CN111300481B - 基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人标定技术领域，涉及一种基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法。本发明使用单相机以及三个距离传感器分别进行工件平面的手眼标定，距离传感器不仅可在空间上对工件深度位置测量，还可测量工件位姿的偏转角度，以便于纠正工件位姿使工件垂直于标定平面，其可针对不同产品以及不同工况的工件位姿进行位姿纠正；通过相机和距离传感器将工件姿态调整到装配位姿，以完成接下来的装配工作，有效避免因安装平面位置误差造成刚性碰撞。

Description

基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法

技术领域

本发明涉及机器人标定技术领域，涉及一种基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法。

背景技术

目前平面九点标定方法已经趋于成熟，三维视觉手眼标定一般需要两个相机相互配合，只能标定固定位置和固定姿态的工件，而且无法纠正抓取后的工件姿态，同时其在标定时机器人只去示教9个点的位置，精度较差，由于机器人对抓取环境以及抓取工件精度要求较高，同时机器人对抓取位置及工件摆放位置也有要求严格，这就使得标定操作繁琐。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可针对不同产品以及不同工况的工件位姿进行位姿纠正，有效避免因安装平面位置误差造成刚性碰撞的基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法。

为了解决上述技术问题，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法，具体步骤包括：

S1：机器人抓取工件并将工件调整为装配位姿，获取工件位于装配姿态时的机器人位置P1，以工件当前的装配姿态作为参考姿态；

S2：采用五点法对位于装配姿态的工件建立工具坐标系；

S3:通过单相机获得机器人位置P2以及工具坐标系下的机器人坐标；三个距离传感器获取机器人的深度信息；

S4：通过机器人坐标以及机器人的深度信息建立工件姿态模型，计算当前工件位姿跟参考姿态的位姿误差，调整当前工件位姿到参考姿态状态，完成机器人抓取位姿纠正。

优选的，步骤S1中，机器人抓取工件前，先对工件进行初定位。

优选的，步骤S2具体为：

调整工件位姿，将工件上的圆中心点对准的标定针的针尖，示教第一个位置，然后再调整工件位姿，再将圆中心点对准的标定针的针尖，示教5个位置坐标的标定，以工件上的圆中心为原点，与标定的的5个位置坐标建立工具坐标系。

优选的，步骤S3具体为：

将机器人移动至机器人位置P1，在工具坐标系下将此时姿态的工件正对相机，获得机器人位置P2，在相机视野范围内移动机器人示教9个点并获取相应像素坐标，通过像素坐标计算转换矩阵得到机器人坐标。

优选的，步骤S4中的工件姿态模型为：

S41：三个激光传感器分别获得工件表面的A、B、C三个点的坐标，A、B、C三个点位于平面1上；

S42：以三个点所在平面1为基准面，从工件侧视方向激光传感器照射到工件表面得到D、E、F三个点的坐标，D、E、F三个点位于平面2上；

S43：通过A、B、C三个点的坐标计算得到工件表面的法向量，通过D、E、F三个点的坐标计算得到垂直于地面的法向量，通过获得的工件表面的法向量与垂直于地面的法向量计算得到工件与与垂直于地面的平面之间的夹角。

优选的，步骤S41中，三个激光传感器呈等边三角形分布，其边长为L，当A点坐标为坐标原点，则A点空间坐标为(0，0，0)，则B点的坐标为(0，L，0)，C点的坐标为(0.5L，

0)。

优选的，步骤S42中，A、B、C三个点的坐标得到D(0，0，x1)，E(L，0,x2),F(0.5L，

x3)。

优选的，步骤S43中，法向量公式为

其中，a＝(y-y)*(z-z)-(y-y)*(z-z)

b＝(z-z)*(x-x)-(z-z)*(x-x)

c＝(x-x)*(y-y)-(x-x)*(y-y)

将工件表面激光照射的三个点代入得到工件表面的法向量各坐标为

则垂直于地面的法向量为

根据二面角公式：

将工件表面法向量和垂直于地面的法向量带入二面角公式：

角度为工件与垂直于地面的平面之间的夹角，即当前工件位姿跟参考姿态的位姿误差。

本发明的有益效果：

本发明使用单相机以及三个距离传感器分别进行工件平面的手眼标定，距离传感器不仅可在空间上对工件深度位置测量，还可测量工件位姿的偏转角度，以便于纠正工件位姿使工件垂直于标定平面，其可针对不同产品以及不同工况的工件位姿进行位姿纠正；通过相机和距离传感器将工件姿态调整到装配位姿，以完成接下来的装配工作，有效避免因安装平面位置误差造成刚性碰撞。

