建立了一個(gè)主動(dòng)機(jī)器視覺定位系統(tǒng),用于工業(yè)機(jī)器人對(duì)零件工位的精確定位。

采用基于區(qū)域的匹配和形狀特征識(shí)別相結(jié)合的圖像處理方法,該方法經(jīng)過閾值和形狀判據(jù),識(shí)別出物體特征。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該方法能夠快速準(zhǔn)確地得到物體的邊界和質(zhì)心,進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別和計(jì)算,再結(jié)合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)原理控制機(jī)器人實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)以消除此誤差,滿足工業(yè)機(jī)器人自定位的要求。

目前工業(yè)機(jī)器人僅能在嚴(yán)格定義的結(jié)構(gòu)化環(huán)境中執(zhí)行預(yù)定指令動(dòng)作，缺乏對(duì)環(huán)境的感知與應(yīng)變能力，這極大地限制了機(jī)器人的應(yīng)用。利用機(jī)器人的視覺控制，不需要預(yù)先對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行示教或離線編程，可節(jié)約大量的編程時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

Hagger 等人提出通過基于機(jī)器人末端與目標(biāo)物體之間的誤差進(jìn)行視覺反饋的方法；Mezouar 等人提出通過圖像空間的路徑規(guī)劃和基于圖像的控制方法 。國內(nèi)這方面主要應(yīng)用于焊接機(jī)器人對(duì)焊縫的跟蹤。

本文利用基于位置的視覺伺服思想，以六自由度垂直關(guān)節(jié)型噴涂機(jī)器人為載體，提出一種基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人自定位控制方法，解決了機(jī)器人末端實(shí)際位置與期望位置相距較遠(yuǎn)的問題，改善了噴涂機(jī)器人的定位精度。

視覺定位系統(tǒng)的組成

機(jī)器人視覺定位系統(tǒng)構(gòu)成，在關(guān)節(jié)型機(jī)器人末端安裝噴涂工具、單個(gè)攝像機(jī)，使工件能出現(xiàn)在攝像機(jī)的圖像中。系統(tǒng)包括攝像機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)：

（1）攝像機(jī)系統(tǒng)：由單個(gè)攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)（包括圖像采集卡）組成，負(fù)責(zé)視覺圖像的采集和機(jī)器視覺算法；

（2）控制系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)和控制箱組成，用來控制機(jī)器人末端的實(shí)際位置；經(jīng) CCD 攝像機(jī)對(duì)工作區(qū)進(jìn)行拍攝，計(jì)算機(jī)通過本文使用的圖像識(shí)別方法，提取跟蹤特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別和計(jì)算，通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得到機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置誤差值，最后控制高精度的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整機(jī)器人的位姿。

工作臺(tái)上的工件與工作臺(tái)背景在顏色方面具有很大的差別，即工件呈現(xiàn)為黑色，將這一信息作為識(shí)別工件的重要特征。

工件的邊緣處灰度有急劇的變化，可以以此判斷出工件的邊界點(diǎn)。采用掃描線的方法，掃描方向上灰度劇變的像素點(diǎn)就是邊界點(diǎn)。最后，通過最小二乘法把找到的邊界點(diǎn)擬合出圓周，并計(jì)算出圓心位置。

（1）識(shí)別率分析：第一步通過離線學(xué)習(xí)，訓(xùn)練提取形狀特征。第二步使用離線學(xué)習(xí)得到的坐標(biāo)關(guān)系，實(shí)時(shí)跟蹤工件，得到需要跟蹤的形狀特征信息。只要離線學(xué)習(xí)恰當(dāng)，目標(biāo)特征就準(zhǔn)確識(shí)別并且得到相關(guān)信息。

（2）實(shí)時(shí)處理結(jié)果分析：圖像采集卡的采集速度是25 幀/s，每幅圖采集時(shí)間為40ms。攝像頭采集一幅圖像需要20ms，該圖像處理的速度為10ms/幅。通過程序優(yōu)化，在采集的同時(shí)進(jìn)行圖像處理，而且圖像處理的速度比采集的時(shí)間要短，就避免了圖像的失真和抖動(dòng)。在物體運(yùn)動(dòng)不超過極限速度時(shí)，能夠較準(zhǔn)確地找到圓心的位置。

空間坐標(biāo)的獲取

由一幅圖像得到的信息是二維信息，程序中使用的坐標(biāo)是以像素為單位的，機(jī)器人在空間運(yùn)動(dòng)需要將圖像的信息換算成三維空間坐標(biāo)。其計(jì)算過程如下：

（1）以工件上圓孔的圓心為機(jī)器人定位基準(zhǔn)，A(X ,Y, Z)圓心的世界坐標(biāo)。當(dāng)圓心與視覺圖像的中心重合時(shí)，機(jī)器人定位完成。

（2）標(biāo)定攝像機(jī)，得到投影矩陣ce M ，即圖像中兩個(gè)像素間的距離與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

（3）攝像機(jī)拍攝圖像后，經(jīng)過特征識(shí)別得到圓心在圖像中坐標(biāo)a(x, y)，計(jì)算出與圖像中心的偏移量Δx、Δy。

（4）以A(X ,Y, Z)為基準(zhǔn)，按照下式計(jì)算機(jī)器人末端的世界坐標(biāo)B(X ',Y ', Z')：其中，Mc是攝像機(jī)與機(jī)器人末端的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

基于機(jī)器視覺的工業(yè)機(jī)器人定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)將基于區(qū)域的匹配和形狀特征識(shí)別結(jié)合，進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別和計(jì)算，能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別出物體特征的邊界與質(zhì)心，機(jī)器人控制系統(tǒng)通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得到機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置的轉(zhuǎn)角誤差，最后控制高精度的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整機(jī)器人的位姿以消除此誤差。從而解決了機(jī)器人末端實(shí)際位置與期望位置相距較遠(yuǎn)的問題，改善了噴涂機(jī)器人的定位精度。該方法計(jì)算量小，定位準(zhǔn)確，具有工程實(shí)用性。