CN208246822U - 一种3d视觉定位机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种3D视觉定位机器人。该机器人包括：机器人本体，所述机器人本体的末端设置有用于检测目标物状态的3D视觉定位引导部件，所述3D定位引导部件与控制器电性连接，所述控制器与所述机器人本体的驱动部件连接，所述控制器接收所述3D定位引导部件输出的目标物3D状态信息，向所述驱动部件输出用于控制所述机器人本体的状态的控制信号。

Description

一种3D视觉定位机器人

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，尤其涉及一种3D视觉定位机器人。

背景技术

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行。

工业机器人由主体(也称本体)、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度(运动自由度也称轴)，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

工业机器人可以用于对目标物进行操作，比如抓取目标物，这就要求工业机器人首先对目标物进行精准定位，以便调整自己的姿态，从而对目标物进行操作。因此，如何对目标物进行精准定位，是目前亟需解决的技术问题。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种3D视觉定位机器人，用以对目标物进行精准定位。

本申请实施例提供的一种3D视觉定位机器人，包括：机器人本体，所述机器人本体的末端设置有用于检测目标物状态的3D视觉定位引导部件，所述3D定位引导部件与控制器电性连接，所述控制器与所述机器人本体的驱动部件连接，所述控制器接收所述3D定位引导部件输出的目标物3D状态信息，向所述驱动部件输出用于控制所述机器人本体的状态的控制信号。

上述实施例中，机器人本体的末端设置有用于检测目标物状态的3D视觉定位引导部件，该3D定位引导部件与控制器电性连接，控制器与机器人本体的驱动部件连接，控制器接收3D定位引导部件输出的目标物3D状态信息，向所述驱动部件输出用于控制所述机器人本体的状态的控制信号，从而通过3D定位引导部件检测到的目标物3D状态信息，实现对目标物的精准定位，并进而对机器人的状态进行控制。

可选地，所述3D视觉引导部件包括：电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)相机和位移传感器组，所述位移传感器组中至少包括第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器，所述第一位移传感器、所述第二位移传感器和所述第三位移传感器所在位置的连线构成三角形。

上述实施例中，通过CCD相机，以及按照上述位置关系设置的位移传感器，可以检测得到目标物的3D状态信息。

可选地，所述机器人本地的末端设置有基座，所述基座上设置有L型支撑件，所述第一位移传感器、所述第二位移传感器和所述第三位移传感器分别安装在所述L型支撑件的第一支撑臂、第二支撑臂，以及所述第一支撑臂和所述第二支撑臂的连接部位。

上述实施例中，通过上述结构的L型支撑件来支撑3个位移传感器，可以使得这3个位移传感器所在位置的连线构成直角三角形，进而可以便于检测得到目标物的3D状态。

可选地，所述第一支撑臂上设置有滑轨，所述第一位移传感器设置于所述滑轨上，并通过紧固装置固定在所述滑轨上。

可选地，所述第二支撑臂上设置有滑轨，所述第二位移传感器设置于所述滑轨上，并通过紧固装置固定在所述滑轨上。

通过上述实施例，可以根据目标物的大小，灵活调整位移传感器之间的间距，以保证能够测量目标物的3D状态。

可选地，所述第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器均为激光位移传感器。

可选地，所述机器人为具有六个运动自由度的工业机器人。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种3D视觉定位机器人的结构示意图；

图2为本申请实施例中机器人本体的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种3D视觉定位部件的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的流程示意图；

图5为本申请实施例中计算目标物3D状态的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

参见图1，为本申请实施例提供的3D视觉定位机器人的结构示意图。

如图所示，机器人100可以包括：机器人本体10和控制器20。

机器人本体10即为机器人100的主体结构。本申请实施例中，机器人100可以是具有6个运动自由度的机器人(即六轴工业机器人)。图2中示意出了六轴的位置：第一轴axis1、第二轴axis2、第三轴axis3、第四轴axis4、第五周axis5、第六轴axis6。本申请实施例中的机器人也可以是其他结构的机器人，比如四轴工业机器人。本申请实施例对机器人100的结构不作限制。以下实施例中，在不特别声明的情况下，以六轴工业机器人为例进行描述。