附图说明

图1是本发明的一种基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法结构示意图。

图2是本发明的单相机与距离传感器位置示意图。

图3是本发明的工件圆心示意图。

图4是本发明的距离传感器三个点的位置示意图。

图5是本发明的距离传感器三个点的位置侧视图。

图6是本发明的RZ的旋转角度位置示意图。

图7是本发明的RZ的旋转角度选点示意图。

图8是本发明的工件初定位示意图。

图中标号说明：1、工件；11、机器人位置P2；2、定位架；3、距离传感器；4、相机；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1-8所示，一种基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法，具体步骤包括：

S1：机器人抓取工件并将工件调整为装配位姿，获取工件位于装配姿态时的机器人位置P1，以工件1当前的装配姿态作为参考姿态；

S2：采用五点法对位于装配姿态的工件建立工具坐标系；

S3:通过单相机4获得机器人位置P211以及工具坐标系下的机器人坐标；三个距离传感器3获取机器人的深度信息；

S4：通过机器人坐标以及机器人的深度信息建立工件姿态模型，计算当前工件位姿跟参考姿态的位姿误差(即计算当前位姿的XYC,RXRYRC跟参考姿态位姿的误差)，调整当前工件位姿到参考姿态状态，完成机器人抓取位姿纠正。

本发明使用单相机以及三个距离传感器分别进行工件平面的手眼标定，距离传感器不仅可在空间上对工件深度位置测量，还可测量工件位姿的偏转角度，以便于纠正工件位姿使工件垂直于标定平面，其可针对不同产品以及不同工况的工件位姿进行位姿纠正；通过相机和距离传感器将工件姿态调整到装配位姿，以完成接下来的装配工作，有效避免因安装平面位置误差造成刚性碰撞。

步骤S1中，机器人抓取工件前，先对工件放在定位架2上进行初定位。

步骤S2具体为：

调整工件位姿，将工件上的圆中心点对准的标定针的针尖，示教第一个位置，然后再调整工件位姿，再将圆中心点对准的标定针的针尖，示教5个位置坐标的标定，以工件上的圆中心为原点，与标定的的5个位置坐标建立工具坐标系。

步骤S3具体为：

将机器人移动至机器人位置P1，在工具坐标系下将此时姿态的工件正对相机，并将工件(大臂端部圆盘)圆心调整到相机视野中心，获得机器人位置P2，在相机视野范围内移动机器人示教9个点并获取相应像素坐标，通过像素坐标计算转换矩阵得到机器人坐标。

本发明的通过机器人走3X3的点并记录相应的工具坐标，从而完成九点标定，而不用控制机器人分别走到9个点的位置，以完成九点标定，操作简单，准确性高。

步骤S4中的工件姿态模型为：

S41：三个激光传感器分别获得工件表面的A、B、C三个点的坐标，A、B、C三个点位于平面1上；

S42：以三个点所在平面1为基准面，从工件侧视方向激光传感器照射到工件表面得到D、E、F三个点的坐标，D、E、F三个点位于平面2上；

S43：通过A、B、C三个点的坐标计算得到工件表面的法向量，通过D、E、F三个点的坐标计算得到垂直于地面的法向量，通过获得的工件表面的法向量与垂直于地面的法向量计算得到工件与与垂直于地面的平面之间的夹角。

步骤S41中，三个激光传感器呈等边三角形分布，其边长为L，当A点坐标为坐标原点，则A点空间坐标为(0，0，0)，则B点的坐标为(0，L，0)，C点的坐标为(0.5L，

0)。

步骤S42中，A、B、C三个点的坐标得到D(0，0，x1)，E(L，0,x2),F(0.5L，

x3)。

步骤S43中，法向量公式为

其中，a＝(y-y)*(z-z)-(y-y)*(z-z)

b＝(z-z)*(x-x)-(z-z)*(x-x)

c＝(x-x)*(y-y)-(x-x)*(y-y)

将工件表面激光照射的三个点代入得到工件表面的法向量各坐标为

则垂直于地面的法向量为

根据二面角公式：

将工件表面法向量和垂直于地面的法向量带入二面角公式：

角度为工件与垂直于地面的平面之间的夹角，即当前工件位姿跟参考姿态的位姿误差。

本发明较佳的实施例1

工件安装时，激光测距仪呈等边三角形安装，边长L为103.923mm，激光测距仪测得三个长度分别为x,x,x，坐标方向为工具坐标系，通过公式五可以算出工件平面与RX和RY平面之间的夹角。

