一种基于视觉识别的工业机器人示教装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器视觉技术领域，尤其涉及基于视觉识别的工业机械人示教装置及 方法。
【背景技术】
[0002] 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。工业机器人可以接受人类 指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定 的原则纲领行动。
[0003] 机器人技术是一项综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能等 多学科的高新技术，是当代研究十分活跃且应用日益广泛的领域，并逐渐成为一个国家工 业自动化水平的重要标志。机器视觉是工业机器人领域的关键技术之一，是提高机器人智 能水平的关键。
[0004] 工业机器人作为一种对生产条件和生产环境适应性和灵活性很强的自动化设备， 其在机械制造、零件加工和装配以及运输等领域有着广泛应用。工业机器人对稳定提高产 品品质、提高生产效率和改善劳动条件起着十分重要的作用。机器视觉作为工业机器人获 得环境信息的主要手段之一，它可以增加机器人的自主能力，提高机器人的灵活性。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例的目的在于提供基于视觉识别的工业机器人示教装置及方法，为工 业机器人提供对工件的自动定位及运动路径规划示教等。
[0006] 本发明提供一种基于视觉识别的工业机器人示教装置，其特征在于：其包括：工 业机械人的机械手，其端部设有对待测工件工作的机械手末端；大视场相机，拍照视场覆 盖机械手的整个有效工作范围；小视场相机，固定在机械手的末端，随机械手的手臂一起移 动；以及机械手示教器，接收大视场相机和小视场相机拍摄的图像并预处理相机拍照传来 的图像，机械手示教器内设有图像分析软件。
[0007] 本发明还提供一种基于视觉识别的工业机器人示教方法，包括如下步骤：
[0008] 第一步：对机械手坐标系及大、小视场相机坐标系进行标定，将所有坐标系统一到 同一个坐标系；
[0009] 第二步：大视场相机对机械手工作场景进行拍照，同时大视场相机拍摄的图像对 机械手的点位运动路径进行粗定位，机械手示教器的图像分析软件识别出被测工件的轮廓 尺寸等信息，通过图像分析软件设定机械手移动的点位路径；
[0010] 第三步：机械手运动到粗定位点后，由小视场相机对粗定位点位置进行拍照，寻找 被测工件的特征信息，移动机械手至小视场相机的图像中心点与被测工件的特征区域中心 点重合，该点即为机械手在该处精确的点位信息。
[0011] 其中，所述第二步还包括：图像分析软件还需判断机械手的点位移动过程中是否 有障碍物，如有障碍物，需进行壁障，即根据障碍物的位置与形状，对机械手的点位运动路 径进行规划。
[0012] 其中，所述第一步的具体方法为：选择一标定板置于机械手的工作区域，标定板作 为待测工件，大视场相机能对整块标定板成像，以标定板的中心点为坐标原点，建立一个直 角坐标系，此坐标系即为机械手点位运动的坐标系，机械手坐标系和大小视场相机坐标都 要以此坐标系为基准。
[0013] 其中，所述第二步的具体方法为：根据机械手在标定板上的点位运动坐标系，建立 从大视场相机坐标系转换到机械手点位运动坐标系的旋转矩阵；然后统一机械手坐标系与 机械手的点位运动坐标系。
[0014] 其中，所述机械手的点位运动路径的规划过程为：大视场相机对标定板成像，由图 像处理软件对大视场相机拍摄的图像进行处理，求出标定板的轮廓特征，再在示教器上选 择机械手的点位信息，并通过坐标旋转矩阵将图像坐标转换为机械点位运动坐标系坐标。
[0015] 其中，标记板采用棋盘格、或者有规则格子的板都可以作为标定板。
[0016] 其中，大视场相机的图像坐标转换为机械手点位运动坐标包括如下过程：
[0017] B1 :大视场相机坐标到机械手点位运动坐标的坐标转换矩阵，通过此转换矩阵将 大视场相机的图像坐标转换为机械手点位运动坐标；
[0018] B2 :统一机械手1的坐标系与机械手1的点位运动坐标系，保证两坐标系平行。
[0019] 其中，所述步骤B1的具体方法为：首先，由图像处理软件对大视场相机拍摄的标 记板图像进行处理，求标记板所有格点在图像中的像素坐标；然后，建立一个大视场相机坐 标到机械手点位运动坐标的坐标转换矩阵，通过此转换矩阵，可将大视场相机的图像坐标 转换为机械手点位运动坐标。
