CN110170996B - 一种基于立体视觉的机器人快速示教系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，属于机器人示教和视觉技术领域。该系统由手持示教装置、立体视觉模块、末端夹持工具、机器人本体、机器人控制模块和视觉信号处理模块组成。其中，立体视觉模块安装在末端夹持工具上或安装在机器人本体的末端,手持示教装置位于立体视觉模块的有效视场范围内。立体视觉模块、视觉信号处理模块、机器人控制模块、机器人本体依次信息互联。本发明基于立体视觉技术，搭建了一种机器人快速示教系统，该系统具有构成简单、工作效率高、快速灵活等特点，能够实现快速示教，形成运动轨迹。

Description

一种基于立体视觉的机器人快速示教系统

技术领域

本发明属于机器人示教和视觉技术领域，特别涉及一种基于立体视觉的机器人快速示教系统。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，工业机器人已经在人类社会的工业生产领域当中扮演着举足轻重的地位，基于工业机器人的自动化生产线已经在制造业中的机械加工、焊接、喷涂、装配、搬运等领域广泛应用。工业机器人在实际运动前需要经过示教，目前通常采用的方式是点动示教和示教器示教，这些示教方法需要先控制机器人末端运动到指定位置，再控制机器人进行末端工具的姿态变化，整个调整过程非常耗时耗力。如遇到工件表面结构较复杂，还需要不断反复地变换机器人位置和姿态才能到达末端所需位姿，极大地降低了机器人的工作效率和易用性。近年来，机器人视觉技术为解决机器人示教问题带来新的可能。目前比较成熟的视觉技术有基于飞行时间(TOF)、结构化光、双目视觉和光场的技术。这些技术都能通过一定的算法得到被测对象的深度信息，将深度信息反馈给机器人系统，便可解决机器人示教中的深度问题。

目前关于工业机器人视觉示教，中国专利：201710352991.3，名称：一种工业机器人视觉系统及其示教方法，提出的一种工业机器人视觉系统的示教方法，其采用摄像头提前拍摄被测对象的图片并存入视觉控制器，使用深度学习算法训练专用神经网络模型。视觉控制器加载训练好的神经网络模型，实时识别被测对象在摄像头回传图像中的位置、姿态和尺寸，这些信息作为机器人运动路径的参考依据，或作为机器人逻辑行为的触发条件。然而该方法需要提前拍摄被测物体，在此基础上训练专用的神经网络，当被测工件或标志物形状改变时，该方法又需重新建立神经网络，费时费力，泛化能力较差。

中国专利号：CN201610595202.4，名称：一种基于立体视觉技术对机器人进行示教的方法，该发明公开了一种基于立体视觉技术对机器人进行示教的方法，该方法具体为：在工具(如焊枪、喷头)上放置标识物，使用立体视觉摄像头识别工具，并连续记录每一帧的深度图，再将工具放置于机器人末端，标定机器人末端工具坐标系到焊枪标识物坐标系的位姿变换矩阵，然后进行示教复现。该方法示教时无需拖拽机器手臂，轻便而且节省空间，系统搭建较为简便。然而，该方法具有一定的局限性。首先，该方法使用的是真实焊枪或者其他工具，标识物需要考虑如何固接于不同的工具，不具有通用性。其次，该方法采用连续记录运动中的每一帧的方法，这对操作人员具有较高要求，示教速度过慢，则数据过于冗余，降低效率；示教速度过快，则极有可能出现模糊图像，在这种情况下无法识别工具标识物，只能重新示教。此外，该方法每次示教完后都要将工具固定在机器人末端，因此需要重新标定机器人手眼关系，这对于需要多次示教的工况环境是十分耗时耗力的，对机器人使用的易用性有所限制。

因此，本发明针对上述存在的问题，提出了一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，将立体视觉模块安装在末端夹持工具或安装在机器人本体的末端，操作手持示教装置以设定的姿态对准示教路径上的设定点，获得规划路径上的设定点对应手持示教装置的位姿测量杆件末端点的位置信息和位姿测量杆件的姿态信息，再将位姿测量杆件末端点的位姿信息转换到机器人本体基座标系下，控制机器人本体的末端夹持工具复现示教路径点的位置和姿态。所述系统具有一次标定，不需要重复标定，节省时间。通用性强，可适用于不同工况和各种形状的工件的机器人示教，不需要专业人员，操作过程简单方便，极大提高了机器人使用的易用性。

