[发明专利]一种基于立体视觉的机器人手持示教装置及方法

权利要求书

1.一种基于立体视觉的机器人手持示教装置，其特征在于，手持示教装置至少包括信号发送单元(1)、模式选择单元(2)、信号触发装置(3)、电源模块(4)、光斑点(5)、示教装置本体(6)、姿态传感器(7)和位姿测量杆件(8)；所述信号发送单元(1)和电源模块(4)固定于示教装置本体(6)内部，所述姿态传感器(7)固定于示教装置本体(6)内部，所述信号触发装置(3)固定于示教装置本体(6)上，所述光斑点(5)固定于示教装置本体(6)上；所述位姿测量杆件(8)固定于示教装置本体(6)前端；所述信号触发装置(3)、电源模块(4)和光斑点(5)通过电路相连，所述信号触发装置(3)、电源模块(4)和信号发送单元(⑴通过电路相连；

所述位姿测量杆件(8)可根据示教环境的不同，更换不同的位姿测量杆件，更换完毕后，所述位姿测量杆件(8)的轴线与所述姿态传感器(7)的轴线之间的位置关系固定且已知；所述示教环境至少包括空间上的点、线、平面和曲面；

建立所述光斑点(5)的光斑点坐标系（5-1），以位姿测量杆件末端坐标系（8-1）为基准，使光斑点坐标系（5-1）、姿态传感器坐标系（7-1）和位姿测量杆件末端坐标系（8-1）的XYZ轴相互平行。

2.根据权利要求1所述的一种基于立体视觉的机器人手持示教装置，其特征在于，所述模式选择单元(2)至少包括直线拟合和圆弧拟合两种轨迹拟合模式，供用户选择确定所示教的规划轨迹上的设定点的轨迹拟合模式。

3.根据权利要求1所述的一种基于立体视觉的机器人手持示教装置，其特征在于，所述光斑点(5)是由发光二极管或通电发光的电子元器件形成的光斑；所述光斑点(5)固定在所述示教装置本体(6)的位置需满足：当手持示教装置被立体相机拍摄时，所述光斑点(5)能够被立体相机完整清晰地拍摄。

4.根据权利要求1所述的一种基于立体视觉的机器人手持示教装置的示教方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，获取姿态传感器(7)的初始值：将所述姿态传感器(7)的与立体相机相对固定，确定姿态传感器(7)自身坐标系与立体相机坐标系的旋转关系R_d，记录此时姿态传感器(7)测得的姿态信息DD，根据所述旋转关系R_d，将所述姿态信息DD转换为立体相机姿态DD₁，作为姿态初始值；

第二步，进行机器人手眼标定，获取机器人末端夹持工具坐标系与立体相机坐标系之间的位姿变换矩T₂；

第三步，标定所述光斑点(5)坐标系与所述位姿测量杆件(8)末端坐标系之间的位姿变换矩阵T₄；

第四步，利用所述位姿测量杆件(8)直观地到达所需示教点的位姿状态，进行示教工作，具体为，首先，通过所述模式选择单元(2)确定示教点的轨迹拟合模式；其次，操作手持示教装置，使所述光斑点(5)置于立体视觉系统的有效视场范围内；然后，将手持示教装置的所述位姿测量杆件(8)的末端放置到规划路径上的设定点上；最后，在保持所述位姿测量杆件(8)末端点的位置不变的情况下，调整所述位姿测量杆件(8)至设定的姿态；

第五步，进行信息采集，操作所述信号触发装置(3)，触发所述光斑点(5)发光，同时所述信号发送单元(1)发送信号控制立体相机拍照；所述立体相机将拍摄的图像信息PD传输到计算机，同时，所述姿态传感器(7)将此时测得的姿态信息DD₂同步传输到计算机；

第六步，计算机进行数据处理，首先，计算机根据所述姿态信息DD₁与DD₂，结合所述光斑点(5)在立体相机坐标系下的位置信息，构建立体相机坐标系与所述光斑点(5)坐标系1端加持工具坐标系之间的位姿变换矩阵T₁；最后，根据机器人基坐标系与手持示教装置的所述位姿测量杆件(8)的末端坐标系之间的位姿变换矩阵T₅＝T₁·T₂·T₃·T₄，计算机可求得机器人基坐标系与手持示教装置的所述位姿测量杆件(8)的末端坐标系之间的位姿变换矩阵T₅，进一步转换为所述位姿测量杆件(8)的末端点(即一个设定点)在机器人基坐标系下的位姿信息PP并保存；

第七步，重复第四步到第六步，直到完成所有的规划路径上的设定点的示教工作，得到所有的规划路径上的设定点在机器人基坐标系下的位姿信息PP，根据所述位姿信息PP，机器人控制模块可控制机器人末端夹持工具复现所示教的设定点的位姿状态。

5.根据权利要求4所述的一种基于立体视觉的机器人手持示教装置的示教方法，其特征在于，所述第三步中建立手持示教装置上的所述光斑点(5)坐标系与所述位姿测量杆件(8)末端坐标系之间的位姿变换矩阵T₄的方法具体为：

a.将至少包含三个特征点的标定物放在立体视觉模块的视场范围内，获取这些点在立体相机坐标系下的空间位置信息；

b.操作手持示教装置，使手持示教装置的所述位姿测量杆件(8)的末端点对准这些特征点，调整所述位姿测量杆件(8)的姿态，使手持示教装置上的所述光斑点(5)能被立体相机完整清晰拍摄；

c.然后通过所述立体相机采集手持示教装置上所述光斑点(5)的图像并将所述光斑点(5)的图像信息传输给计算机，同时所述姿态传感器(7)将当前所测得的姿态信息DD₂同步传输到计算机；

d.通过计算机进行数据处理，获取在手持示教装置的所述位姿测量杆件(8)的当前位姿下，手持示教装置上立体相机坐标系与所述光斑点(5)坐标系与之间的位姿变换矩阵T₃；

e.基于每次示教一个特征点时所求得的所述位姿变换矩阵T₃和对应的所述特征点的位置信息，可以建立手持示教装置上的所述光斑点(5)坐标系与所述位姿测量杆件(8)末端坐标系之间的位姿变换矩阵T₄。