徐昌源 全燕鳴 郭清達(dá)

摘 要：由于工件表面油污、光照等因素干擾導(dǎo)致工件圖像提取的特征點(diǎn)偏離實(shí)際位置，對工業(yè)機(jī)器人的抓取定位帶來較大誤差。該文以視覺引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人抓取氣缸蓋為應(yīng)用對象，對雙目視覺高準(zhǔn)確度位姿測量技術(shù)進(jìn)行分析。首先探討特定條件下的雙目視覺定位引導(dǎo)機(jī)器人技術(shù)以及粗差點(diǎn)產(chǎn)生原因與解決方法情況；其次介紹視覺系統(tǒng)視覺坐標(biāo)系和目標(biāo)坐標(biāo)系，然后在位姿測量數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)最小二乘法的準(zhǔn)確計(jì)算方法，并搭建雙目視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人抓取氣缸蓋系統(tǒng)進(jìn)行測試分析。測試表明：改進(jìn)最小二乘法的位姿計(jì)算方法可實(shí)現(xiàn)雙目視覺對目標(biāo)物的全自由度位姿測量，滿足工業(yè)機(jī)器人高準(zhǔn)確度抓取操作。

關(guān)鍵詞：改進(jìn)最小二乘法；雙目視覺；位姿測量；工業(yè)機(jī)器人；氣缸蓋抓取

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2016）09-0027-04

0 引 言

目前，特定條件下的工業(yè)機(jī)器人雙目視覺定位引導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)得到了一定研究與應(yīng)用。這些研究與應(yīng)用往往將作業(yè)目標(biāo)簡化成一個(gè)點(diǎn)，然后使用雙目視覺對點(diǎn)進(jìn)行定位；或者對于一些特定形狀的目標(biāo)（比如長方體、圓柱體），利用目標(biāo)的特征點(diǎn)和幾何特征獲得目標(biāo)的空間坐標(biāo)[1-2]。這些應(yīng)用場合的操作對象比較理想，往往不需要末端執(zhí)行器高精度定位，或者不需要機(jī)器人6個(gè)自由度操作[3]。

機(jī)器人末端執(zhí)行器抓取指定工件時(shí)，需要工件多個(gè)不共線特征點(diǎn)來建立工件坐標(biāo)系。工件圖像特征點(diǎn)的正確匹配，是求解工件坐標(biāo)系相對世界坐標(biāo)系位姿的關(guān)鍵，然而工件表面由于受油污、環(huán)境光等因素干擾導(dǎo)致圖像提取的特征點(diǎn)往往偏離實(shí)際位置[4-6]。在求解過程中，經(jīng)典最小二乘法對粗差點(diǎn)影響時(shí)獲得求解矩陣偏離真實(shí)結(jié)果。目前去除粗差點(diǎn)解決方法是，在半自動(dòng)化測量場合由人工剔除粗差點(diǎn)，或者采用RANSAC方法用部分點(diǎn)求解并用剩余點(diǎn)檢驗(yàn)[7-8]。

本文采用剔除粗大誤差來提高最小二乘法求解精度的思想，在雙目視覺位姿計(jì)算的數(shù)學(xué)模型上，探討一種基于改進(jìn)最小二乘法的雙目視覺位姿測量技術(shù)，并將其應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人抓取氣缸蓋工業(yè)現(xiàn)場，使其測量精度和可靠性達(dá)到工業(yè)級應(yīng)用的要求。

1 位姿計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

1.1 視覺系統(tǒng)的世界坐標(biāo)系

在攝像機(jī)標(biāo)定過程中，通過標(biāo)定板上的特殊幾何形狀為攝像機(jī)指定一個(gè)世界坐標(biāo)系，如圖1所示。兩臺(tái)攝像機(jī)首先在各自方位同步拍攝一次標(biāo)定板的圖像，然后移動(dòng)標(biāo)定板獲得其不同方位的多組圖像用于標(biāo)定各攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)。其中根據(jù)第1組兩幅圖像所得到的外參數(shù)確定兩個(gè)攝像機(jī)的世界坐標(biāo)系。兩個(gè)攝像機(jī)互相重合的世界坐標(biāo)系作為雙目視覺系統(tǒng)的世界坐標(biāo)系。

1.2 目標(biāo)坐標(biāo)系

目標(biāo)坐標(biāo)系是指1個(gè)固定在目標(biāo)物上的坐標(biāo)系，通過特征點(diǎn)提取來獲得目標(biāo)上3個(gè)不共線的點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即可建立1個(gè)與雙目視覺系統(tǒng)世界坐標(biāo)系XYZ完全重合的目標(biāo)坐標(biāo)系noa，如圖2所示。此時(shí)目標(biāo)物各個(gè)特征點(diǎn)在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)與其在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)相同。

1.3 位姿計(jì)算

建立目標(biāo)坐標(biāo)系后，將圖2中目標(biāo)物移置在雙目視覺系統(tǒng)中隨機(jī)的新位姿，目標(biāo)坐標(biāo)系noa與視覺系統(tǒng)視覺坐標(biāo)系XYZ不再重合，如圖3所示。坐標(biāo)系noa在坐標(biāo)系XYZ中的方位將被用來表示目標(biāo)物的位姿，求解目標(biāo)物位姿就是計(jì)算這兩個(gè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

設(shè)有坐標(biāo)系A(chǔ)表示目標(biāo)坐標(biāo)系，坐標(biāo)系B表示世界坐標(biāo)系。點(diǎn)集{P1，P2，…，Pn}在坐標(biāo)系A(chǔ)下的坐標(biāo)值是{P1A，P2A，…，PnA}，在坐標(biāo)系B下的坐標(biāo)值是{P1B，P2B，…，PnB}。BAP為目標(biāo)坐標(biāo)系在視覺系統(tǒng)的世界坐標(biāo)系中的位姿，BAR為旋轉(zhuǎn)矩陣，BAT為位移向量，有：

4 結(jié)束語

本文采用雙目視覺位姿計(jì)算方法可以實(shí)現(xiàn)對工件上的目標(biāo)坐標(biāo)系全自由測量，應(yīng)用改進(jìn)最小二乘法可有效地抵抗粗大誤差干擾，剔除誤差點(diǎn)，得到精度較高的位姿測量結(jié)果，對目標(biāo)工件圖像特征點(diǎn)有了相當(dāng)大的容錯(cuò)性。將獲得的位姿計(jì)算結(jié)果發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人控制器，末端機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的位姿抓取氣缸蓋。測試表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可滿足工業(yè)級應(yīng)用的準(zhǔn)確度與要求。

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（編輯：李妮）