发明内容

本发明的目的在于，克服传统机器人示教费时费力、操作程序复杂等问题，设计一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，从而实现机器人快速示教，形成机器人末端实际夹持工具的运动轨迹，提高示教效率和应用的易用性。

为实现上述目标，本发明的主要技术方案如下：

一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，其特征在于它至少包括手持示教装置(1)、立体视觉模块(2)、末端夹持工具(3)、机器人本体(4)、机器人控制模块(5)和视觉信号处理模块(6)六部分。

手持示教装置(1)位于立体视觉模块(2)的有效视场范围内，立体视觉模块(2)安装在末端夹持工具(3)或安装在机器人本体(4)的末端，立体视觉模块(2)与视觉信号处理模块(6)信息互联，视觉信号处理模块(6)与机器人控制模块(5)信息互联，机器人控制模块(5)与机器人本体(4)信息互联。

手持示教装置(1)至少包括信息发送单元(1-1)、特征识别单元(1-2)和位姿测量杆件(1-3)。立体视觉模块(2)至少包括立体视觉成像单元(2-1)和信息接收单元(2-2)。手持示教装置(1)中的特征识别单元(1-2)可被立体视觉模块(2)完整拍摄并以图像信息保存。手持示教装置(1)的信息发送单元(1-1)采用有线传输或无线传输或有线和无线传输方式与立体视觉模块(2)的信息接收单元(2-2)之间进行信息交互。手持示教装置(1)的位姿测量杆件(1-3)的末端移动到规划路径上的设定点，在保持位姿测量杆件(1-3)末端点的位置不变的情况下，调整位姿测量杆件(1-3)至设定的姿态。而后通过手持示教装置(1)的信息发送单元(1-1)发送信号给立体视觉模块(2)的信息接收单元(2-2)，控制立体视觉模块(2)拍摄特征识别单元(2-1)的完整图片。立体视觉模块(2)将完整拍摄的特征识别单元(2-1)的图片信息传递给视觉信号处理模块(6)。视觉信号处理模块(6)通过识别特征识别单元(2-1)的特征信息计算获取规划路径上的设定点对应手持示教装置(1)的位姿测量杆件(1-3)末端点的位置信息和位姿测量杆件(1-3)的姿态信息，即规划路径上设定点的位姿信息。视觉信号处理模块(6)将获取的规划路径上设定点的位姿信息传输给机器人控制模块(5)。机器人控制模块(5)控制机器人本体(4)末端工具复现手持示教装置(1)的位姿测量杆件(1-3)的末端点在规划路径上的设定点的位置和位姿测量杆件(1-3)的姿态。

本发明的有益效果是：

1、本发明所述的一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，它不需要人工操作实际机器人末端夹持工具去找准规划路径上的设定点，而是通过手持示教装置的末端测量杆件的末端点去对准规划路径上的设定点，机器人末端夹持工具复现手持示教装置的位姿测量杆件的末端点在规划路径上的设定点的位置和位姿测量杆件的姿态，相比传统的点动示教和示教器示教而言，其具有操作过程简单，示教快速高效等优点。

2、本发明所述的一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，对于外形复杂的加工工件可调整手持示教装置姿态适应示教角度，具有良好的适应性。

附图说明

图1为一种基于立体视觉的机器人快速示教系统结构示意图。

图2为手持示教装置的结构示意图。

图3为立体视觉模块的结构示意图。

附图1中：1-手持示教装置；2-立体视觉模块；3-末端夹持工具；4-机器人本体；5-机器人控制模块；6-视觉信号处理模块。

附图2中：(1-1)-信息发送单元；(1-2)-特征识别单元；(1-3)-位姿测量杆件。

附图3中：(2-1)-立体视觉成像单元；(2-2)-信息接收单元。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

实施例：如附图1所示，本发明所述的一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，至少包括手持示教装置(1)、立体视觉模块(2)、末端夹持工具(3)、机器人本体(4)、机器人控制模块(5)和视觉信号处理模块(6)六部分。所述手持示教装置(1)位于立体视觉模块(2)的有效视场范围内。所述立体视觉模块(2)安装在末端夹持工具(3)或安装在机器人本体(4)的末端。所述立体视觉模块(2)与视觉信号处理模块(6)信息互联，视觉信号处理模块(6)与机器人控制模块(5)信息互联，机器人控制模块(5)与机器人本体(4)信息互联。如附图2和3所示，手持示教装置(1)至少包括信息发送单元(1-1)、特征识别单元(1-2)和位姿测量杆件(1-3)；立体视觉模块(2)至少包括立体视觉成像单元(2-1)和信息接收单元(2-2)。

