一种无须示教机器人系统的空间定位方法
【专利摘要】本发明提出一种无须示教机器人系统的空间定位方法，首先使用高速精确的三维扫描仪获取被测物的大批点云数据并生成被测物的三维模型，然后进行噪点去除、面片特征预处理、特征点提取操作，最终获得工作目标点在摄像机坐标系下的坐标；然后，使用坐标变换算法将工作目标点在摄像机坐标系下的坐标转换为机器人世界坐标系下的坐标，以便机器人工作定位使用；最后根据得到的工作目标点在世界坐标系下的坐标，以及用户输入的控制参数控制机器人工作。本发明使整个操作更加自动化、集成化和高效化，在多示教点的短时多变场合应用非常有优势。
【专利说明】一种无须示教机器人系统的空间定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人空间定位方法研究领域，尤其是涉及一种无须示教机器人系统 的空间定位方法。
【背景技术】
[0002] 针对现代工业快速多变以及日益增长的复杂性要求，继柔性制造、计算机集成制 造、精良生产及并行工程，在面向未来工业应用的生产单元中，机器人不仅被要求"不知疲 倦"地进行简单重复工作，而且能作为一个高度柔性、开放并具有友好的人机交互功能的 可编程、可重构制造单元融合到制造业系统中。这一能力的实现要求现阶段机器人技术整 体的进步，示教技术就是其中重要的一项。机器人因为能被编程完成不同的任务而被视为 柔性的自动化设备。工业机器人工作时必须准确知道工作目标点的空间位置，现有的机器 人示教系统可分为三类：示教再现方式，也称为直接示教，就是指我们通常所说的手把手示 教，由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教，如示教盒示教或操作杆示教等；离线编 程方式，基于CAD/CAM的机器人离线编程示教，是利用计算机图形学的成果，建立起机器人 及其工作环境的模型，使用某种机器人编程语言，通过对图形的操作和控制，规划出机器人 的作业轨迹，然后对编程的结果进行三维图形仿真，以检验编程的正确性，最后生成机器人 可执行代码下载到机器人控制器中，用以控制机器人作业；基于虚拟现实方式，虚拟现实方 式作为高端的人机接口，允许用户通过声、像、力以及图形等多种交互设备实时地与虚拟环 境交互。根据用户的指挥或动作提升，示教或监控机器人进行复杂的作业。
[0003] 传统工业机器人示教方式以其能为工业机器人工作时空间定位提供准确的数据 而广泛应用，但也带来了操作耗时不便的问题，特别是在多示教点时有时候可能多达数天， 这给工业机器人在短时多变的工作场合带来了很多阻碍。当前主要采用传统手动示教方式 准确获取这些目标点的空间位置，同时因为每次到达一个工作目标点需要多次手动有计划 地调整，当存在多个工作目标点时，需要花费较长时间，因此在短时多变的场合，传统示教 所带来的时间消耗在整个应用系统中所占比重较大，极大抑制工作效率的提高。
【发明内容】
[0004] 相比于现有技术中，传统示教所带来巨大的时间消耗，极大抑制工作效率的提高， 在本发明中采用光学三维测量技术来获取数据，光学三维测量技术是使用摄像机和投影仪 等光学设备非接触地获取被测物体表面形貌特征的技术。从本质上来讲，光学三维测量是 一个逆向的求解方法，系统接受输入图像并从二维图像中还原被测物体的三维形貌信息。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] 所述一种无须示教机器人系统的空间定位方法，其特征在于：采用以下步骤：
[0007] 步骤1 :对被测物体进行扫描测量，获得被测物体点云数据，并对被测物体点云数 据进行图像处理得到对应的CAD模型，在得到的CAD模型上获取被测物体上的孔特征集；
