CN110480631A - 一种应用于搬运机器人的目标搬运方法及其搬运机器人 - Google Patents

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许志辉
龙佳乐
甘楚立
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Abstract

本发明公开了一种应用于搬运机器人的目标搬运方法及其搬运机器人，通过第一摄像头拍摄俯视图像并通过OpenCV技术获取搬运目标的形状及其X轴坐标和Y轴坐标，同时通过第二摄像头拍摄搬运目标的条纹图并通过条纹投影测量技术测得搬运目标的Z轴坐标，相互结合得到搬运目标的三维坐标，同时搬运机器人根据三维坐标控制机械臂抓取搬运目标；能实现自动认知搬运目标的形态特征并据此来抓取搬运目标的目的，具有高度的智能化，能对不同位置的多种搬运目标进行搬运，完成多样化的搬运任务。

Description

一种应用于搬运机器人的目标搬运方法及其搬运机器人
技术领域
本发明涉及智能机器人领域，特别是一种应用于搬运机器人的目标搬运方法及其搬运机器人。
背景技术
工业机器人在工业生产中得到了越来越多的运用，工业生产越趋向于智能化。但目前应用在搬运工序的工业机器人大部分是按照内设的既定程序来运行，只能对特定的放在固定位置的单一工件进行搬运，一旦工件位置发生变化或者工件形态发生变化，工业机器人则无法应对变化，无法完成搬运任务。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种应用于搬运机器人的目标搬运方法及其搬运机器人，能应对多元化的搬运任务。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
本发明的第一方面，提供了一种应用于搬运机器人的目标搬运方法，所述搬运机器人包括行进机构、第一摄像头、第二摄像头、投影仪、控制器和机械臂；所述目标搬运方法包括以下步骤：
搬运机器人移动至搬运目标前；搬运机器人通过第一摄像头从上方拍摄搬运目标获得搬运目标的俯视图像；
搬运机器人通过投影仪投影条纹至搬运目标上，并通过第二摄像头从正面拍摄搬运目标获得波长不同的两种条纹图；
搬运机器人根据俯视图像利用OpenCV技术得到搬运目标的形状和搬运目标的X轴坐标和Y轴坐标；
搬运机器人根据条纹图利用条纹投影测量技术测得搬运目标的Z轴坐标；
搬运机器人根据搬运目标的三维坐标控制机械臂抓取搬运目标。
上述应用于搬运机器人的目标搬运方法至少具有以下有益效果：通过第一摄像头拍摄俯视图像并通过OpenCV技术获取搬运目标的形状及其X轴坐标和Y轴坐标，同时通过第二摄像头拍摄搬运目标的条纹图并通过条纹投影测量技术测得搬运目标的Z轴坐标，相互结合得到搬运目标的三维坐标，同时搬运机器人根据三维坐标控制机械臂抓取搬运目标；利用该方法使搬运机器人能自动认知搬运目标的形态特征，并据此来实现搬运目的，具有高度的智能化，能对不同位置的多种搬运目标进行搬运，完成多样化的搬运任务。
根据本发明的第一方面，所述搬运机器人根据俯视图像利用OpenCV技术得到搬运目标的形状和搬运目标的X轴坐标和Y轴坐标包括以下步骤：
对俯视图像进行二值化处理，使俯视图像呈现黑色区域和白色区域；
利用最大矩形框标记搬运目标，计算最大矩形框的中心点坐标作为搬运目标的X轴坐标和Y轴坐标；
对俯视图像中的白色区域进行连通区域采集；
对连通区域噪声处理后进行边缘识别，得到搬运目标的形状。
根据本发明的第一方面，所述搬运机器人根据条纹图利用条纹投影测量技术测得搬运目标的Z轴坐标具体为：
对条纹图利用六步相移的条纹分析方法处理，得到包裹相位图φ1(y)和φ2(y)；
