP的角度旋转量。
步骤5.计算机器人实际所需的涂胶轨迹点位和姿态。
空间坐标系的转换需要通过矩阵运算，方法如下:
步骤5.1由Un，Ut，Ur得到一个3ⅹ3的旋转矩阵frame:
frame＝[Utx,Uty,Utz]
[-Urx,-Ury,-Urz]
[-Unx,-Uny,-Unz]
其中：Utx,Uty,Utz为对应待涂胶产品轮廓点的径向数据的x,y,z值；Urx,Ury,Urz为对应待涂胶产品轮廓点的径向数据的x,y,z值；Unx,Uny,Unz为对应待涂胶产品轮廓点的法向数据的x,y,z值。
步骤5.2将机器人初步涂胶轨迹点位信息(不包含涂胶工艺设置)在3ⅹ3旋转矩阵frame下进行矩阵的平移，平移方向为z轴负方向，平移距离为Zoffset，得到的新的轨迹点位集合Pt。
步骤5.3将旋转矩阵frame绕z轴旋转180°后再绕x轴旋转AngleReal的角度得到新的旋转矩阵frame1。
步骤5.4由旋转frame1和轨迹点位Pt得到空间点位在相机坐标系下的四元数PtOnCam:
PtOnCam＝[frame11,frame12,frame13,Ptx]
[frame11,frame12,frame13,Pty]
[frame11,frame12,frame13,Ptz]
[0,0,0,1]
其中，[frame11,frame12,frame13]，[frame21,frame22,frame23]和[frame31,frame32,frame33]为旋转矩阵，[Ptx,Pty,Ptz]T为平移矩阵。
步骤5.5将四元数PtOnCam转换至机器人标定的坐标系(又称用户坐标系)下得到四元数PtOnRef。
步骤5.6将四元数PtOnRef转换到所使用的机器人的坐标系下(不同机器人厂家所使用的坐标系不同)以得到实际所需的涂胶轨迹点位的姿态a,b,c；
步骤5.7最终机器人涂胶实际所需的涂胶轨迹点位信息为:
PosPt＝[a+TCP_COffsetReal,b,c,PtOnCam14,PtOnCam24,PtOnCam34]。
其中：a,b,c值为机器人所需姿态的a,b,c值；PtOnCam14,PtOnCam24,PtOnCam34对应步骤5.4中Ptx,Pty,Ptz，即机器人所需的空间坐标x,y,z；TCP_COffsetReal为机器人所需姿态a角度的补偿值。
通过工控机与机器人/主控系统的通信连接，将包含涂胶轨迹点位信息PosPt的数列发送到机器人/主控系统，数据表达形式与第步骤5.7中的表达形式相同。机器人根据接收到的数据完成待涂胶产品涂胶，这样就实现了免人工示教机器人涂胶轨迹并且自适应待涂胶产品摆放位置的自动化。
本发明方法实现了免人工示教机器人涂胶轨迹的自动涂胶轨迹计算，节约人工成本，缩短整体生成周期、提高生产效率需求，工艺变更快捷方便。由于不需要人工示教机器人涂胶轨迹，节省了生产前期的准备时间。采取实时获取待涂胶产品的三维点云模型数据，该点云模型数据的准确性可以由高精度三维相机保证，本发明方法可以精确识别待涂胶产品轮廓和位置，而该行业现阶段的方法无法自适应待涂胶产品摆放位置，加大了因待涂胶产品摆放位置出现偏差导致涂胶位置不对造成的坏品，对坏品的返工及其损失和时间浪费。
附图说明
图1涂胶系统示意图。
图2本发明基于三维视觉的机器人涂胶轨迹自动生产方法示意框图。
图3坐标系建立示意图。
图4机器人姿态偏移参数示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明方法作进一步详细说明。
实施例：本实施例是机器人给鞋子打底涂胶的例子。图1所表示的是实现本发明方法的装置，包括三维相机1、鞋子打底2、工业机器人3、工控机4以及通讯网线5；
机器人4为通用六关节串联工业机器人，该机器人具有通用的工业机器人功能，如坐标系有关节坐标系、直角坐标系、工具坐标系和外部坐标系等，能够进行外部坐标系建立和设置、用户能够使用四点法建立工具坐标系等。
三维相机1具有实时拍照并获取三维点云数据的功能。三维相机1输出的三维点云数据实时输出通过屏蔽通讯网线5传输到工控机4。