将机器人旋转使得RX、RY与初始姿态重合，距离传感器获得深度Z，并将机器人移动到参考Z处；参阅图8，RZ的旋转角度通过视觉计算图中标记圆心附近的两孔圆心所在直线与X轴的夹角Theta算出，具体的，通过相机获取A和B点的坐标，确定直线AB与X轴的夹角为Theta，当与工件配对的基座的初始的角度为90度，即直线AB垂直X轴，那么RZ的旋转角度为90-Theta即可得出。

然后与参考位置的角度对比，计算出差值，并将机器人旋转到参考位置。

圆心XY的偏转通过视觉获取像素坐标，并将像素坐标转换成在工具坐标系下的机器人坐标，然后计算与参考位置的偏差值，控制机器人移动到参考位置的XY处，完成工件(大臂)圆心处6个方向的位姿纠正，其可有效避免了自动装配时产生的干涉问题。

所述激光测距仪为距离传感器。

本发明使用单相机以及三个距离传感器分别进行平面XY手眼标定，距离传感器不仅可在空间上对Z轴深度的测量，还可测量RX、RY的偏转角度，以便于纠正工件位姿使工件垂直于标定平面，其可针对不同产品以及不同工况的工件位姿进行位姿纠正；通过相机和距离传感器将工件姿态调整到装配位姿，以完成接下来的装配工作，有效避免因安装平面位置误差造成刚性碰撞。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法，其特征在于，具体步骤包括：

S1：机器人抓取工件并将工件调整为装配位姿，获取工件位于装配姿态时的机器人位置P1，以工件当前的装配姿态作为参考姿态；

S2：采用五点法对位于装配姿态的工件建立工具坐标系；

S3:通过单相机获得机器人位置P2以及工具坐标系下的机器人坐标；三个距离传感器获取机器人的深度信息；

S4：通过机器人坐标以及机器人的深度信息建立工件姿态模型，计算当前工件位姿跟参考姿态的位姿误差，调整当前工件位姿到参考姿态状态，完成机器人抓取位姿纠正，其中步骤S4中的工件姿态模型为：S41：三个激光传感器分别获得工件表面的A、B、C三个点的坐标，A、B、C三个点位于平面1上；S42：以三个点所在平面1为基准面，从工件侧视方向激光传感器照射到工件表面得到D、E、F三个点的坐标，D、E、F三个点位于平面2上；S43：通过A、B、C三个点的坐标计算得到工件表面的法向量，通过D、E、F三个点的坐标计算得到垂直于地面的法向量，通过获得的工件表面的法向量与垂直于地面的法向量计算得到工件与与垂直于地面的平面之间的夹角。

2.如权利要求1所述的基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法，其特征在于，步骤S1中，机器人抓取工件前，先对工件进行初定位。

3.如权利要求1所述的基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法，其特征在于，步骤S2具体为：

调整工件位姿，将工件上的圆中心点对准的标定针的针尖，示教第一个位置，然后再调整工件位姿，再将圆中心点对准的标定针的针尖，示教5个位置坐标的标定，以工件上的圆中心为原点，与标定的的5个位置坐标建立工具坐标系。

4.如权利要求1所述的基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法，其特征在于，步骤S3具体为：

将机器人移动至机器人位置P1，在工具坐标系下将此时姿态的工件正对相机，获得机器人位置P2，在相机视野范围内移动机器人示教9个点并获取相应像素坐标，通过像素坐标计算转换矩阵得到机器人坐标。

5.如权利要求1所述的基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法，其特征在于，步骤S41中，三个激光传感器呈等边三角形分布，其边长为L，当A点坐标为坐标原点，则A点空间坐标为(0，0，0)，则B点的坐标为(0，L，0)，C点的坐标为

6.如权利要求5所述的基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法，其特征在于，步骤S42中，A、B、C三个点的坐标得到D(0，0，x1)，E(L，0,x2),

7.如权利要求6所述的基于视觉及激光传感器的机器人抓取位姿纠正方法，其特征在于，步骤S43中，法向量公式为

其中，a＝(y2-y1)*(z3-z1)-(y3-y1)*(z2-z1)

b＝(z2-z1)*(x3-x1)-(z3-z1)*(x2-x1)

c＝(x2-x1)*(y3-y1)-(x3-x1)*(y2-y1)

将工件表面激光照射的三个点代入得到工件表面的法向量各坐标为

则垂直于地面的法向量为

根据二面角公式：

将工件表面法向量和垂直于地面的法向量带入二面角公式：

角度θ为工件与垂直于地面的平面之间的夹角，即当前工件位姿跟参考姿态的位姿误差。

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