在附图1示出的实施例中，立体视觉模块(2)安装在末端夹持工具(3)一侧，手持示教装置(1)在立体视觉模块(2)的有效视场范围内，触发手持示教装置(1)的信息发送单元(1-1)，发送信号给立体视觉模块(2)的信息接收单元(2-2)，控制立体视觉模块(2)完整拍摄手持示教装置(1)中的特征识别单元(1-2)并以图像信息保存。立体视觉模块(2)将拍摄的特征识别单元(1-2)的完整清晰的图片信息传递给视觉信号处理模块(6)。视觉信号处理模块(6)通过识别特征识别单元(1-2)的特征信息计算获取规划路径上的设定点对应手持示教装置(1)的位姿测量杆件(1-3)末端点的位置信息和位姿测量杆件(1-3)的姿态信息。视觉信号处理模块(6)将获取的规划路径上设定点的位姿信息传输给机器人控制模块(5)。机器人控制模块(5)控制机器人本体(4)的末端夹持工具(3)复现手持示教装置(1)的位姿测量杆件(1-3)的末端点在规划路径上的设定点的位置和位姿测量杆件(1-3)的姿态。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，其特征在于：至少包括手持示教装置(1)、立体视觉模块(2)、末端夹持工具(3)、机器人本体(4)、机器人控制模块(5)和视觉信号处理模块(6)；所述手持示教装置(1)位于立体视觉模块(2)的有效视场范围内；所述立体视觉模块(2)安装在末端夹持工具(3)或安装在机器人本体(4)的末端；所述立体视觉模块(2)与视觉信号处理模块(6)信息互联；所述视觉信号处理模块(6)与机器人控制模块(5)信息互联；所述机器人控制模块(5)与机器人本体(4)信息互联；

所述手持示教装置(1)至少包括信息发送单元(1-1)、特征识别单元(1-2)和位姿测量杆件(1-3)；所述手持示教装置(1)中的特征识别单元(1-2)可被立体视觉模块(2)完整清晰拍摄并以图片信息保存；所述立体视觉模块(2)至少包括立体视觉成像单元(2-1)和信息接收单元(2-2)；所述手持示教装置(1)的信息发送单元(1-1)发送信号给立体视觉模块(2)的信息接收单元(2-2)，控制立体视觉成像单元(2-1)完整清晰地拍摄手持示教装置(1)的特征识别单元(1-2)的图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，其特征在于：所述手持示教装置(1)的信息发送单元(1-1)采用有线传输或无线传输或有线和无线传输方式与立体视觉模块(2)的信息接收单元(2-2)进行信息交互。

3.根据权利要求1所述的一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，其特征在于：在进行示教时，所述手持示教装置(1)的位姿测量杆件(1-3)的末端移动到规划路径上的设定点，在保持位姿测量杆件(1-3)末端点的位置不变的情况下，调整位姿测量杆件(1-3)至设定的姿态。

4.根据权利要求1所述的一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，其特征在于：所述立体视觉模块(2)将完整拍摄的特征识别单元(1-2)的图像信息传递给视觉信号处理模块(6)；所述视觉信号处理模块(6)根据接收到的所述图像信息，提取图片中的特征信息，然后根据特征信息计算获取规划路径上的设定点所对应的手持示教装置(1)的位姿测量杆件(1-3)的末端点的位置信息和位姿测量杆件(1-3)的姿态信息。

5.根据权利要求1所述的一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，其特征在于：所述视觉信号处理模块(6)将获取的规划路径上设定点的位姿信息传输给机器人控制模块(5)；所述机器人控制模块(5)控制机器人本体(4)末端工具复现手持示教装置(1)的位姿测量杆件(1-3)的末端点在规划路径上的设定点的位置和位姿测量杆件(1-3)的姿态。

6.根据权利要求1所述的一种基于立体视觉的机器人快速示教系统，其特征在于：所述机器人本体(4)为多自由度机械运动装置。

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