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CN113246142B - 一种基于激光引导的测量路径规划方法 - Google Patents

一种基于激光引导的测量路径规划方法 Download PDF

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CN113246142B CN202110707500.9A CN202110707500A CN113246142B CN 113246142 B CN113246142 B CN 113246142B CN 202110707500 A CN202110707500 A CN 202110707500A CN 113246142 B CN113246142 B CN 113246142B
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谢颖
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Abstract

本发明公开了一种基于激光引导的测量路径规划方法，属于机器人自动化测量领域。该方法首先在空间内布设全局相机定位系统，并通过激光投射装置向待测对象上投射特定图案，相机系统实时捕捉投射激光图案的移动轨迹，并根据机器人与相机的相对位姿和测量距离解算出机器人末端的位姿，进而生成机器人测量轨迹。本发明操作便捷，计算过程简单，计算量小，且修改方便，能缩短测量视点规划时间，提高工作效率，易实施且能保证机器人测量姿态的合理性。

Description

一种基于激光引导的测量路径规划方法
技术领域
本发明涉及机器人自动化测量领域，具体涉及一种基于激光引导的测量路径规划方法。
背景技术
随着航空制造业从“模线-样板”的模拟量传递方式到采用数字量传递的方式的转变，产品零件外形测量也由直尺、塞尺、卡板等发展到以激光扫描、结构光测量为主的数字化测量方法。数字化测量方法带来了高精度的测量结果、易于存储的测量数据但也存在设备体积笨重、手持稳定性低、测量姿态难以保证的问题，采用机械臂搭载测量设备进行自动化测量是较为合理的解决方案。
采用机械臂搭载数字化测量设备进行自动化测量的一个关键问题是如何解决机器人测量路径规划。目前机器人测量路径规划方法主要有人工示教编程和基于三维模型的测量路径规划两种。采用示教编程的方法不仅示教时间长、劳动强度大，而且难以保证测量设备与被测物体之间的相对位姿关系。基于三维模型的测量路径规划方法能较好解决示教编程的问题，但其操作复杂、软件开发难度大，并且现有的机器人离线编程软件如Robotstudio、Roboguide、KUKASim、RobotMaster等都还未实现针对自动测量的机器人路径规划功能。因此，针对机器人自动测量路径规划的问题，有必要设计一种简单可靠的路径规划方法。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的上述问题，提出一种使用方便、操作简单的基于激光引导的机械臂测量路径规划方法。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种基于激光引导的测量路径规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、采用激光投射装置向待测位置投射激光图案，投射图案的几何中心与待测位置的中心点重合；
步骤2、待投射位置图案稳定后，控制双相机系统对激光图案进行拍摄，并将拍摄得到的图像传输到控制器进行处理；
步骤3、建立图像坐标系
Figure 937462DEST_PATH_IMAGE001
，求解图像中心点
Figure 978230DEST_PATH_IMAGE002
在双相机系统坐标系
Figure 341078DEST_PATH_IMAGE003
下的坐标
Figure 800004DEST_PATH_IMAGE004
，以及图像坐标系
Figure 894999DEST_PATH_IMAGE001
到双相机系统坐标系
Figure 78855DEST_PATH_IMAGE003
的位姿变换矩阵
Figure 855181DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤4、通过图像坐标系、双相机系统坐标系、机械臂基坐标系、机械臂末端坐标系之间的变换矩阵求解机械臂末端坐标系与基坐标系之间的位姿传递关系如下：
Figure 480198DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 808411DEST_PATH_IMAGE007
为相机与机械臂基座标系之间的位姿变换矩阵；
Figure 338618DEST_PATH_IMAGE008
为图像坐标系 与双相机系统坐标系之间的位姿变换矩阵；
Figure 246531DEST_PATH_IMAGE009
为机械臂末端坐标系与图像坐标系之间 的位姿变换矩阵；