[0008] 步骤2 :对步骤1获得的被测物体点云数据进行周边噪点去除，得到被测物体特征 的全部点数据，再对步骤1获取的被测物体上的孔特征集之外的孔特征进行填补，最后将 点云封装，得到被测物体特征面片；
[0009] 步骤3 :对被测特征进行预处理：对步骤2得到的特征面片进行NURBS曲面拟合， 并且增大拟合孔边界特征的三角面片的个数；在孔边界特征上选取点拟合孔特征，并建立 该孔特征的轴线向量，得到机器人运动所需要的位置信息；
[0010] 将预处理后的特征模型导入CAD造型软件中，并采用CAD造型软件中的特征获取 功能得到工作目标点在摄像机坐标系下的坐标；
[0011] 步骤4 :将工作目标点在三维扫描仪中摄像机坐标系下的坐标转换为在机器人世 界坐标系下的坐标；
[0012] 步骤4. 1 :工作目标点在摄像机坐标系下的坐标到工件坐标系中的坐标转换：
[0013] ⑴建立工件坐标系（〇wp，xwp，YWP，Zwp):
[0014] 在标准坐标台上设定PQ、Px和Pxy三个标定点，指定Pq为原点，Px为工件坐标系X 轴正向上一点，Pxy为XOY平面第一象限内一点，建立固定于标准坐标台的工件坐标系：
[0015] 三标定点在摄像机坐标系下（oc，xc，Yc，Zc)的向量坐标为：
【权利要求】
1. 一种无须示教机器人系统的空间定位方法，其特征在于：采用以下步骤： 步骤1 :对被测物体进行扫描测量，获得被测物体点云数据，并对被测物体点云数据进 行图像处理得到对应的CAD模型，在得到的CAD模型上获取被测物体上的孔特征集； 步骤2 :对步骤1获得的被测物体点云数据进行周边噪点去除，得到被测物体特征的全 部点数据，再对步骤1获取的被测物体上的孔特征集之外的孔特征进行填补，最后将点云 封装，得到被测物体特征面片； 步骤3 :对被测特征进行预处理：对步骤2得到的特征面片进行NURBS曲面拟合，并且 增大拟合孔边界特征的三角面片的个数；在孔边界特征上选取点拟合孔特征，并建立该孔 特征的轴线向量，得到机器人运动所需要的位置信息； 将预处理后的特征模型导入CAD造型软件中，并采用CAD造型软件中的特征获取功能 得到工作目标点在摄像机坐标系下的坐标； 步骤4 :将工作目标点在三维扫描仪中摄像机坐标系下的坐标转换为在机器人世界坐 标系下的坐标； 步骤4. 1 :工作目标点在摄像机坐标系下的坐标到工件坐标系中的坐标转换： (1) 建立工件坐标系（〇WP，XWP，Ywp,Zwp): 在标准坐标台上设定PpPx和Pxy三个标定点，指定Ptj为原点，Px为工件坐标系X轴正 向上一点，Pxy为XOY平面第一象限内一点，建立固定于标准坐标台的工件坐标系： 三标定点在摄像机坐标系下（0。，X。，Y。，Z。）的向量坐标为：
(2) 建立摄像机坐标系（0c，Xc，Yc，Zc)到工件坐标系（(ν，χ"，γ"，ζ"ρ)的齐次变换矩阵 Crp1WP:
旋转矩阵滅为3*3矩阵，平移矩阵P为3*1矩阵：
的三个分量为正交单位向量： η为工件坐标系X轴的单位向量，由在摄像机坐标系下的单位向量表示：
G为工件坐标系ζ轴的单位向量，由在摄像机坐标系下的单位向量表示：
G为工件坐标系Y轴的单位向量，由在摄像机坐标系下的单位向量表示：
(3)工作目标点i在摄像机坐标系下的坐标/丨(.到工件坐标系下的坐标]^；:
步骤4. 2 :工作目标点在标准坐标台上的坐标到机器人世界坐标系下的坐标变换： 首先求取世界坐标系到工件坐标系的齐次变换矩阵wTwp,根据公式
得到工作目标点i在世界坐标系下的坐标; 步骤5 :根据步骤4得到的工作目标点在世界坐标系下的坐标，以及用户输入的控制参 数控制机器人工作。
【文档编号】G01B11/00GK104457566SQ201410626295
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】莫蓉, 赵碧霞, 李佳佳, 胡栋 申请人:西北工业大学