对包裹相位图利用基于波长选择的双波长条纹相位展开算法进行相位展开，得到相位展开图；
结合标定参数和相位展开图重构三维立体点云；
对三维立体点云进行滤波得到物体点云；
根据物体点云数据计算搬运目标的Z轴坐标。
根据本发明的第一方面，所述对包裹相位图利用基于波长选择的双波长条纹相位展开算法进行相位展开，得到相位展开图包括以下步骤：
建立关于m1(y)、m2(y)和[m2(y)λ2-m1(y)λ1]的关系查找表,其中λ1和λ2分别是投影仪投影至搬运目标上的两种条纹的波长，m1(y)和m2(y)分别是对应两种条纹的条纹阶数；
计算并四舍五入取整得到结果值，在关系查找表中查找[m2(y)λ2-m1(y)λ1]的值与结果值最接近的一行中对应的m1(y)和m2(y)的目标值；
根据绝对相位和包裹相位的关系式以及m1(y)和m2(y)的目标值进行相位展开，得到相位展开图，其中，Φ1(y)和Φ2(y)是绝对相位。
根据本发明的第一方面，所述结合标定参数和相位展开图重构三维立体点云具体为:
根据相位展开图，以此分别建立X轴数字矩阵、Y轴数字矩阵和Z轴数字矩阵；
结合标定参数，实现像素坐标系到世界坐标系的转换，把X轴数字矩阵、Y轴数字矩阵和Z轴数字矩阵分别转换X轴空间矩阵、Y轴空间矩阵和Z轴空间矩阵；
根据每一个点的关于X轴、Y轴和Z轴的坐标数据，重构出三维立体点云。
根据本发明的第一方面，所述对三维立体点云进行滤波得到物体点云具体为：
根据投影的条纹经搬运目标表面反射的调制光强设计背景噪声滤波器；
利用背景噪声滤波器过滤三维立体点云中受条纹影响小的像素点和噪声点得到物体云点。
根据本发明的第一方面，所述根据物体点云数据计算搬运目标的Z轴坐标具体为：从物体点云中提取各点的空间坐标，并对搬运物体的最高点的高度数据和最低点的高度数据进行求差，得到搬运物体的高度。
根据本发明的第一方面，所述机械臂为六自由度机械臂，包括第一臂杆、第二臂杆和第三臂杆；所述搬运机器人根据搬运目标的三维坐标控制机械臂抓取搬运目标具体为：
设定原点O为机械臂与搬运机器人的连接点,第一臂杆、第二臂杆和第三臂杆的长度分别为L1、L2和L3；
计算原点O与搬运目标的连线距离以及原点O与搬运目标的角度
计算第一臂杆与第二臂杆所组成的角的平分角以及原点O与第二臂杆末端的连线和原点O与搬运目标的连线所组成的角度
计算第一臂杆的旋转角度第二臂杆的旋转角度和第三臂杆的旋转角度其中S为角度系数，取值为1或-1。
本发明的第二方面，提供了一种搬运机器人，包括行进机构、第一摄像头、第二摄像头、投影仪、机械臂、控制器和存储器；所述存储器与所述控制器连接且存储有指令；所述行进机构、第一摄像头、第二摄像头、投影仪和机械臂分别与所述控制器连接；所述控制器执行所述指令以控制所述行进机构、第一摄像头、第二摄像头、投影仪和机械臂实施如本发明第一方面所述的应用于搬运机器人的目标搬运方法。
上述搬运机器人至少具有以下有益效果：通过第一摄像头拍摄俯视图像并通过OpenCV技术获取搬运目标的形状及其X轴坐标和Y轴坐标，同时通过第二摄像头拍摄搬运目标的条纹图并通过条纹投影测量技术测得搬运目标的Z轴坐标，相互结合得到搬运目标的三维坐标，同时搬运机器人根据三维坐标控制机械臂抓取搬运目标；能实现自动认知搬运目标的形态特征并据此来抓取搬运目标的目的，具有高度的智能化，能对不同位置的多种搬运目标进行搬运，完成多样化的搬运任务。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例一种应用于搬运机器人的目标搬运方法的流程图；
图2是本发明实施例一种搬运机器人的示意图；
