CN110421565B - 一种用于实训的机器人全局定位与测量系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于实训的机器人全局定位与测量系统，其可有效实现对目标的实时定位与测量，且可克服传动手动测量的繁琐，提高效率，节约时间，灵活性好；其包括工作台及装于所述工作台上的机器人，所述机器人采用六轴机器人，所述工作台上还设有视觉装置、工控机，与PC机连接的所述工控机内嵌于所述工作台上，所述机器人、视觉装置均分别通过网线与所述工控机相连接，所述视觉装置包括装于所述工作台上的相机架，所述相机架顶端装有相机，所述相机上装有镜头，所述镜头下方装有光源。

Description

一种用于实训的机器人全局定位与测量系统和方法
技术领域
本发明涉及机器人定位与测量技术领域，具体为一种用于实训的机器人全局定位与测量系统和方法。
背景技术
机器人定位与测量系统需要大量的理论知识和实践基础，要实现机器人定位与测量系统，不仅需要掌握图像处理知识，还要掌握相机标定、手眼标定、机器人控制等，步骤比较繁杂，难以下手，且这些仅仅从理论知识中是无法完全掌握的。目前在机器人学科教学中，尤其是与视觉结合的实践环节较少，而且实践教学效果较差，主要是因为缺乏合适的教学平台与系统，这就会直接导致学生难以快速掌握机器人全局定位与测量技术。
传统工业机器人往往采取离线编程的模式进行作业，其需人工事先对机器人设定好运动轨迹与指令动作，然后机器人严格按照设定去执行，但是当工作环境发生变化或目标位置移动后，机器人就无法做出相应的改变，那么就会导致任务失败；且传统工业机器人缺乏对环境的感知能力，不能对目标位置进行实时定位，更无法实现对目标相关尺寸参数的测量，则采用传统方法通过人工方式对目标测量极大的限制了工业生产效率，灵活性差。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种用于实训的机器人全局定位与测量系统，其可有效实现对目标的实时定位与测量，且可克服传动手动测量的繁琐，提高效率，节约时间，灵活性好。
其技术方案是这样的：一种用于实训的机器人全局定位与测量系统，其包括工作台及装于所述工作台上的机器人，其特征在于：所述机器人采用六轴机器人，所述工作台上还设有视觉装置、工控机，与PC机连接的所述工控机内嵌于所述工作台上，所述机器人、视觉装置均分别通过网线与所述工控机相连接，所述视觉装置包括装于所述工作台上的相机架，所述相机架顶端装有相机，所述相机上装有镜头，所述镜头下方装有光源。
一种用于实训的机器人全局定位与测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、通过相机采集多张不同位姿下的图片作为标定板图片，然后通过张正友相机标定方法完成相机标定，从而获取所述相机内参以及畸变参数；
S2、通过机器人将所述相机移动到多个不同位置，并计算出所述相机与所述机器人末端坐标系之间的位姿关系；
S3、所述相机采集一张包含目标的图像，并通过PC机对所述目标进行目标提取，获取所述目标的局部图像，并将局部图像作为模板图像；而在采集到的包含目标的图像中进行模板匹配，提取目标图像，然后对所述目标图像进行圆拟合得到所述目标在图像中的圆心坐标及圆直径大小；
S4、由所述位姿关系将圆心坐标转换到所述机器人末端坐标系下的坐标，然后通过所述PC机发送转换后的坐标信息与控制指令至所述机器人工作，实现目标定位；同时将圆直径大小转化到所述机器人末端坐标系下的大小，得到所述目标的真实尺寸，实现尺寸测量。
其进一步特征在于：
所述步骤S2中，通过所述机器人将所述相机移动到两个不同位置，通过计算公式
A1*B*C1-1＝A2*B*C2-1
计算出所述相机与所述机器人末端坐标系之间的位姿关系B，也就是所述相机在所述机器人末端坐标系下的位姿，其中A1表示所述机器人将所述相机移动到其中一个位置时，所述机器人末端在其机械臂坐标系下的位姿；A2表示所述机器人将所述相机移动到其中另一个位置时，所述机器人末端在其机械臂坐标系下的位姿；C1表示所述机器人将所述相机移动到其中一个位置时，所述相机在标定板坐标系下的位姿；C2表示所述机器人将所述相机移动到其中另一个位置时，所述相机在标定板坐标系下的位姿；
所述步骤S4中，由所述位姿关系将圆心坐标转换到所述机器人末端坐标系下的坐标Q，转换关系公式为：Q＝P*B；将圆直径大小转化到所述机器人末端坐标系下的大小W，转化关系公式为：W＝R*B,其中，P表示所述相机获取的圆心坐标,R表示所述相机获取的圆直径大小。
本发明的有益效果是，其通过机器人与视觉装置相结合，无需预先对机器人设定好运动轨迹与指令动作，可节约大量时间，提高效率，且可实现对目标的实时定位与测量，也提高了视觉定位精度，对目标的测量克服了传统手动测量的繁琐，消除了人工参与的误差；同时，可让学生直接参与到实现过程中，增强学生的实践水平、技术能力，让学生能够更加深入的理解并掌握机器人全局定位与测量系统的原理与实现方式，具有较好的使用性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种用于实训的机器人全局定位与测量系统，其包括工作台1及装于工作台1上的机器人2，机器人2采用六轴机器人，工作台1上还设有视觉装置、工控机4，与PC机连接的工控机4内嵌于工作台1上，机器人2、视觉装置均分别通过网线与工控机4相连接，视觉装置包括装于工作台1上的相机架3，相机架3顶端装有相机5，相机5上装有镜头6，镜头6下方装有光源7。
一种用于实训的机器人全局定位与测量方法，本发明实施例中以圆柱形块为目标，实现对圆柱形块中心的定位与圆直径大小的测量，其包括以下步骤：
S1、固定好相机5，并调好相机5焦距后，通过相机5采集多张不同位姿下的图片作为标定板图片，然后通过张正友相机标定方法完成相机标定，从而获取相机5内参以及畸变参数，从而可让学生观察到标定前后图像成像的变化，深入理解相机标定的意义；
S2、通过机器人2将相机5移动到多个不同位置，并计算出相机5与机器人2末端坐标系之间的位姿关系B；
具体地，通过机器人2将相机5移动到两个不同位置，通过计算公式
A1*B*C1-1＝A2*B*C2-1
计算出相机5与机器人2末端坐标系之间的位姿关系B，也就是相机5在机器人2末端坐标系下的位姿，其中A1表示机器人将相机移动到其中一个位置时，机器人末端在其机械臂坐标系下的位姿；A2表示机器人将相机移动到其中另一个位置时，机器人末端在其机械臂坐标系下的位姿；C1表示机器人将相机移动到其中一个位置时，相机在标定板坐标系下的位姿；C2表示机器人将相机移动到其中另一个位置时，相机在标定板坐标系下的位姿；
S3、相机5采集一张包含圆柱形块的图像，并通过PC机对圆柱形块进行目标提取，获取圆柱形块的局部图像，并将圆柱形块的局部图像作为模板图像，此步骤也可由学生通过不同图像处理方法来获取模板图像；而在采集到的包含圆柱形块的图像中进行模板匹配，提取目标图像，然后对圆柱形块的目标图像进行圆拟合得到圆柱形块在图像中的圆心坐标及圆直径大小；
S4、由位姿关系B将圆心坐标转换到机器人2末端坐标系下的坐标，然后通过PC机发送转换后的坐标信息与控制指令至机器人2工作，实现目标定位；同时将圆直径大小转化到机器人末端坐标系下的大小，具体地，由位姿关系B将圆心坐标转换到机器人2末端坐标系下的坐标Q，转换关系公式为：Q＝P*B；将圆直径大小转化到机器人2末端坐标系下的大小W，转化关系公式为：W＝R*B,其中，P表示相机5获取的圆心坐标,R表示相机5获取的圆直径大小，从而得到圆柱形块的真实尺寸，实现尺寸测量，测量结果可在PC机上显示出来，此步骤可让学生观察到机器人是否运动至所定位的目标处，检测机器人定位是否准确，并可手工测量圆柱形块直径，以评估机器人测量的准确性。