步骤5：根据机械臂工具坐标系与基坐标系之间的位姿变换矩阵
Figure 788371DEST_PATH_IMAGE010
以及机械臂 结构参数计算各关节的旋转角度
Figure 428431DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤6：通过控制器向机械臂发送关节运动指令，驱动机械臂各关节达到指定的角度位置，同时检查机械臂在运动过程中是否出现奇异位姿；
步骤7：重复步骤1到步骤6，直至机械臂完成所有示教任务。
进一步的，投射的激光图案为十字线激光，且投射在待测物体表面后十字线激光的两条相交线具有易于区分的长短特征。
进一步的，图像中心点
Figure 55722DEST_PATH_IMAGE002
在双相机系统坐标系下的三维坐标
Figure 501746DEST_PATH_IMAGE012
通过双目立 体视觉原理测量得到。
进一步的，位姿变换矩阵
Figure 515402DEST_PATH_IMAGE013
根据图像坐标系
Figure 450997DEST_PATH_IMAGE001
在双相机系统坐标系
Figure 768846DEST_PATH_IMAGE003
下的位姿进行描述：
记
Figure 425086DEST_PATH_IMAGE001
的XYZ轴在双相机系统坐标系
Figure 207098DEST_PATH_IMAGE003
下单位方向向量分别为
Figure 251277DEST_PATH_IMAGE014
，则
Figure 977794DEST_PATH_IMAGE001
到坐标系
Figure 827938DEST_PATH_IMAGE003
的位姿变换 矩阵表示为：
Figure 74243DEST_PATH_IMAGE015
；
其中，
Figure 86061DEST_PATH_IMAGE016
的方向为图像中心点
Figure 112923DEST_PATH_IMAGE017
的法向方向，
Figure 392857DEST_PATH_IMAGE018
的方向为十字线激光长轴方向
Figure 618302DEST_PATH_IMAGE019
与
Figure 676387DEST_PATH_IMAGE016
的叉积，
Figure 456125DEST_PATH_IMAGE020
的方向为
Figure 382492DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 852657DEST_PATH_IMAGE018
的叉积，
Figure 471857DEST_PATH_IMAGE012
是图像坐标系的原点在双相机系统坐标 系下的三维坐标。
进一步的，双相机系统与机械臂基座标系之间的位姿变换矩阵
Figure 473311DEST_PATH_IMAGE021
通过机械臂的 手眼标定获得。
进一步的，机械臂工具坐标系与图像坐标系之间的位姿变换矩阵
Figure 344315DEST_PATH_IMAGE022
根据搭载的 测量设备测量距离设置，其中机械臂末端坐标系方向与图像坐标系方向保持一致，坐标系 原点之间的距离为d，则将
Figure 278773DEST_PATH_IMAGE022
描述为：
Figure 272137DEST_PATH_IMAGE023
，
其中，d为测量设备的最佳测量距离。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.本发明提供的轨迹规划方法操作便捷，计算过程简单，计算量小，且修改方便，能缩短测量视点规划时间，提高工作效率；
2.本发明采用激光引导的测量路径规划方法能减少示教编程的工作量，降低操作人员工作强度；
3.本发明方案通过视觉计算并调整测量设备与被测对象之间的位姿能保证测量位姿的合理性，保障测量精度。
附图说明
图1 是本发明的方法流程图；
图2 是本发明所述的实施示意图；
图3是测量设备与投影图像相对位置关系示意图；
图4是各坐标系之间的转换关系。
图中，
1、机械臂，2、控制器，3、双相机系统，4、激光投射装置，5、待测零件，6、十字线激光，7、测量设备。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“ 包括”和“ 具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。
实施例1
本发明提供了如图1所示的一种基于激光引导的测量路径规划方法，包括以下步骤：
步骤1：如图2所示，在被测物体附近架设双相机系统3和机械臂1，连接并启动机械臂1、双相机测量系统3和控制器2，同时，打开激光投射器4并向待测零件5投射激光图案。投射的激光图案为十字线激光6，两条直线垂直相交，且投射在待测物体表面后，两条相交线具有易于区分的长短特征。
步骤2：双相机系统3实时监测投射图案，检测到图像稳定后，控制器2控制双相机系统3对激光图案进行拍摄，并将拍摄得到的图像传输到控制器2进行处理。
步骤3：建立图像坐标系