图3是机械臂的运动示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1和图2，本发明的一个实施例，提供了一种应用于搬运机器人的目标搬运方法，所述搬运机器人包括行进机构4、第一摄像头8、第二摄像头6、投影仪7、控制器2和机械臂5；
所述目标搬运方法包括以下步骤：
步骤S100、搬运机器人移动至搬运目标前；
步骤S200、搬运机器人通过第一摄像头8从上方拍摄搬运目标获得搬运目标的俯视图像；
步骤S300、搬运机器人通过投影仪7投影条纹至搬运目标上，并通过第二摄像头6从正面拍摄搬运目标获得波长不同的两种条纹图；
步骤S400、搬运机器人根据俯视图像利用OpenCV技术得到搬运目标的形状和搬运目标的X轴坐标和Y轴坐标；
步骤S500、搬运机器人根据条纹图利用条纹投影测量技术测得搬运目标的Z轴坐标；
步骤S600、搬运机器人根据搬运目标的三维坐标控制机械臂5抓取搬运目标。
在该实施例中，通过第一摄像头8拍摄俯视图像并通过OpenCV技术获取搬运目标的形状及其X轴坐标和Y轴坐标，同时通过第二摄像头6拍摄搬运目标的条纹图并通过条纹投影测量技术测得搬运目标的Z轴坐标，相互结合得到搬运目标的三维坐标，同时搬运机器人根据三维坐标控制机械臂5抓取搬运目标；利用该方法使搬运机器人能自动认知搬运目标的形态特征，并据此来实现搬运目的，具有高度的智能化，能对不同位置的多种搬运目标进行搬运，完成多样化的搬运任务。
进一步，步骤S400具体包括以下步骤：
步骤S410、对俯视图像进行二值化处理，使俯视图像呈现黑色区域和白色区域，其中黑色区域主要为背景图像，白色区域主要为搬运目标；
步骤S420、利用最大矩形框标记搬运目标，计算最大矩形框的中心点坐标作为搬运目标的X轴坐标和Y轴坐标；
步骤S430、对俯视图像中的白色区域进行连通区域采集；
步骤S440、对连通区域噪声处理后进行边缘识别，得到搬运目标的形状。
通过步骤S400，利用OpenCV技术能快速测量得到准确的搬运目标的形状以及搬运目标的x轴坐标和y轴坐标，有利于搬运的精准化。
进一步，步骤S500具体包括以下步骤：
步骤S510、对条纹图利用六步相移的条纹分析方法处理，得到包裹相位图φ1(y)和φ2(y)；
步骤S520、对包裹相位图利用基于波长选择的双波长条纹相位展开算法进行相位展开，得到相位展开图；
步骤S530、结合标定参数和相位展开图重构三维立体点云；
步骤S540、对三维立体点云进行滤波得到物体点云；
步骤S550、根据物体点云数据计算搬运目标的Z轴坐标。
进一步，步骤S520包括以下步骤：
步骤S521、建立关于m1(y)、m2(y)和[m2(y)λ2-m1(y)λ1]的关系查找表,其中λ1和λ2分别是投影仪7投影至搬运目标上的两种条纹的波长，m1(y)和m2(y)分别是对应两种条纹的条纹阶数；
步骤S522、计算并四舍五入取整得到结果值，在关系查找表中查找[m2(y)λ2-m1(y)λ1]的值与结果值最接近的一行中对应的m1(y)和m2(y)的目标值；
步骤S523、根据绝对相位和包裹相位的关系式
以及m1(y)和m2(y)的目标值进行相位展开，得到相位展开图，其中，Φ1(y)和Φ2(y)是绝对相位。
进一步，步骤S530具体包括以下步骤:
步骤S531、根据相位展开图，以此分别建立X轴数字矩阵、Y轴数字矩阵和Z轴数字矩阵；
步骤S532、结合标定参数，实现像素坐标系到世界坐标系的转换，把X轴数字矩阵、Y轴数字矩阵和Z轴数字矩阵分别转换为X轴空间矩阵、Y轴空间矩阵和Z轴空间矩阵；
步骤S533、根据每一个点的关于X轴、Y轴和Z轴的坐标数据，重构出三维立体点云。
进一步，步骤S540具体包括以下步骤：