如图3所示，通过同一张标定纸选取原点O，X方向一点OX和平面内一点XY建立相机坐标系和机器人坐标系并使两者坐标系重合。
让鞋子到达拍照位置，通过光幕传感器发送到位信号给工控机，软件接收到到位信号后触发拍照并获取实时的鞋子三维点云数据。
涂胶软件通过调试设置好的三维图像处理参数，并降噪、点云裁剪和过滤。
降噪:通过统计学滤波，在规定邻域范围内去除邻域个数小于所设阈值的点等方法去除噪声点云。
点云剪裁:出于减少不必要环境物体的点云从而降低计算量和提升整体效率，将工作区域外的点云即其对应二维图像的内容去除。
过滤:由于点云数据信息中包含每个点的法向量信息，且该项目只关注鞋子轮廓，保留点的法向量与竖直向量的角度小于所设阈值的点，进一步减少点云量来降低计算量和提升整体效率。
提取和计算鞋子轮廓的三维信息数据：点位Up，法向Un，切向Ut，径向Ur。
法向计算方法:通过指定领域范围内的点或指定最近点数量来拟合平面，计算该拟合平面的平面法向量。该平面法向量即为该点的法向量。
切向计算方法:通过拟合所求点及其指定领域范围内的点或指定最近点数量来拟合空间直线，该拟合空间直线在x,y,z方向的分量即为所求点的切向量。
径向计算方法:将切向量投射至二维平面，二维平面中径向量与切向量垂直，重新重新投射至三维空间时，x,y分量与二维平面内相同，z分量设置为0。
通过轮廓的三维信息数据Up,Un,Ut,Ur获得初步的涂胶轨迹点位信息。
根据该款鞋子的涂胶工艺设置机器人姿态偏移：Zoffset，AngleReal，Roffset，TCP_COffsetReal。
计算机器人实际所需的涂胶轨迹点位和姿态
由Un，Ut，Ur得到一个3ⅹ3的旋转矩阵frame:
frame＝[Utx,Uty,Utz]
[-Urx,-Ury,-Urz]
[-Unx,-Uny,-Unz]
将机器人初步涂胶轨迹点位信息(不包含涂胶工艺设置)在3ⅹ3旋转矩阵frame下进行矩阵的平移，平移方向为z轴负方向，平移距离为Zoffset，得到的新的轨迹点位集合Pt。
将旋转矩阵frame绕z轴旋转180°后再绕x轴旋转AngleReal的角度得到新的旋转矩阵frame1。
由旋转frame1和轨迹点位Pt得到空间点位在相机坐标系下的四元数PtOnCam:
PtOnCam＝[frame11,frame12,frame13,Ptx]
[frame11,frame12,frame13,Pty]
[frame11,frame12,frame13,Ptz]
[0,0,0,1]
将四元数PtOnCam转换至机器人标定的坐标系(又称用户坐标系)下得到四元数PtOnRef。
将四元数PtOnRef转换到所使用的机器人的坐标系下(不同机器人厂家所使用的坐标系不同)以得到实际所需的涂胶轨迹点位的姿态a,b,c。
最终机器人涂胶实际所需的涂胶轨迹点位信息为:
PosPt＝[a+TCP_COffsetReal,b,c,PtOnCam14,PtOnCam24,PtOnCam34]
根据机器人涂胶轨迹点位PosPt通过通讯发送至机器人，机器人通过接收到的涂胶轨迹点位完成鞋子打底涂胶。

Claims (1)

1.一种基于三维视觉的机器人涂胶轨迹自动生产方法，其步骤如下：
步骤1.使用三维相机获取流水线上喷处理剂/胶水的操作位的待涂胶产品实时三维点云模型数据；
步骤2.调试并设置三维图像处理的参数并根据设置的参数对三维点云模型数据进行噪声处理、点云裁剪和过滤不需要的点云数据；该步骤需要调整三维相机的曝光时间、置信度等参数；
降噪:通过统计学滤波，在规定邻域范围内去除邻域个数小于所设阈值的点等方法去除噪声点云；
点云剪裁:出于减少不必要环境物体的点云从而降低计算量和提升整体效率，将工作区域外的点云即其对应二维图像的内容去除；
过滤:由于点云数据信息中包含每个点的法向量信息，且该项目只关注待涂胶产品轮廓，保留点的法向量与竖直向量的角度小于所设阈值的点，进一步减少点云量来降低计算量和提升整体效率；