Figure 180794DEST_PATH_IMAGE001
，利用双目立体视觉成像原理求解图像坐标系的原 点
Figure 714543DEST_PATH_IMAGE002
在双相机系统坐标系
Figure 972349DEST_PATH_IMAGE003
下的坐标
Figure 808718DEST_PATH_IMAGE004
，以及图像坐标系
Figure 581502DEST_PATH_IMAGE001
到双相 机系统坐标系
Figure 777997DEST_PATH_IMAGE003
的位姿变换矩阵
Figure 952626DEST_PATH_IMAGE005
。其中，图像坐标系的原点
Figure 22214DEST_PATH_IMAGE002
为图像中心点
Figure 157660DEST_PATH_IMAGE002
，也是十字线激光6的十字交叉中心。
位姿变换矩阵
Figure 33212DEST_PATH_IMAGE013
根据图像坐标系
Figure 265610DEST_PATH_IMAGE001
在双相机系统坐标系
Figure 928935DEST_PATH_IMAGE003
下的 位姿进行描述。具体方法是：
记
Figure 941890DEST_PATH_IMAGE001
的XYZ轴在双相机系统坐标系
Figure 230920DEST_PATH_IMAGE003
下单位方向向量分别为
Figure 317825DEST_PATH_IMAGE014
，则
Figure 791532DEST_PATH_IMAGE001
到坐标系
Figure 150838DEST_PATH_IMAGE003
的位姿变换 矩阵表示为：
Figure 102613DEST_PATH_IMAGE015
；
其中，
Figure 309604DEST_PATH_IMAGE016
的方向为图像中心点
Figure 829578DEST_PATH_IMAGE017
的法向方向，
Figure 285967DEST_PATH_IMAGE018
的方向为十字线激光长轴方向
Figure 244696DEST_PATH_IMAGE019
与
Figure 731959DEST_PATH_IMAGE016
的叉积，
Figure 813047DEST_PATH_IMAGE020
的方向为
Figure 959995DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 128939DEST_PATH_IMAGE018
的叉积，
Figure 107259DEST_PATH_IMAGE012
是图像坐标系的原点在双相机系统坐标 系下的三维坐标。
步骤4：如图4所示，通过图像坐标系、双相机系统坐标系、机械臂基坐标系、机械臂末端坐标系之间的变换矩阵求解机械臂工具坐标系与基坐标系之间的位姿传递关系如下：
Figure 296932DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 852547DEST_PATH_IMAGE007
为相机与机械臂基座标系之间的位姿变换矩阵，通过机械臂的手眼标定获 得，手眼标定为本领域技术人员所熟知的技术；
Figure 215395DEST_PATH_IMAGE008
为图像坐标系与双相机系统坐标系之间的位姿变换矩阵，根据步骤3所述方 法求解；
Figure 658009DEST_PATH_IMAGE009
为机械臂末端工具坐标系与图像坐标系之间的位姿变换矩阵，根据机械臂上 搭载的测量设备7的最佳测量距离设置。如图3所示，其具体方法是：设机械臂末端坐标系方 向与图像坐标系方向保持一致，坐标系原点在Z方向的距离为d（d是测量设备的最佳测量距 离），则
Figure 18583DEST_PATH_IMAGE009
表示为：
Figure 936861DEST_PATH_IMAGE023
。
步骤5：根据机械臂末端工具坐标系与基坐标系之间的位姿变换矩阵
Figure 463919DEST_PATH_IMAGE024
，以及机 械臂结构参数计算各关节的旋转角度
Figure 354515DEST_PATH_IMAGE025
。
步骤6：通过控制器2向机械臂1发送关节运动指令，驱动机械臂各关节达到指定的角度位置，同时检查机械臂在运动过程中是否出现奇异位姿。
步骤7：重复步骤1到步骤6，直至机械臂完成所有示教任务。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于激光引导的测量路径规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、采用激光投射装置向待测位置投射激光图案，投射图案的几何中心与待测位置的中心点重合；
步骤2、待投射位置图案稳定后，控制双相机系统对激光图案进行拍摄，并将拍摄得到的图像传输到控制器进行处理；
步骤3、建立图像坐标系
Figure 900700DEST_PATH_IMAGE001
，求解图像中心点
Figure 243957DEST_PATH_IMAGE002