步骤S541、根据投影的条纹经搬运目标表面反射的调制光强设计背景噪声滤波器；
步骤S542、利用背景噪声滤波器过滤三维立体点云中受条纹影响小的像素点和噪声点得到物体云点。
进一步，步骤S550具体为：从物体点云中提取各点的空间坐标，并对搬运物体的最高点的高度数据和最低点的高度数据进行求差，得到搬运物体的高度，进而得到z轴坐标。
通过步骤S500，利用条纹投影测量技术能快速测量得到准确的搬运目标的z轴坐标，有利于搬运的精准化。
参照图3，进一步，所述机械臂5为六自由度机械臂，包括第一臂杆51、第二臂杆52和第三臂杆53；
步骤S600具体包括以下步骤：
步骤S610、设定原点O为机械臂5与搬运机器人的连接点,第一臂杆51、第二臂杆52和第三臂杆53的长度分别为L1、L2和L3；
步骤S620、计算原点O与搬运目标的连线距离以及原点O与搬运目标的角度
步骤S630、计算第一臂杆51与第二臂杆52所组成的角的平分角以及原点O与第二臂杆52末端的连线和原点O与搬运目标的连线所组成的角度
步骤S640、计算第一臂杆51的旋转角度第二臂杆52的旋转角度和第三臂杆53的旋转角度其中S为角度系数，取值为1或-1。
参照图2，本发明的另一个实施例，提供了一种搬运机器人，包括主框体1、行进机构4、第一摄像头8、第二摄像头6、投影仪7、机械臂5、控制器2和存储器3；所述投影仪7和第二摄像头6位于主框体1的前方，所述行进机构4位于主框体1的底部，所述第一摄像头8通过伸缩杆安装在主框体1的顶端，所述控制器2和存储器3设置在主框体1的内部。所述机械臂5位于主框体1的前方的中心位置，所述机械臂5为六自由度机械臂5，包括第一臂杆51、第二臂杆52和第三臂杆53。所述存储器3与所述控制器2连接且存储有指令；所述行进机构4、第一摄像头8、第二摄像头6、投影仪7和机械臂5分别与所述控制器2连接；所述控制器2执行所述指令以控制所述行进机构4、第一摄像头8、第二摄像头6、投影仪7和机械臂5实施如上所述的应用于搬运机器人的目标搬运方法。
在该实施例中，通过第一摄像头8拍摄俯视图像并通过OpenCV技术获取搬运目标的形状及其X轴坐标和Y轴坐标，同时通过第二摄像头6拍摄搬运目标的条纹图并通过条纹投影测量技术测得搬运目标的Z轴坐标，相互结合得到搬运目标的三维坐标，同时搬运机器人根据三维坐标控制机械臂5抓取搬运目标；能实现自动认知搬运目标的形态特征并据此来抓取搬运目标的目的，具有高度的智能化，能对不同位置的多种搬运目标进行搬运，完成多样化的搬运任务。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种应用于搬运机器人的目标搬运方法，其特征在于，所述搬运机器人包括行进机构、第一摄像头、第二摄像头、投影仪、控制器和机械臂；所述目标搬运方法包括以下步骤：
搬运机器人移动至搬运目标前；
搬运机器人通过第一摄像头从上方拍摄搬运目标获得搬运目标的俯视图像；
搬运机器人通过投影仪投影条纹至搬运目标上，并通过第二摄像头从正面拍摄搬运目标获得波长不同的两种条纹图；
搬运机器人根据俯视图像利用OpenCV技术得到搬运目标的形状和搬运目标的X轴坐标和Y轴坐标；
搬运机器人根据条纹图利用条纹投影测量技术测得搬运目标的Z轴坐标；
搬运机器人根据搬运目标的三维坐标控制机械臂抓取搬运目标。
2.根据权利要求1所述的一种应用于搬运机器人的目标搬运方法，其特征在于，所述搬运机器人根据俯视图像利用OpenCV技术得到搬运目标的形状和搬运目标的X轴坐标和Y轴坐标包括以下步骤：
对俯视图像进行二值化处理，使俯视图像呈现黑色区域和白色区域；
利用最大矩形框标记搬运目标，计算最大矩形框的中心点坐标作为搬运目标的X轴坐标和Y轴坐标；