以六轴工业机器人为例，如图2所示，机器人100的机器人本体10可以包括：手部11、腕部12、臂部13、机身14等部件。

手部11又称为末端执行器或夹持器，是工业机器人对目标直接进行操作的部分。在手部还可以安装专用的工具，比如焊枪、喷枪、电钻、电动螺钉(母)拧紧器等。

腕部12是连接手部11和臂部13的部分，主要功能是调整手部11的姿态和方位。

臂部13用以连接机身14和腕部12，是支撑腕部12和手部11的部件，由动力关节和连杆组成。用以承受工件或工具的负荷，改变工件或工具的空间位置，并将它们送至预定位置。

机身14是机器人100的支撑部分，有固定式和移动式两种。

其中，手部11或腕部12可以称为机器人本体的末端。

机器人本体10的每个关节(即每个运动自由度)安置驱动部件，构成机器人100的驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。

控制器20与机器人本体10中的各关节的驱动部件电性连接，可以向这些驱动部件发送控制信号，以驱动各关节运动，从而控制机器人100的状态，比如控制其运动到指定姿态，或者完成指定操作或者控制其移动。

控制器20可以是可编程逻辑控制器，或者其他能够实现相同逻辑控制并能够输出控制信号的装置。

本申请实施例中，如图1所示，机器人本体10的末端设置有用于检测目标物状态的3D视觉定位引导部件30，3D定位引导部件30与控制器20电性连接，控制器20接收3D定位引导部件30输出的目标物3D状态信息，向机器人本体10的驱动部件输出用于控制机器人本体10的状态的控制信号。进一步地，控制器20还可以向3D视觉定位引导部件30发送控制信号，以控制3D视觉定位引导部件30执行测量。

可选地，3D定位引导部件30可以包括CCD相机和位移传感器组。CCD相机是一种半导体器件，能够把光学影像转化为电信号。所述位移传感器组中可以包括多个位移传感器，可选地，可以至少包括3个位移传感器，以检测目标物的3个空间维度状态，比如在X轴、Y轴和Z轴上的长度和角度。

可选地，所述位移传感器可以是激光位移传感器。激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器能够精确非接触测量目标物的位置、位移等变化。比如，可以进行位移、厚度、振动、距离、直径等精密的几何测量。

以所述位移传感器组中包括3个激光位移传感器为例，这3个激光位移传感器所在位置的连线构成三角形，这3个激光位移传感器发射的激光可以照射到目标物，并被目标物反射，以便于根据目标物反射回的激光光束与发射光束的偏移量，测量得到目标物的空间状态。可选地，这3个激光位移传感器所在位置的连线可以构成直角三角形，以方便根据测量参数计算目标物的空间状态(比如倾斜角等)。

参见图3，为本实用新型实施例提供的一种3D定位引导部件的结构示意图。如图所示，3D视觉引导部件30包括：CCD相机31和第一位移传感器32、第二位移传感器34和第三位移传感器33。第一位移传感器32、第二位移传感器34和第三位移传感器33所在位置的连线构成直角三角形。

为了使第一位移传感器32、第二位移传感器34和第三位移传感器33所在位置的联系构成直角三角形，可以将这3个位移传感器设置在L型支撑件上，如图3所示。

通过第一位移传感器32、第二位移传感器34和第三位移传感器33，可以检测得到与目标物的距离以及与目标物在Z轴上的相对倾斜角度，从而通过调整机器人本体的状态(姿态)，调整机器人与目标物的距离以及相对倾斜角度；通过CCD相机拍摄到的2D图像可以测量得到机器人与目标物在X轴和Y轴所在平面内，相对于目标位置(比如目标物的中心点)的偏移量，从而通过调整机器人本体的状态(比如该平面内对机器人手部进行平移)，调整机器人手部到该目标位置。可以看出，通过3D视觉引导部件30可以检测得到目标物的3D状态，即得到目标物的精准定位，从而可以据此来调整机器人的状态，以便对目标物进行操作。

在机器人本体末端(比如手部11)上可以设置有基座40，基座40上设置有L型支撑件41。L型支撑件41中包括第一支撑臂41-a和第二支撑臂41-b，两者垂直设置。第一位移传感器32、第二位移传感器34和第三位移传感器33分别安装在L型支撑件41的第一支撑臂41-a、第二支撑臂41-b以及第一支撑臂41-a和第二支撑臂41-b的连接部位。

