基于结构光视觉引导的工业机器人定位系统设计分析

周春

摘 要：研究提出了基于线结构光视觉引导下的工业机器人定位系统，其视觉传感器选择的是线结构光自扫描测量装置，在振镜转动作用下完成激光平面对目标对象的扫描，进而得到目标对象处于相机坐标系下的三维位姿。然后采用机器人手眼关系联合工具坐标系标定法，对随机位姿目标对象进行工业机器人三维定位，结果证实该系统定位精度高、灵活性强，稳定性高，能够满足工业现场需求。

关键词：结构光视觉；工业机器人；定位系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.053

1 系统标定

1.1 线结构光自动扫描装置参数设定

线结构光装置参数如图1所示。先要对相机内的参数进行标定，然后拍摄二维棋盘靶标图像，其主要反映的是在工作范围内不同的位姿，结合张正友摄像机标定算法合理设置相机内参数，用f表示相机焦距，主点坐标为（u0，v0），k1、K2、p1、p2均表示畸变系数。

振镜转轴主要指的是各个电压下出射光平面的交线，其垂直于各光平面法向量，将振镜转轴方向向量与光平面法向量相乘，可以得到优化目标，Xw轴方向上的向量在振镜坐标系，也能得到[2]。控制电压表示为U0，振镜坐标系yw轴方向的向量也可以当做是Zw轴方向向量，可以采用Xw×Yw表示。根据上述可以得到振镜坐标系下出射光平面的方程：cos·yw+sin·Zw。通过目标点的坐标处于振镜坐标系下（xw，yw，zw）的相關数值能够计算出。齐次变换矩阵主要利用相机坐标系与振镜坐标系相结合的方式计算，进而得到其坐标在目标点下为（xe，ye，ze）。

1.2 机器人手眼关系标定

传统对视觉系统手眼关系标定主要是在机器人法兰末端固定上棋盘靶标，棋盘靶标会随着机器人运动而不断运动，棋盘靶标不论处于哪种位姿，都能够被纳入到相机拍摄范围，进而正确判断、处理机器人与相机所处的位姿关系。本次研究则采用的是手眼关系与工具坐标系联合标定的方式，在工具一侧固定伤期盼靶标，其会随着工具运动而运动，此时相机不仅能够对不同位姿棋盘靶标进行拍摄，而且能够对机器人处于该位置的位姿进行记录。

假设机器人基坐标系为Cw，摄像机坐标系为Cc，Co6j、Ctool分别为平面靶标坐标系、机器人工具坐标系，可以将空间任意两个坐标系的齐次变换矩阵表示为：

正交矩阵3×3单位用R表示，两个坐标系之间是否存在旋转关系均由其进行反映；3×1平移矩阵采用T进行表示，两个坐标系之间是否存在位置偏移关系主要通过平移矩阵进行反映。通常，T值往往较R值大，若对齐次变换矩阵进行直接求解不符合工程的需求，可以将其分解为旋转与平移两个方面，对其次变化矩阵R值及T值给予两步法计算。

1.3 机器人工具坐标系标定

当标定机器人手眼关系后，还需要对工具坐标系进行进一步标定，完成工具坐标系与机器人法兰坐标系的齐次变换矩阵。根据靶标的加工尺寸，然后依据机械抓手，在忽略靶标固定误差的情况下，可以用如下公式对靶标与工具齐次变换矩阵的关系进行表示：

其能够降低误差，不仅有效简化了标定步骤，而且大大提升了工作效率，能够满足工程实际应用需求。

2 实验验证

研究首先对系统定位精度进行检测，传统采用抓取实验仅能够满足系统可行性的定性研究，为进一步明确系统定位精度，可以选取三棱柱顶点作为目标点，对法兰在机器人基坐标系下位姿标定值、理论值偏差进行比较，进而明确系统定位精度。在系统工作范围之内放置三棱柱，在线结构光视觉引导下明确机器人基坐标系下位姿的标定值，得到齐次变换关系。然后进行多位置定位实验。对工作范围内目标点不同位置定位误差进行精度评价，摆放6个三棱柱，由机器人带动末端执行工具，将其移动到三棱柱顶点为主，然后对其偏移值以及标定值进行计算。结果显示，目标对象在相机视野中心时具有较高的精度，其定位误差在3mm之类。目标对象在视野边缘位置时，其定位精度较低，但误差不高于5mm。

3 结论

研究在获取目标对象三维对象时主要采用了线结构光三维视觉，双目立体视觉目标点匹配的缺陷问题能够得以有效改进，促进复杂环境的改善，在目标对象缺乏纹理的条件下也可正常工作，在机器人一侧安装线结构光自扫描装置，有效解决了手眼系统存在的目标物体丢失问题。通过机器人定位实验，可以发现该研究设计的参数标定方案，能够有效降低较远距离目标对象三维定位误差，满足工程需要，提升工作效率。

参考文献：

[1]许敏，马钺，陈帅等.基于结构光视觉的白车身覆盖件间隙面差测量方法[J].传感器与微系统，2017，36（09）：13-16.

[2]兰坤，张岩，沈旭昆等.一种基于视觉的手术导航系统设计与实现[J].系统仿真学报，2017，23（09）：2025-2034.