[发明专利]一种工业机器人三维实时高精度定位装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业机器人视觉伺服技术领域，特别是一种工业机器人三维实时高精度定位装置及方法。

背景技术

随着工业机器人的应用范围的扩大和多种复杂场合的需要，工业机器人视觉伺服显得越来越重要。在目前的工业机器人实际运用中，由于定位精度、实时性、需要标定等问题，只有极少场合运用了机器人视觉伺服定位，随着工业机器人行业的发展，工业机器人拥有视觉伺服能力将是必然趋势。实时性与定位精度是验证一个机器人视觉定位系统有效性与可实用性的最重要的两个指标，也是能否被投入到实际工业生产中的关键性因素。

基于视觉的机器人控制分为两类：基于位置的视觉伺服和基于图像的视觉伺服。基于位置的视觉伺服机器人定位过程中需要对机器人进行标定，标定中存在的任何误差都会导致机器人在三维空间中的定位产生一定的误差(P.I.Corke and S.Hutchinson2001)。

在基于图像的视觉伺服中，视觉系统中微小的误差将会对机器人定位产生很大的影响，故需要对摄像机以及机器人进行标定，而对摄像机和机器人的标定是一个极其复杂的问题。图像处理与控制机器人运动之间同步实时性是一个必须面临的难题，因此，由于图像处理的延时，高精度与高实时性的基于图像的视觉伺服定位是一个难以完成的任务。Itsushi Kinbara提出了一种新的视觉伺服机器人控制系统，此系统采用对图像特征进行估计的方法，但是这种方法始终摆脱不了需要对相机进行标定的弊端(Itsushi Kinbara,satoshi Komadda,and JunjiHirai2006)。

绝大部分的视觉伺服定位方法都是对相机的参数进行标定，但是S.B.Skaar首先提出了一种方法名为camera-space manipulation(CSM)，这种方法是建立机器人工装机构上的特征点在相机空间的坐标与相对应的机器人关节空间的关系(S.B.Skaar,W.H.Brockman,and R.Hanson1987)，基于这种方法的机器人定位不需要对相机进行标定，也不需要对工业机器人进行标定。Juan Manuel Rendon-Mancha提出了一种改进的CSM方法，采用了运用线性的模型代替经典CSM方法中的非线性参数模型(Juan Manuel Rendon-Mancha,Antonio Cardenas,MarcoA.Garcia2010)。CSM方法被运用到很多场合，例如太空探索，以及移动机器人等多个领域，但是并没有被深入的运用到实际工业生产当中去。

综上所述，目前工业生产中的机器人三维定位方法具有以下缺点：定位过程中需要对系统进行标定，标定误差大、操作复杂、定位精度低，影响了工业机器人的工作效率，阻碍了工业机器人的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的工业机器人三维实时定位装置及方法，具有操作简单、工作效率高、实时性好的优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种工业机器人三维实时高精度定位装置，包括：工业机器人系统、工业计算机和相机单元，其中工业计算机包括变权重相机空间定位单元、图像处理单元和机器人运动控制单元，机器人运动控制单元包括机器人正运动学单元和机器人逆运动学单元两部分，其中图像处理单元通过变权重相机空间定位单元与机器人运动控制单元相连；工业计算机通过第一千兆以太网与工业机器人控制器相连接，工业机器人控制器的控制端接入工业机器人系统，工业计算机通过第二千兆以太网与相机单元相连；

所述工业机器人系统包括六自由度工业机器人、激光发射装置和工装机构，其中工装机构的初始端刚性固定在六自由度工业机器人的末端，且与六自由度工业机器人的前臂共轴；工装机构的末端设置有特征点和工具，特征点位于工装机构顶端与其轴线成30°～60°夹角的上斜面，工具刚性固定在工装机构的下方；激光发射装置设置在六自由度工业机器人前臂，使激光发射装置发射出的激光线投射到工作平台上；

相机单元将实时采集的图像输入工业计算机中的图像处理单元进行处理，并将处理结果发送给变权重相机空间定位单元；机器人正运动学单元将当前六自由度工业机器人的状态信息进行处理后发送给变权重相机空间定位单元；变权重相机空间定位单元对接收到的信息进行综合处理后发送给机器人逆运动学单元；机器人逆运动学单元与工业机器人控制器进行网络通信发送命令控制六自由度工业机器人运动。