[发明专利]一种基于立体视觉伺服的机械臂系统及其实时校准方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及机器人的机械臂校准技术，特别是一种基于立体视觉伺服的机械臂及其实时校准方法。本发明能够简单而高精度地通过立体视觉定位位于机械臂末端的视觉标记物来进行机械臂的即时校准，适用于低成本、高精度要求的机械臂系统。

背景技术

在现有技术中，按照机器人的应用环境分类，机器人包括制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人形机器人，其中服务机器人是指除从事工业生产以外的一大类半自主或全自主工作的机器人。其中基于视觉伺服的精确的机械臂抓取、操纵功能是服务机器人的重要功能之一，而手眼协调技术是其中的关键技术之一。手眼协调技术包括基于“手眼一体”的技术和基于“手眼分离”技术。其中，对于基于“手眼分离”技术的机器人的机械臂系统，其包括用于目标识别与定位的视觉设备和机械臂，机械臂末端包括用于抓取、操纵的执行器，所述视觉设备与机械臂是独立安装在机器人上的。比如，视觉设备安装在服务机器人的头部，机械臂安装在机器人本体上，安装位置例如机器人的肩膀或者机器人的底座。

在这样的机械臂系统中，要完成对目标物体的精确抓取或操纵，就需要将视觉设备的坐标空间与机械臂末端的坐标空间进行对齐，消除两者间的偏差，或者说将机械臂的末端执行器的位姿换算到视觉设备的坐标系中，从而使得抓取或操纵的目标物体与末端执行器的相对位姿是准确的，进而保证抓取、操纵任务的有效完成。

在这样的机械臂系统中，要完成这种准确的对齐，需要满足如下条件：(1)对机械臂相对于机器人的头部的相对位置做准确的测量；(2)对机器人的头部与机械臂上相邻关节的相对位移做准确的测量；(3)保证机器人的头部与机械臂上的各关节的角度值准确。其中，条件(1)和(2)是由机器人的机械结构决定的，可以通过手工的测量方法直接得到精确的值；条件(3)则存在关节安装(或重启动)的零位置偏差和关节间隙两个因素导致的从关节传感器得到的关节角度值与实际值不符合的问题。

对于零位置偏差，有两种情况：一种是关节使用绝对编码器来获取关节位置的情况，这个需要在机械手系统安装好之后对各关节进行一次系统的零位置校准；另一种是关节使用相对编码器来计算关节位置的情况，这需要机械手系统每次启动时做一次各关节的零位置校准。至于关节间隙，主要是由驱动电机和轴承间的传动系统(即减速器)产生的。使用谐波减速器几乎可以做到零间隙，因而不会影响到机械臂的精度，但是谐波减速器的造价高昂，使得机械臂的成本难以控制；而使用造价低的行星减速器，则不可避免的因齿轮间隙导致的关节间隙，且间隙会随着关节的使用而逐渐变大，有间隙的关节，对于由编码器获得的某个关节角度值，关节的实际值是可以在这个关节角度值附近、关节间隙的范围内变动的，这种不可控的关节间隙严重影响机械臂的精度。

为了获得机械臂的高精度，现有的机械臂系统一般都是使用谐波减速器来避免关节间隙，并在安装之初和机械臂系统在重启时作系统的零位置校准来完成。也就是说，现有的机械臂系统在精度高的同时成本也高，而成本低的话则精度不高。但是业内更希望有一种低成本、高精度的机械臂系统。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是通过立体视觉和特定的视觉标记物来实现机器人的机械臂系统的实时精确校准，以在控制成本的同时保证机械臂操作时的高精度。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种机械臂系统，用于对目标物体进行操作，并且所述机械臂系统包括机械臂、视觉设备和主控设备，该机械臂具有多个关节，且在所述机械臂的末端安装有视觉标记物，并且，所述视觉标记物位于所述视觉设备的视觉范围内，作为识别和定位所述机械臂末端的标记；所述视觉设备和机械臂相互独立地安装，用于获取目标物体与该视觉标记物的图像，以识别和定位所述视觉标记物相对于目标物体的位姿；所述主控设备用于根据所述视觉标记物的图像计算所述机械臂的各个关节的角度，以控制所述机械臂对所述目标物体进行操作。