本申请实施例中，可以根据目标物的尺寸设置第一位移传感器32、第二位移传感器34和第三位移传感器33之间的间距。为了保证能够测量到目标物的3D状态，通常情况下，第一位移传感器32与第三位移传感器33之间的间距小于目标物的宽度，第二位移传感器和第三位移传感器之间的间距小于目标物的长度。

考虑到不同目标物的尺寸可能不同，为了使3D定位引导部件30能够对不同尺寸的目标物进行状态测量，本申请实施例中，位移传感器的位置可以灵活调整。

可选地，在一种实现方式中，第一支撑臂41-a上设置有滑轨(未在图中示出)，第一位移传感器32设置于该滑轨上，并通过紧固装置(未在图中示出)固定在该滑轨上。可选地，所述紧固装置可采用锁扣方式紧固或采用螺钉方式紧固或采用其他紧固方式，本申请对此不作限制。

可选地，在另一种实现方式中，第二支撑臂41-b上设置有滑轨(未在图中示出)，第二位移传感器34设置于该滑轨上，并通过紧固装置(未在图中示出)固定在该滑轨上。可选地，所述紧固装置可采用锁扣方式紧固或采用螺钉方式紧固或采用其他紧固方式，本申请对此不作限制。

可选地，在另一种实现方式中，第一支撑臂41-a上设置有滑轨，第一位移传感器32设置于该滑轨上，并通过紧固装置固定在该滑轨上。并且，第二支撑臂41-b上设置有滑轨，第二位移传感器34设置于该滑轨上，并通过紧固装置固定在该滑轨上。

本申请实施例中，机器人本体10的末端(比如手部11)还可以安装其他工具，比如焊枪、喷枪、电钻、电动螺钉(母)拧紧器等，以便对目标物进行相应的操作。

通过以上描述可以看出，本申请的上述实施例中，机器人本体的末端设置有用于检测目标物状态的3D视觉定位引导部件，该3D定位引导部件与控制器电性连接，控制器与机器人本体的驱动部件连接，控制器接收3D定位引导部件输出的目标物3D状态信息，向所述驱动部件输出用于控制所述机器人本体的状态的控制信号，从而通过3D定位引导部件检测到的目标物3D状态信息，实现对目标物的精准定位，并进而对机器人的状态进行控制。

下面以目标物是液晶屏幕为例，对目标物(即液晶屏幕)的3D定位以及据此控制机器人状态的过程进行说明。

本实施例中，液晶屏幕在工作台就位后，控制器控制机器人到等待状态。之后，控制器控制3D定位引导部件对工作台上的液晶屏幕的状态进行测量。

其中，3D定位引导部件中的CCD相机拍摄得到高分辨率二维图像，通过特征识别和提取，获得液晶屏幕的二维参数(X坐标，Y坐标以及旋转角度Rz)。3D定位引导部件中的激光位移传感器在第三个方向上进行测量，得到液晶屏幕的状态参数(Z轴坐标，旋转角Rx，旋转角Ry)。

3D定位引导部件将测量到的参数输出给控制器，控制器输出控制信号给机器人的驱动系统以控制机器人本体移动或调整姿态，完成机器人引导定位，以使得固定于机器人上CCD相机的光轴垂直于该液晶屏幕表面，且通过该液晶屏幕的中心点。

参见图4，为本申请实施例提供的一种定位流程示意图。以下流程以液晶屏幕作为目标物，以及位移传感器为激光位移传感器为例进行描述。

当将液晶屏幕放置于工作台后，可执行以下操作：

S401：控制器向位移传感器组中的激光位移传感器发送控制信号，以指示激光位移传感器对目标物进行测量。

S402：各激光位移传感器对液晶屏幕进行测量，得到该液晶屏幕在Z轴的状态参数(Z轴坐标)，并将测量到的状态参数输出给控制器。

该步骤中，可以利用激光位移传感器的测距原理进行测量。比如，激光位移传感器可以根据目标物反射回的激光光束的位置与出射位置之间的偏移量，确定目标物的Z轴上的相关状态参数。