在双相机系统坐标系
Figure 355132DEST_PATH_IMAGE003
下 的坐标
Figure 287185DEST_PATH_IMAGE004
，以及图像坐标系
Figure 989562DEST_PATH_IMAGE001
到双相机系统坐标系
Figure 616852DEST_PATH_IMAGE003
的位姿变换矩 阵
Figure 734981DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤4、通过图像坐标系、双相机系统坐标系、机械臂基坐标系、机械臂末端坐标系之间的变换矩阵求解机械臂末端坐标系与基坐标系之间的位姿传递关系如下：
Figure 396906DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 270184DEST_PATH_IMAGE007
为相机与机械臂基座标系之间的位姿变换矩阵；
Figure 276449DEST_PATH_IMAGE008
为图像坐标系与双相 机系统坐标系之间的位姿变换矩阵；
Figure 57323DEST_PATH_IMAGE009
为机械臂末端坐标系与图像坐标系之间的位姿 变换矩阵；
步骤5：根据机械臂工具坐标系与基坐标系之间的位姿变换矩阵
Figure 777017DEST_PATH_IMAGE010
以及机械臂结构 参数计算各关节的旋转角度
Figure 493301DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤6：通过控制器向机械臂发送关节运动指令，驱动机械臂各关节达到指定的角度位置，同时检查机械臂在运动过程中是否出现奇异位姿；
步骤7：重复步骤1到步骤6，直至机械臂完成所有示教任务。
2.如权利要求1所述的一种基于激光引导的测量路径规划方法，其特征在于，投射的激光图案为十字线激光，且投射在待测物体表面后十字线激光的两条相交线具有易于区分的长短特征。
3.如权利要求1所述的一种基于激光引导的测量路径规划方法，其特征在于，图像中心 点
Figure 360762DEST_PATH_IMAGE002
在双相机系统坐标系下的三维坐标
Figure 69961DEST_PATH_IMAGE012
通过双目立体视觉原理测量得到。
4.如权利要求1所述的一种基于激光引导的测量路径规划方法，其特征在于，位姿变换 矩阵
Figure 644162DEST_PATH_IMAGE013
根据图像坐标系
Figure 921560DEST_PATH_IMAGE001
在双相机系统坐标系
Figure 620525DEST_PATH_IMAGE003
下的位姿进行描述：
记
Figure 212044DEST_PATH_IMAGE001
的XYZ轴在双相机系统坐标系
Figure 703068DEST_PATH_IMAGE003
下单位方向向量分别为
Figure 508957DEST_PATH_IMAGE014
，则
Figure 85431DEST_PATH_IMAGE001
到坐标系
Figure 887165DEST_PATH_IMAGE003
的位姿变换 矩阵表示为：
Figure 170379DEST_PATH_IMAGE015
；
其中，
Figure 789579DEST_PATH_IMAGE016
的方向为图像中心点
Figure 977984DEST_PATH_IMAGE017
的法向方向，
Figure 645726DEST_PATH_IMAGE018
的方向为十字线激光长轴方向
Figure 845763DEST_PATH_IMAGE019
与
Figure 776810DEST_PATH_IMAGE016
的叉积，
Figure 796718DEST_PATH_IMAGE020
的方向为
Figure 533730DEST_PATH_IMAGE016
与
Figure 214373DEST_PATH_IMAGE018
的叉积，
Figure 909796DEST_PATH_IMAGE012
是图像坐标系的原点在双相机系统坐标系下 的三维坐标。
5.如权利要求1所述的一种基于激光引导的测量路径规划方法，其特征在于，双相机系 统与机械臂基座标系之间的位姿变换矩阵
Figure 823525DEST_PATH_IMAGE021
通过机械臂的手眼标定获得。
6.如权利要求1所述的一种基于激光引导的测量路径规划方法，其特征在于，机械臂末 端坐标系与图像坐标系之间的位姿变换矩阵
Figure 895387DEST_PATH_IMAGE022
根据搭载的测量设备测量距离设置，其中 机械臂末端坐标系方向与图像坐标系方向保持一致，坐标系原点之间的距离为d，则将
Figure 929071DEST_PATH_IMAGE022
描述为：
Figure 264237DEST_PATH_IMAGE023
，
其中，d为测量设备的最佳测量距离。
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