[0020] 其中，大视场相机的图像坐标转换为机械手点位运动坐标的过程为：设定X坐标 为标定板平行于水平面的坐标，y坐标为垂直于X坐标，xy坐标系为机械手点位运动坐标 系，X坐标与y坐标的交叉点为0点，即：标定板的中心点，此点将作为机械手的点位运动 坐标系的原点；在坐标系中选择三点：pl、P2、p3为人工在示教器上选定的三个点，假设 点pi、p2、p3在图像上的像素坐标已知，假设为（plr, pic)，（p2r, p2c)，（p3r, p3c)，根据 建立的机械手点位运动坐标系：设定点pl、p2、p3在机械手点位运动坐标系中的坐标分别 为（-2,3)、（3,1)、（2,-2)，建立一个像素点坐标换算至机械手点为运动坐标的换算矩阵=
[0022] 计算出换算矩阵的各个值后，就可根据旋转矩阵将图像上的各个点转换为机械手 点位运动坐标系中的坐标。
[0023] 其中，所述选择的三点pl、p2、p3为棋盘格中某个小方格的顶点。
[0024] 其中，所述步骤B2的具体方法为：用大视场相机对标记的两标记点成像，求出该 两标记点在图像上的坐标并换算至机械手的点位运动坐标系，计算这两点在机械手点位运 动坐标中的距离以及与水平方向的夹角。
[0025] 其中，所述步骤B2所述的方法，多次调整或旋转机械手至两点在机械手点位运动 坐标系中的距离和方向与机械手坐标系的一致。
[0026] 其中，假定机械手坐标系控制机械手沿其X轴正方向从位置S1处移动到位置S2 处，并在各位置处标记之，大视场相机对标记点拍照，求出标记点中心点的图像坐标，假设 SI = (Sir, Sic), S2 = (S2r, S2c)，机械手1的点位运动坐标系的坐标为S1*H换算矩阵，S2* 换算矩阵，机械手的点位运动坐标系中线段Sl、S2与X轴正方向夹角即为机械手坐标系与 机械手点位运动坐标系统一需要调整的角度。
[0027] 其中，所述第三步包括如下步骤：
[0028] C1 :运动机械手末端至其工作位置，小视场相机对标定板成像，计算小视场标定板 图像中一个格子的实际长度S与其像素长度的比例即可以得到小视场相机的标定系数C:
[0030] C2 :大视场相机对机械手工作范围内的待测工件成像，待测工件或待测工件及其 障碍物的外形轮廓，粗略选定机械手运动的各个点位的像素坐标，并通过第一步所述方法， 将各个点位的像素坐标转换为机械手点位运动坐标。
[0031] C3 :驱动机械手按该路径运动，机械手运动至各粗略定位点之后，由小视场相机对 当前环境进行成像，计算小视场相机中心点与机械手的末端工作点的像素距离，根据C1步 骤所得标定结果将像素距离换算成长度距离，并驱动机械手移动小视场相机中心与机械手 的末端工作点重合，小视场相机中心点与机械手的末端工作点的重合点加上小视场相机中 心点与机械手末端的固定偏移量即为机械手在该处的精确点位信息。
[0032] 本发明中所采取的技术方案是双相机对机器人的运动路径进行规划：由大视场相 机进行运动路径的粗略定位和总体规划，由小视场相机对每个粗略定位点进行精确定位。 通过本发明可对黏连在工件上的障碍物进行规避，大大提高了机器人的智能水平，本发明 能很好的适用于生产线零件的加工、工件的抓取等。
【附图说明】
[0033] 图1所示为本发明基于视觉识别的工业机器人示教装置的结构示意图；
[0034] 图2所示为大视场相机坐标系标定示意图；
[0035] 图3所示机械手坐标系与机械手点位运动坐标系的统一示意图；
[0036] 图4所示为图3机械手坐标系与机械手点位运动坐标系在坐标系中的示意图。
【具体实施方式】
[0037] 为了使本发明的目的、技术方案更清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进 行进一步的详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技 术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和 替换，都应该视为属于本发明的保护范围。
[0038] 机器人技术是一项综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能等 多学科的高新技术，是当代研究十分活跃且应用日益