S403：控制器根据各激光位移传感器测量得到的Z轴坐标，计算得到液晶屏幕的倾斜角度Rx和Ry。

其中，图5示出了倾斜角度Rx和Ry的计算原理。如图5所示，Rx和Ry中的一个倾斜角用θ表示，

S404：控制器根据S403计算得到的倾斜角度Rx和Ry生成控制信号，并向机器人本体10中的驱动部件发送所述控制信号，以引导机器人本体10调整姿态，从而校正CCD相机的光轴与液晶屏幕之间的夹角。

S405：控制器向CCD相机发送控制信号，以指示CCD相机对液晶屏幕进行拍照。

S406：CCD相机对液晶屏幕进行拍照，通过特征识别和提取，获得该液晶屏幕的中心点坐标，并将拍摄得到的二维图像以及中心点坐标输出给控制器。

S407：控制器根据二维图像以及中心点坐标，确定该液晶屏幕的倾斜角度Rz，以及与中心点位置的偏移量，根据这些参数生成控制信号，并向机器人本体10中的驱动部件发送所述控制信号，以引导机器人本体10调整姿态，使得CCD相机的光轴穿过该中心点。

S408：控制器向位移传感器组中的激光位移传感器发送控制信息，指示激光位移传感器进行测量。

S409：激光位移传感器对液晶屏幕进行测量，得到与该液晶屏幕之间的距离，并将测量到的状态参数输出给控制器。

S410：控制器根据测量到的与液晶屏幕之间的距离以及目标要求确定补偿参数，根据该补偿参数向机器人本体中的驱动部件发送控制信号，以对该距离进行补偿。

至此可以完成机器人的3D定位流程。

进一步地，如果目标物倾斜角过大，导致激光位移传感器可能无法照射到目标物，此时，该激光位移传感器返回的状态参数为零。控制器根据该激光位移传感器的返回数值以及其他激光位移传感器返回的测量值，发送控制信号给机器人的驱动系统，以控制机器人本体旋转预设的角度，同时可以升高(或降低)3D定位引导部件。机器人本体旋转预设角度后，3D定位引导部件升高(或下降)的距离的计算公式为：Y＝kX+b，其中，X为旋转角度，Y为上升(或下降)的数值，k为系数，b为常量，k和b可以根据现场的实测数据确定。该过程可能进行多次，直到所有激光位移传感器返回的测量值正常为止。

通过以上流程可以看出，目标物在工作台上就位后，通过CCD相机和激光位移传感器组成的3D定位引导部件，可以对目标物进行三维空间状态的测量，对目标物的空间位置进行识别和自动提取，快速准确的找到并确认目标物的位置。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种3D视觉定位机器人，包括：机器人本体，其特征在于，所述机器人本体的末端设置有用于检测目标物状态的3D视觉定位引导部件，所述3D定位引导部件与控制器电性连接，所述控制器与所述机器人本体的驱动部件连接，所述控制器接收所述3D定位引导部件输出的目标物3D状态信息，向所述驱动部件输出用于控制所述机器人本体的状态的控制信号。

2.如权利要求1所述的3D视觉定位机器人，其特征在于，所述3D视觉引导部件包括：电荷耦合元件CCD相机和位移传感器组，所述位移传感器组中至少包括第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器，所述第一位移传感器、所述第二位移传感器和所述第三位移传感器所在位置的连线构成三角形。

3.如权利要求2所述的3D视觉定位机器人，其特征在于，所述机器人本地的末端设置有基座，所述基座上设置有L型支撑件，所述第一位移传感器、所述第二位移传感器和所述第三位移传感器分别安装在所述L型支撑件的第一支撑臂、第二支撑臂，以及所述第一支撑臂和所述第二支撑臂的连接部位。

4.如权利要求3所述的3D视觉定位机器人，其特征在于，所述第一支撑臂上设置有滑轨，所述第一位移传感器设置于所述滑轨上，并通过紧固装置固定在所述滑轨上。

5.如权利要求3所述的3D视觉定位机器人，其特征在于，所述第二支撑臂上设置有滑轨，所述第二位移传感器设置于所述滑轨上，并通过紧固装置固定在所述滑轨上。

6.如权利要求2所述的3D视觉定位机器人，其特征在于，所述第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器均为激光位移传感器。

7.如权利要求1至6中任一项所述的3D视觉定位机器人，其特征在于，所述机器人为具有六个运动自由度的工业机器人。