[发明专利]一种嵌入式喷枪位姿实时测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及视觉测量和嵌入式图像处理领域，尤其涉及喷涂机器人喷枪位姿实时测量装置和方法。

背景技术

由于被喷涂表面形状通常具备较强的不规则性，而为了保证喷涂质量，需要保证在进行喷涂时喷枪与待喷区域之间平面保持适当的距离且二者相互垂直。为了达到上述目的，需要实时检测喷枪相对于待喷区域表面的姿态和距离，并据此对机械臂进行反馈控制，使喷枪处于理想的喷涂姿态和喷涂位置。

为检测喷枪与待喷表面区域之间的相对位置和姿态，需要在喷枪末端安装测距传感器，获得至少三个不在同一直线上点的距离信息，从而达到对喷枪与待喷涂部位的相对位置与姿态进行实时检测的目的。

视觉测量与被测对象无接触，而且具有体积小、重量轻等优点，非常适用于喷涂机器人喷枪位姿测量。国内外一些著名的机器人厂商，都提供有用于测量机器人位姿的视觉系统，如ABB公司的True View机器人视觉系统，英国Meta视觉公司的Meta-SCOUT系统，等等。但是目前用于测量位姿的机器人视觉系统大部分都是基于PC机和立体视觉实现的，系统集成度差；而立体视觉需要两个或以上的摄像机，系统体积较大；同时立体视觉处理计算量大，只依靠PC机软件实现，造成此类机器人视觉系统处理速度较慢，实时性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有系统集成度高、体积小、重量轻、实时性好等优点，且适合喷涂机器人喷枪位姿实时测量的视觉测量系统。

为达到以上目的，本发明提供一种嵌入式喷枪位姿实时测量装置，所述装置的技术方案如下：所述测量装置通过安装支架与喷枪一起固接在喷涂机器人的机械臂末端，喷枪与测量装置之间的位姿相对固定，喷涂时，机械臂带动支架以及固定其上的喷枪和位姿测量装置一同运动，位姿测量装置实时检测自身相对于被喷涂物体的表面位姿，并换算成喷枪相对于被喷涂表面的位姿传送给机器人控制器，机器人控制器根据反馈信息对喷枪位置和姿态进行实时调整，以保证最佳的喷涂效果；

所述位姿测量装置含有一个面阵CCD摄像机，多个点状激光器以及一块图像处理卡，多个点状激光器不少于三个，其中：所述点状激光器的激光线出射端与被测喷涂物体表面相对放置，用于将激光线投射到被测喷涂物体的表面，在被测喷涂物体表面形成激光点；所述面阵CCD摄像机的镜头与被测喷涂物体表面相对放置，用于拍摄被测喷涂物体表面激光点的图像；所述图像处理卡与面阵CCD摄像机电气连接，图像处理卡处理面阵CCD摄像机所拍摄的激光点图像，确定每个激光点光斑中心在激光点图像中的二维位置坐标(u，v)，通过标定将激光点二维位置坐标转换成在面阵CCD摄像机坐标系中的三维坐标(x，y，z)，使用最小二乘法对激光点三维坐标进行平面拟合，该拟合平面的法线与面阵CCD摄像机坐标系Z轴的夹角即为面阵CCD摄像机与被测喷涂物体表面的相对姿态，该拟合平面与面阵CCD摄像机坐标系原点的距离即为面阵CCD摄像机相对于被测喷涂物体表面的距离，根据喷枪与面阵CCD摄像机相对的安装位姿，将面阵CCD摄像机相对于被测喷涂物体表面的姿态和距离通过坐标转换，换算成喷枪相对于被测喷涂物体表面的姿态和距离，完成喷枪位姿实时测量。

优选实施例，所述多个激光器使用六个点激光源，六个点激光源按照60度等间距沿圆周排列，面阵CCD摄像机位于由六个点激光源组成的圆周圆心。

优选实施例，位姿测量装置的安装位置高于喷枪的枪口处10cm-20cm并且置于喷枪运动方向的前侧20cm，高于喷枪的枪口用以保证所有的激光斑点均在CCD摄像机的视场范围内和防止喷枪在喷涂过程中的雾状涂料覆着于面阵CCD摄像机的镜头表面；位于喷枪运动方向前侧用于保证机器人控制器可以根据前馈信息对喷枪的位置和姿态进行实时调整。

优选实施例，图像处理卡使用基于数字信号处理器和现场可编程逻辑器件的嵌入式图像处理卡，所述现场可编程逻辑器件硬件实现计算量较大的底层图像处理，所述底层图像处理包括滤波、边缘提取、中心点二维坐标的确定，用于减轻后端处理器的处理的负担；所述数字信号处理器作为中央处理单元，用于控制图像处理卡的处理顺序、控制逻辑、高层算法处理以及与机器人控制器的通讯；所述嵌入式图像处理卡上图像信号的数据处理采用并行流水线的方式实现，图像信号采集即时被处理。

为达到以上目的，本发明提供一种使用嵌入式喷枪位姿实时测量装置的嵌入式喷枪位姿实时测量方法，该方法包括：

步骤S1：设置面阵CCD摄像机坐标系为全局坐标系；

步骤S2：激光点在图像中二维位置坐标(u，v)与三维坐标(x，y，z)关系方程参数的标定；