[发明专利]一种工业机械臂多工位作业下的视觉对准方法

说明书

本发明公开一种工业机械臂多工位作业下的视觉对准方法，首先，利用系统标定建立起各坐标系之间的位置关系；其次，设计一套合作靶标，将其布置在对准工位附近，并进行靶标位姿求解；获取靶标期望位姿，然后为多个工位建立对准任务表；以任务表为依据执行对准操作，计算靶标的实际位姿与期望位姿的偏差，将偏差量解算为机械臂的运动数据，驱动末端进行位姿调整，最终实现末端工具与工位的精确对准。本发明的对准方法鲁棒性好，稳健可靠，测量结果精度高；硬件系统构成简单，成本低、灵活性强；在对准过程中不会因对准工具和目标产生视觉遮挡，且满足实时性需求，用于解决近距离对准问题具有优势，适合工业现场的应用。

技术领域

本发明属于智能制造技术领域，具体涉及一种工业机械臂多工位作业下的视觉对准方法。

背景技术

随着航空航天领域往智能制造方向不断发展，工业机械臂被广泛应用于飞机零部件的对准、旋拧和抓取等装配工作中。传统的机械臂装配工作依靠示教再现或固定编程实现基本的运动操作，绝对定位精度低，且对环境的感知能力差，无法满足智能装配的要求。为提升机械臂装配的灵活性和柔性，视觉传感器与工业机械臂逐渐融合，构建合适的机械臂视觉系统是完成装配作业的一个重要前提。

基于视觉反馈的机械臂装配系统可根据机械臂与视觉的结合方式分为Eye-in-Hand和Eye-to-Hand两种，又可依据视觉传感器数目分为单目、双目和多目系统。单目Eye-to-Hand机械臂抓取系统，已知目标工件的尺寸，通过图像预处理和单目视觉获取工件的位姿，引导机械臂快速有效地抓取工件，且位姿误差小，能够满足工业生产的预期要求。双目立体视觉系统，根据双目三维重建原理完成对目标图像关键点的三维重建，实现对机械臂手持工件轴和带孔工件圆片的位姿测量，其中立体匹配是难题。单目视觉系统，以花键轴的轴套为定位目标，并在轴套上固定了人工标志物来辅助完成花键轴与花键套的对准，但该过程完全忽略姿态问题。目前，双目和多目系统存在结构复杂、鲁棒性较差、图像之间的立体匹配困难等问题；而单目系统结构简单、相机标定容易且精度高，近年来大多数研究都是基于单目系统。Eye-to-Hand的结合方式使机械臂视场变大，但容易产生遮挡问题；Eye-in-Hand系统的局部精度更高，视场观察范围更加灵活。

在此基础上，为了准确复现对准目标的位姿信息，工程中一般考虑合作式方案和非合作式方案。非合作式方案是利用目标自身的特征属性辅助完成测量，但这些特征不固定，难以稳定提取，且未必满足位姿解算要求。

发明内容

本发明解决的技术问题：现有的定位精度低，且对环境的感知能力差；结构复杂、鲁棒性较差、图像之间的立体匹配困难。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种工业机械臂多工位作业下的视觉对准方法，首先，利用系统标定建立起各坐标系之间的位置关系；其次，设计一套合作靶标，将其布置在对准目标附近，并进行靶标位姿求解；获取靶标期望位姿，然后为目标建立对准任务表；以任务表为依据执行对准操作，计算靶标的实际位姿与期望位姿的偏差，将偏差量解算为机械臂的运动数据，驱动末端进行位姿调整，最终实现末端工具与目标的精确对准。

作为优选，系统标定中，首先进行TCP标定，得到法兰坐标系相对于机械臂基坐标系的变换关系然后进行相机标定和手眼标定，相机标定获得相机坐标系和图像坐标系之间的映射关系，手眼标定获得相机坐标系相对于法兰坐标系的变换关系

作为优选，每个靶标上布置有多个特征点，其中若干特征点相连形成凸包，剩余特征点处于凸包内部，凸包上的特征点按照顺时针顺序编号，其中凸包上特征点用于计算单应矩阵，凸包内部特征点用于验证单应矩阵，获取靶标三维坐标点点集，然后相机采集靶标图像并对图像进行处理，得到图像特征点点集，建立图像特征点与靶标三维点之间的对应关系；利用PNP算法(pespective-n-point)计算出靶标在相机坐标系下的位姿变换关系即