对俯视图像中的白色区域进行连通区域采集；
对连通区域噪声处理后进行边缘识别，得到搬运目标的形状。
3.根据权利要求1所述的一种应用于搬运机器人的目标搬运方法，其特征在于，所述搬运机器人根据条纹图利用条纹投影测量技术测得搬运目标的Z轴坐标具体为：
对两种条纹图利用六步相移的条纹分析方法处理，得到包裹相位图φ1(y)和φ2(y)；
对包裹相位图利用基于波长选择的双波长条纹相位展开算法进行相位展开，得到相位展开图；
结合标定参数和相位展开图重构三维立体点云；
对三维立体点云进行滤波得到物体点云；
根据物体点云数据计算搬运目标的Z轴坐标。
4.根据权利要求3所述的一种应用于搬运机器人的目标搬运方法，其特征在于，所述对包裹相位图利用基于波长选择的双波长条纹相位展开算法进行相位展开，得到相位展开图包括以下步骤：
建立关于m1(y)、m2(y)和[m2(y)λ2-m1(y)λ1]的关系查找表,其中λ1和λ2分别是投影仪投影至搬运目标上的两种条纹的波长，m1(y)和m2(y)分别是对应两种条纹的条纹阶数；
计算并四舍五入取整得到结果值，在关系查找表中查找[m2(y)λ2-m1(y)λ1]的值与结果值最接近的一行中对应的m1(y)和m2(y)的目标值；
根据绝对相位和包裹相位的关系式
以及m1(y)和m2(y)的目标值进行相位展开，得到相位展开图，其中Φ1(y)和Φ2(y)是绝对相位。
5.根据权利要求3所述的一种应用于搬运机器人的目标搬运方法，其特征在于，所述结合标定参数和相位展开图重构三维立体点云具体为:
根据相位展开图，以此分别建立X轴数字矩阵、Y轴数字矩阵和Z轴数字矩阵；
结合标定参数，实现像素坐标系到世界坐标系的转换，把X轴数字矩阵、Y轴数字矩阵和Z轴数字矩阵分别转换为X轴空间矩阵、Y轴空间矩阵和Z轴空间矩阵；
根据每一个点的关于X轴、Y轴和Z轴的坐标数据，重构出三维立体点云。
6.根据权利要求3所述的一种应用于搬运机器人的目标搬运方法，其特征在于，所述对三维立体点云进行滤波得到物体点云具体为：
根据投影的条纹经搬运目标表面反射的调制光强设计背景噪声滤波器；
利用背景噪声滤波器过滤三维立体点云中受条纹影响小的像素点和噪声点得到物体云点。
7.根据权利要求3所述的一种应用于搬运机器人的目标搬运方法，其特征在于，所述根据物体点云数据计算搬运目标的Z轴坐标具体为：从物体点云中提取各点的空间坐标，并对搬运物体的最高点的高度数据和最低点的高度数据进行求差，得到搬运物体的高度。
8.根据权利要求1所述的一种应用于搬运机器人的目标搬运方法，其特征在于，所述机械臂为六自由度机械臂，包括第一臂杆、第二臂杆和第三臂杆；所述搬运机器人根据搬运目标的三维坐标控制机械臂抓取搬运目标具体为：
设定原点O为机械臂与搬运机器人的连接点,第一臂杆、第二臂杆和第三臂杆的长度分别为L1、L2和L3；
计算原点O与搬运目标的连线距离以及原点O与搬运目标的角度
计算第一臂杆与第二臂杆所组成的角的平分角以及原点O与第二臂杆末端的连线和原点O与搬运目标的连线所组成的角度
计算第一臂杆的旋转角度第二臂杆的旋转角度和第三臂杆的旋转角度其中S为角度系数，取值为1或-1。
9.一种搬运机器人，其特征在于，包括行进机构、第一摄像头、第二摄像头、投影仪、机械臂、控制器和存储器；所述存储器与所述控制器连接且存储有指令；所述行进机构、第一摄像头、第二摄像头、投影仪和机械臂分别与所述控制器连接；所述控制器执行所述指令以控制所述行进机构、第一摄像头、第二摄像头、投影仪和机械臂实施如权利要求1-8任一项所述的应用于搬运机器人的目标搬运方法。
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