周春

摘 要：研究提出了基于線結(jié)構(gòu)光視覺引導下的工業(yè)機器人定位系統(tǒng)，其視覺傳感器選擇的是線結(jié)構(gòu)光自掃描測量裝置，在振鏡轉(zhuǎn)動作用下完成激光平面對目標對象的掃描，進而得到目標對象處于相機坐標系下的三維位姿。然后采用機器人手眼關(guān)系聯(lián)合工具坐標系標定法，對隨機位姿目標對象進行工業(yè)機器人三維定位，結(jié)果證實該系統(tǒng)定位精度高、靈活性強，穩(wěn)定性高，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場需求。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)光視覺；工業(yè)機器人；定位系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.053

1 系統(tǒng)標定

1.1 線結(jié)構(gòu)光自動掃描裝置參數(shù)設(shè)定

線結(jié)構(gòu)光裝置參數(shù)如圖1所示。先要對相機內(nèi)的參數(shù)進行標定，然后拍攝二維棋盤靶標圖像，其主要反映的是在工作范圍內(nèi)不同的位姿，結(jié)合張正友攝像機標定算法合理設(shè)置相機內(nèi)參數(shù)，用f表示相機焦距，主點坐標為（u0，v0），k1、K2、p1、p2均表示畸變系數(shù)。

振鏡轉(zhuǎn)軸主要指的是各個電壓下出射光平面的交線，其垂直于各光平面法向量，將振鏡轉(zhuǎn)軸方向向量與光平面法向量相乘，可以得到優(yōu)化目標，Xw軸方向上的向量在振鏡坐標系，也能得到[2]?？刂齐妷罕硎緸閁0，振鏡坐標系yw軸方向的向量也可以當做是Zw軸方向向量，可以采用Xw×Yw表示。根據(jù)上述可以得到振鏡坐標系下出射光平面的方程：cos·yw+sin·Zw。通過目標點的坐標處于振鏡坐標系下（xw，yw，zw）的相關(guān)數(shù)值能夠計算出。齊次變換矩陣主要利用相機坐標系與振鏡坐標系相結(jié)合的方式計算，進而得到其坐標在目標點下為（xe，ye，ze）。

1.2 機器人手眼關(guān)系標定

傳統(tǒng)對視覺系統(tǒng)手眼關(guān)系標定主要是在機器人法蘭末端固定上棋盤靶標，棋盤靶標會隨著機器人運動而不斷運動，棋盤靶標不論處于哪種位姿，都能夠被納入到相機拍攝范圍，進而正確判斷、處理機器人與相機所處的位姿關(guān)系。本次研究則采用的是手眼關(guān)系與工具坐標系聯(lián)合標定的方式，在工具一側(cè)固定傷期盼靶標，其會隨著工具運動而運動，此時相機不僅能夠?qū)Σ煌蛔似灞P靶標進行拍攝，而且能夠?qū)C器人處于該位置的位姿進行記錄。

假設(shè)機器人基坐標系為Cw，攝像機坐標系為Cc，Co6j、Ctool分別為平面靶標坐標系、機器人工具坐標系，可以將空間任意兩個坐標系的齊次變換矩陣表示為：

正交矩陣3×3單位用R表示，兩個坐標系之間是否存在旋轉(zhuǎn)關(guān)系均由其進行反映；3×1平移矩陣采用T進行表示，兩個坐標系之間是否存在位置偏移關(guān)系主要通過平移矩陣進行反映。通常，T值往往較R值大，若對齊次變換矩陣進行直接求解不符合工程的需求，可以將其分解為旋轉(zhuǎn)與平移兩個方面，對其次變化矩陣R值及T值給予兩步法計算。

1.3 機器人工具坐標系標定

當標定機器人手眼關(guān)系后，還需要對工具坐標系進行進一步標定，完成工具坐標系與機器人法蘭坐標系的齊次變換矩陣。根據(jù)靶標的加工尺寸，然后依據(jù)機械抓手，在忽略靶標固定誤差的情況下，可以用如下公式對靶標與工具齊次變換矩陣的關(guān)系進行表示：

其能夠降低誤差，不僅有效簡化了標定步驟，而且大大提升了工作效率，能夠滿足工程實際應用需求。

2 實驗驗證

研究首先對系統(tǒng)定位精度進行檢測，傳統(tǒng)采用抓取實驗僅能夠滿足系統(tǒng)可行性的定性研究，為進一步明確系統(tǒng)定位精度，可以選取三棱柱頂點作為目標點，對法蘭在機器人基坐標系下位姿標定值、理論值偏差進行比較，進而明確系統(tǒng)定位精度。在系統(tǒng)工作范圍之內(nèi)放置三棱柱，在線結(jié)構(gòu)光視覺引導下明確機器人基坐標系下位姿的標定值，得到齊次變換關(guān)系。然后進行多位置定位實驗。對工作范圍內(nèi)目標點不同位置定位誤差進行精度評價，擺放6個三棱柱，由機器人帶動末端執(zhí)行工具，將其移動到三棱柱頂點為主，然后對其偏移值以及標定值進行計算。結(jié)果顯示，目標對象在相機視野中心時具有較高的精度，其定位誤差在3mm之類。目標對象在視野邊緣位置時，其定位精度較低，但誤差不高于5mm。

3 結(jié)論

研究在獲取目標對象三維對象時主要采用了線結(jié)構(gòu)光三維視覺，雙目立體視覺目標點匹配的缺陷問題能夠得以有效改進，促進復雜環(huán)境的改善，在目標對象缺乏紋理的條件下也可正常工作，在機器人一側(cè)安裝線結(jié)構(gòu)光自掃描裝置，有效解決了手眼系統(tǒng)存在的目標物體丟失問題。通過機器人定位實驗，可以發(fā)現(xiàn)該研究設(shè)計的參數(shù)標定方案，能夠有效降低較遠距離目標對象三維定位誤差，滿足工程需要，提升工作效率。

參考文獻：

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