Claims (3)

1.一种用于实训的机器人全局定位与测量方法，其特征在于：包括用于实训的机器人全局定位与测量系统，其包括工作台及装于所述工作台上的机器人，所述机器人采用六轴机器人，所述工作台上还设有视觉装置、工控机，与PC机连接的所述工控机内嵌于所述工作台上，所述机器人、视觉装置均分别通过网线与所述工控机相连接，所述视觉装置包括装于所述工作台上的相机架，所述相机架顶端装有相机，所述相机上装有镜头，所述镜头下方装有光源；
所述用于实训的机器人全局定位与测量方法包括以下步骤：
S1、通过所述相机采集多张不同位姿下的标定板图片，然后通过张正友相机标定方法完成相机标定，从而获取所述相机内参以及畸变参数；
S2、通过所述机器人将所述相机移动到多个不同位置，并计算出所述相机与所述机器人末端执行器之间的位姿关系；
S3、所述相机采集一张包含目标的图像，并通过所述PC机对所述目标进行目标提取，获取所述目标的局部图像，并将局部图像作为模板图像；而在采集到的包含目标的图像中进行模板匹配，提取目标图像，然后对所述目标图像进行圆拟合得到所述目标在图像中的圆心坐标及圆直径大小；
S4、由所述位姿关系将圆心坐标转换到所述机器人末端坐标系下的坐标，然后通过所述PC机发送转换后的坐标信息与控制指令至所述机器人工作，实现目标定位；同时将圆直径大小转化到所述机器人末端坐标系下的大小，得到所述目标的真实尺寸，实现尺寸测量。
2.根据权利要求1所述的一种用于实训的机器人全局定位与测量方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过所述机器人将所述相机移动到两个不同位置，通过计算公式
Figure DEST_PATH_IMAGE002
计算出所述相机与所述机器人末端坐标系之间的位姿关系B，也就是所述相机在所述机器人末端坐标系下的位姿，其中A1表示所述机器人将所述相机移动到其中一个位置时，所述机器人末端在其机械臂坐标系下的位姿；A2表示所述机器人将所述相机移动到其中另一个位置时，所述机器人末端在其机械臂坐标系下的位姿；C1表示所述机器人将所述相机移动到其中一个位置时，所述相机在标定板坐标系下的位姿；C2表示所述机器人将所述相机移动到其中另一个位置时，所述相机在标定板坐标系下的位姿。
3.根据权利要求2所述的一种用于实训的机器人全局定位与测量方法，其特征在于：所述步骤S4中，由所述位姿关系将圆心坐标转换到所述机器人末端坐标系下的坐标Q，转换关系公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；将圆直径大小转化到所述机器人末端坐标系下的大小W，转化关系公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
,其中，P表示所述相机获取的圆心坐标,R表示所述相机获取的圆直径大小。
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