步骤3.提取并计算所需的待涂胶产品轮廓数据Up,Un,Ut,Ur
其中，Up:提取的待涂胶产品轮廓点的集合；Un:对应待涂胶产品轮廓点的法向集合；Ut:对应待涂胶产品轮廓点的切向集合；Ur:对应待涂胶产品轮廓点的径向集合；
Up，Un，Ut，Ur分别对应点位和其对应法向、切向、径向的集合，均通过计算待涂胶产品的三维模型数据得到：
法向计算方法:通过指定领域范围内的点或指定最近点数量来拟合平面，计算该拟合平面的平面法向量，该平面法向量即为该点的法向量；
切向计算方法:通过拟合所求点及其指定领域范围内的点或指定最近点数量来拟合空间直线，该拟合空间直线在x,y,z方向的分量即为所求点的切向量；
径向计算方法:将切向量投射至二维平面，二维平面中径向量与切向量垂直，重新重新投射至三维空间时，x,y分量与二维平面内相同，z分量设置为0；
集合内每个点的表示方式如下：
A(xa,ya,,za)
其中Up中xa为A点的空间坐标x值,ya,为A点的空间坐标y值，za为A点的空间坐标z值；Un，Ut，Ur中xa,ya,,za表示的是空间向量；
通过拟合空间曲线的方式来拟合涂胶轨迹点位数据集，然后根据实际产线需求制定喷处理剂/胶水的起喷方向/位置作为机器人运动轨迹中第一点并按顺时针/逆时针方向将其余点位进行排序；经过排序后的空间点位数据集即为初步的涂胶轨迹点位数据集；
步骤4.根据该款待涂胶产品的涂胶工艺设置机器人姿态偏移
机器人姿态偏移量包括：Zoffset：空间Z方向的位置偏移量；AngleReal：沿待涂胶产品轮廓点切向方向旋转的角度旋转量；Roffset：沿待涂胶产品轮廓点径向的位置偏移量；TCP_COffsetReal：沿待涂胶产品轮廓点TCP的角度旋转量；
步骤5.计算机器人实际所需的涂胶轨迹点位和姿态
步骤5.1由Un，Ut，Ur得到一个3ⅹ3的旋转矩阵frame:
frame＝[Utx,Uty,Utz]
[-Urx,-Ury,-Urz]
[-Unx,-Uny,-Unz]
其中：Utx,Uty,Utz为对应待涂胶产品轮廓点的径向数据的x,y,z值；
Urx,Ury,Urz为对应待涂胶产品轮廓点的径向数据的x,y,z值；
Unx,Uny,Unz为对应待涂胶产品轮廓点的法向数据的x,y,z值；
步骤5.2将机器人初步涂胶轨迹点位信息在3ⅹ3旋转矩阵frame下进行矩阵的平移，平移方向为z轴负方向，平移距离为Zoffset，得到的新的轨迹点位集合Pt；
步骤5.3将旋转矩阵frame绕z轴旋转180°后再绕x轴旋转AngleReal的角度得到新的旋转矩阵frame1；
步骤5.4由旋转frame1和轨迹点位Pt得到空间点位在相机坐标系下的四元数PtOnCam:
PtOnCam＝[frame11,frame12,frame13,Ptx]
[frame11,frame12,frame13,Pty]
[frame11,frame12,frame13,Ptz]
[0,0,0,1]
其中，[frame11,frame12,frame13]，[frame21,frame22,frame23]和[frame31,frame32,frame33]为旋转矩阵，[Ptx,Pty,Ptz]T为平移矩阵；
步骤5.5将四元数PtOnCam转换至机器人标定的坐标系下得到四元数PtOnRef；
步骤5.6将四元数PtOnRef转换到所使用的机器人的坐标系下以得到实际所需的涂胶轨迹点位的姿态a,b,c；
步骤5.7最终机器人涂胶实际所需的涂胶轨迹点位信息为:
PosPt＝[a+TCP_COffsetReal,b,c,PtOnCam14,PtOnCam24,PtOnCam34]
其中：a,b,c值为机器人所需姿态的a,b,c值；PtOnCam14,PtOnCam24,PtOnCam34对应步骤5.4中Ptx,Pty,Ptz，即机器人所需的空间坐标x,y,z；TCP_COffsetReal为机器人所需姿态a角度的补偿值。
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