[发明专利]一种基于主动红外双目视觉的机器人轨迹示教装置及方法

权利要求书

1.一种基于主动红外双目视觉的机器人轨迹示教装置，其特征在于，包括激光笔座(1)、激光笔(2)、夹具(3)、荧光板连接板(4)、第一荧光板(5)、第二荧光板(6)，所述第一荧光板(5)以及第二荧光板(6)上均设置有预定数量的涂有荧光物质的球体，所述球体均通过连杆与所述第一荧光板(5)或第二荧光板(6)连接；所述夹具(3)通过螺钉固定在激光笔座(1)上；激光笔座(1)具有用于放置激光笔(2)的凹槽；荧光板连接板(4)用于将第一荧光板(5)和第二荧光板(6)连接，以使第一荧光板(5)和第二荧光板(6)的平面垂直；荧光板连接板(4)通过螺栓固定在激光笔座(1)上；激光笔(2)上设置有用于保存示教点和用于删除示教点的按键。

2.根据权利要求1所述的基于主动红外双目视觉的机器人轨迹示教装置，其特征在于，所述涂有荧光物质的球体的数量和位置满足：当第一荧光板(5)或第二荧光板(6)在任意角度被观测时，能够在该角度同时看到至少3个球体。

3.一种基于主动红外双目视觉的机器人轨迹示教方法，所述方法是基于如权利要求1或2所述的基于主动红外双目视觉的机器人轨迹示教装置实现的，其特征在于，包括：

步骤一、将待喷涂器件放置于基础平台上，并用固定卡具固定在平台上；所述基于主动红外双目视觉的机器人轨迹示教装置设置在双目相机的视野范围内，利用立体视觉的原理视差测距法计算8个标记点小球相对于相机坐标系的空间位置；

步骤二、对所述标记点小球分别进行编号；

步骤三、建立示教器坐标系；

步骤四、计算相机坐标系到示教器坐标系的坐标变换关系；

步骤五、将所述基于主动红外双目视觉的机器人轨迹示教装置通过卡具固定在喷漆机器人的末端，并将喷漆机器人复位；

步骤六、使用喷漆示教器对喷件进行模拟喷漆，在指定的位置处按下用于保存示教点的按键，以将当前位置相对相机坐标系的齐次变换矩阵进行保存；

步骤七、将所述齐次变换矩阵转换为欧拉角；

步骤八、将所述欧拉角保存为文件格式，作为喷漆机器人喷漆的轨迹。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中，利用立体视觉的原理视差测距法计算8个标记点小球相对于相机坐标系的空间位置的具体计算公式为：

其中X，Y，Z为标记球在空间中的位置，u₁为标记球在左相机图像坐标系中的x坐标，u₀为左相机图像坐标系的x原点，u₂为标记球在右相机图像坐标系中的x坐标，d为两相机之间的平移距离，v₁为标记球在左相机图像坐标系中的y坐标，v₀为左相机图像坐标系的y原点，f为相机焦距。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤二具体为：

假设8个小球在空间的位置为星型拓扑结构；首先将距离8个小球中心点最近的标记球球标为1号；之后以1号球为中心，计算其他7个标记球距离1号球的空间距离，按空间距离由近至远编为2至8号。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤四具体为：

设(p_i,q_i)，(p_j,q_j)，(p_k,q_k)，(i＜j＜k)为3个标记球分别在两个坐标系下的坐标；其中p_i为i号标记球在相机坐标系中的坐标，q_i为i号球在示教器坐标系中的坐标；

将示教器坐标系平移使得其原点与i号标记球重合，记录1号标记球在当前示教器坐标系下的坐标q′₁＝q₁-q_i；i，j，k号标记球在当前示教器坐标系下坐标为q′_i＝0，q′_j＝q_j-q_i，q′_k＝q_k-q_i；根据下式求出此齐次变换矩阵：

其中，c₁₁,c₁₂,c₁₃,c₂₁,c₂₂,c₂₃,c₃₁,c₃₂,c₃₃均代表齐次变换矩阵中的元素，p_x、p_y，p_z为相机坐标系下的小球坐标，q_x、q_y，q_z为示教器坐标系下的小球坐标，其中q_y＝0，t_x＝p_1x,t_y＝p_1y,t_z＝p_1z，p_1x,p_1y,p_1z为1号球的空间三维坐标，将j号和k号标记球带入齐次变换矩阵中得到三组方程式：

p_jx＝c₁₁q′_jx+c₁₃q′_jz+t_x

p_kx＝c₁₁q′_kx+c₁₃q′_kz+t_x

p_jy＝c₂₁q′_jx+c₂₃q′_jz+t_y

p_ky＝c₂₁q′_kx+c₂₃q′_kz+t_y

p_jz＝c₃₁q′_jx+c₃₃q′_jz+t_z

p_kz＝c₃₁q′_kx+c₃₃q′_kz+t_z

解以上三组方程得到[c₁₁,c₁₃,c₂₁,c₂₃,c₃₁,c₃₃]；

计算相机坐标系中两向量p_ij＝p_j-p_i,p_ik＝p_k-p_i叉乘得到p_v＝p_ij×p_ik，示教器坐标系中x-z平面两向量q_ij＝q_j-q_i,q_ik＝q_k-q_i叉乘得到q_v＝q_ij×q_ik，其q_vx＝q_vz＝0根据上两个向量得到方程：

p_vx＝c₁₂q_vy

p_vy＝c₂₂q_vy

p_vz＝c₃₂q_vy

通过解方程得到[c₁₂,c₂₂,c₃₂]，最后计算q′₁左乘当前齐次矩阵得到1号标记球的空间位置，1号标记球的坐标即为最终的[t_x,t_y,t_z]，通过3个标记球的空间位置解算得到相机坐标系到示教器坐标系的关系。