基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统

江艳华 ,张冉 ,罗华

摘要：针对工业机器人在三维空间中的定位问题，采用线性光学视觉技术对其进行定位。利用工业相机、激光和振镜构成的线性结构光自扫测量装置，利用旋转振镜进行激光平面扫描，获得相机坐标下的立体位姿。在将摄像机坐标系统转化为机械臂坐标系统的基础上，提出了利用手眼关系和仪器坐标系统相结合的方法。实验证明，该系统的定位精度高，能够满足工业生产的要求。

关键词：结构光；工业机器人；机器人定位

引言：

在工业机器人的工作中，机器人的定位精度对其工作的质量和效率有很大的影响。在工业生产中，机器人的工作路径主要采用人工演示和离线编程。但是由于限制了目标的初始和结束位置，所以它们只能按照预先设定的路线，根据不同的工作对象，制定出相应的教学文档。在此基础上，提出了一种基于光学结构的工业机器人的定位方法。该系统采用可视化的方法，使机器人能够准确地进行目标位置的定位，极大地提高了生产线的工作效率和自动化水平。

一、基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统原理

工业机器人的位置系统主要包括两部分：光束扫描和机器人本身，前者位于机械臂的侧面，这是整个体系的外在结构。该系统以结构光视觉为基础，采用线性结构光对目标进行扫描与识别，并获得其在相机坐标系内的位姿，并根据机械手与眼睛的关系，确定其在坐标坐标系中的位置，从而准确地确定其位置[1]。其中，线结构光自动扫描仪由三大部分构成：工业照相机、振镜和激光。由激光产生的线性结构光平面经过振镜的反射，在被测量对象的表面上形成一个光条，利用电脑输出的电压来精确地控制振镜的角度。利用摄像机采集到的图像，经过处理和运算，获得了相机坐标系中目标的姿态。

二、基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统标定

在此基础上，对基于结构光视觉的工业机器人定位系统进行了相应的标定，从而提高了系统的定位精度，确保其正常工作。标定工作包括：线结构光束自动扫描设备参数标定、手眼关系标定、机器人工作坐标系标定等。

（一）线性结构光学自扫器件的参数校准

这种方法通过使用张正有的摄像机标定技术，在摄像机的工作区域内精确定位棋盘，并使用张正有的摄像机校正技术来调整棋盘的内部参数。通过引入一个已知参数，建立了一个线性结构光学坐标系和齐次变换矩阵，并将它们转换为相机坐标系和振镜坐标系。通过这个转换，可以得到了摄像机坐标系下的目标坐标，从而达到标定的目的。

（二）机械手眼关系校准

在以往的视觉系统中，机器人的手眼关系标定是在机器人的凸缘末端安装一个棋盘目标，棋盘目标会随着机器人的移动而移动，不管是什么姿势，都可以被摄像机捕捉到，从而正确地判断和处理机器人与摄像机之间的位置。该方法与传统的标定方法不同，它是将棋盘放在仪器的一侧，通过摄像机拍摄棋盘上的棋子，通过摄像机拍摄到棋盘上的棋子，再通过分析解算出该机器人在各个方位的姿态，从而达到标定对方眼与手关系的目的。

（三）机器人工具坐标系标定

标定工作是根据工件和机械手的加工尺寸，结合手眼标定，采用齐次变换矩阵进行标定，并将计算结果与标准值进行比较，从而确保了系统的正常工作。该方法不但可以减少测量误差，而且可以有效地简化校准过程，提高工作效率，达到了工程应用的要求。

三、基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统的试验研究

（一）利用对比法对系统定位精度的试验

在构造完成之后此定位系统还需要进行测验，检验该系统的可行性与适用性，其定位精度就是其中之一[2]。可以运用类比的方法去推断系统的位置，将三角柱置于系统工作区，将三棱柱的顶点与运动装置的坐标系原点相一致，从而确定该系统的定位。此外，通过直线结构光学可视化方法，可以获得法兰的标定值，并引入坐标系的齐次转换公式，获得相应的数据，转动矩阵也是如此。通过对机械臂底座和座位姿的凸缘标定与理论值的对比研究，对其误差进行判定，以实现对系统的精确定位。

（二）利用多点定位法进行系统定位精度试验

多点定位试验是在机器人工作区域内，基于不同位置的靶位定位误差，实现对目标的精确定位。在试验中，首先将六根三棱柱按一定的次序排列，再将端部执行机构移至各三角柱体的顶点，然后通过对机器人臂法兰的变形原理及位移校正的测量与计算。比方说，一家公司采用了多方向定向方法对系统进行了精度测量，所获得的数据包括：从机器人的基础坐标中，三棱柱的顶点与机械手刀具重合时法兰坐标系统的定位。实测数据表明：在镜头的视野中心，该系统的定位误差为3毫米以内，而在边角位置，该系统的定位误差为5毫米以内，虽然相对于中心位置来说，该系统的定位精度较低，但也在可以接受的范围内，并不会影响到工业机器人的工作。

（三）利用多角定位法进行系统定位精度试验

针对不同姿势下的工业机器人定位精度，采用多种方法进行多方位定位，本次研究的目的明确，并在此基础上进行相应的测试。多角定位法是将机器人驱动终端执行器向三棱柱顶端运动，所需的姿势不同，在此情形下，测量并计算了机械臂基础坐标系中凸缘位移的理论值和位移标定值，由此得到不同姿势下的理论和实际值，并根据误差来判定机器人定位系统的定位精度。试验证明，这种定位系统可以精确到5 mm，这是一种非常先进的定位技术，也就是说，它的定位精度要高于一般的工业机器人，如果能够用于工业机器人的定位，那么它的定位精度将会得到很大的提高。

结论：总而言之，本研究中利用线性结构光的三维成像技术，可以有效地改善双目立体视觉中的靶点匹配问题，提高了复杂的场景，并在缺少纹理的情况下，实现了对目标物体的光学成像。通过对机器人进行定位试验，结果表明所提出的测量方法可以有效地减少长距离物体的三维位置误差，达到了工程要求，提高了工作效率。综合而言，基于结构光视觉导向的工业机器人定位系统，使其技术水平得到了进一步的提升。对于此定位系统的应用，促使工业机器人提高其工作质量和工作品质并且达到了预期的要求。提高了国内的自动化程度，提高了工业的生产效率，促进了工业的发展。

参考文献：

[1]俞隽,李泷杲,李根,主逵.一种基于多线结构光视觉引导的工业机器人定位方法[J].航空制造技术,2020,63(22):84-91.

[2]吴学强.基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统的研究[J].农家参谋,2018(11):244.