自主分揀機(jī)器人視覺系統(tǒng)的快速標(biāo)定分析

摘要：為了能夠進(jìn)一步促進(jìn)在視覺引導(dǎo)基礎(chǔ)上機(jī)器人自主分揀系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，本文特對分揀機(jī)器人的三維視覺系統(tǒng)的快速標(biāo)定方法進(jìn)行分析與研究。利用分布在不同空間點(diǎn)的同坐標(biāo)系進(jìn)行表示，而后提出三維標(biāo)定塊角點(diǎn)構(gòu)建多個弓箭手坐標(biāo)系的標(biāo)定方法。根據(jù)標(biāo)定塊角點(diǎn)坐標(biāo)值在視覺坐標(biāo)系下的求解問題，特提出基于局部點(diǎn)云擬合平面，而后對分析解立方程組的具體方法。本次所提出的標(biāo)定方法只需要采集一次三維標(biāo)定塊點(diǎn)云和拖動機(jī)械臂末端的探針對標(biāo)定塊的三個角點(diǎn)進(jìn)行接觸，而后就可以直接對所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

關(guān)鍵詞：三維標(biāo)定塊;點(diǎn)云;分揀機(jī)器人;平面擬合;標(biāo)定

中圖分類號：TP3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0206-02

0 ?引言

從機(jī)器人自主分揀系統(tǒng)的角度上來說，在以視覺為指引的情況下，視覺定位可以被視作是一種非接觸性的測量方法。與常規(guī)意義上的接觸性測量方法相對比，本方法的優(yōu)勢是非常確切的，在機(jī)器人自助作業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用也是非常廣泛的，為促進(jìn)整套系統(tǒng)工作質(zhì)量水平的進(jìn)一步提升，發(fā)展至今已經(jīng)有很多這種非接觸測量、檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)、測量方法改進(jìn)以及逆向工程的相關(guān)研究。眾所周知，利用3D掃描儀等三位視覺傳感器，用其獲取點(diǎn)云，而后對作業(yè)信息進(jìn)行分析可以直接對視覺傳感器坐標(biāo)進(jìn)行定義，在 機(jī)器人執(zhí)行作業(yè)信息前，需要通過一定的手法對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并建立與基坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系，此過程中就涉及到了對機(jī)器人視覺測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定的問題。

1 ?標(biāo)定問題的相關(guān)概述

針對機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，最基本功能：操作點(diǎn)檢測工作，然后通過具有末端刀具屬性的導(dǎo)引方式直接控制機(jī)器人做出的各個動作。標(biāo)定環(huán)節(jié)要從機(jī)器人視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系、關(guān)節(jié)坐標(biāo)系變化矩陣兩個方面，實(shí)施科學(xué)有效的擬合。

如圖1如所示，機(jī)器人視覺測量系統(tǒng)中的視覺傳感器裝置，安裝在分揀機(jī)器人視覺系統(tǒng)標(biāo)定坐標(biāo)系的第六個關(guān)節(jié)上。在坐標(biāo)系的整個過程中，世界坐標(biāo)系和基準(zhǔn)坐標(biāo)系基本重合，同時(shí)沿機(jī)器人第6關(guān)節(jié)固定三維視覺傳感器裝置從這一角度上來說，在對機(jī)器人視覺測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定的過程當(dāng)中，核心的目的在于找準(zhǔn)機(jī)器人基座坐標(biāo)系與第6關(guān)節(jié)坐標(biāo)系之間的對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

另外，從圖1可以看出，三維視覺傳感器的固定，是以分揀機(jī)器人第六個關(guān)節(jié)為主要位置。若視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系的對應(yīng)空間中其中一個目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)值記為SX，那么機(jī)器人坐標(biāo)系目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)值BX的公式如下：

B_（X=（_6^B）T_S^6 T^S X） （1）

上述公式中，B6T代表機(jī)器人第6關(guān)節(jié)坐標(biāo)系對應(yīng)的機(jī)器人坐標(biāo)系變化矩陣;6ST代表視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系對應(yīng)機(jī)器人第6關(guān)節(jié)坐標(biāo)系變換矩陣。

2 ?標(biāo)定方法

針對標(biāo)定方法的討論，其核心為多點(diǎn)約束，機(jī)器人視覺測量系統(tǒng)第6關(guān)節(jié)坐標(biāo)相對于視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系的矩陣的變化關(guān)系進(jìn)行擬合處理，當(dāng)中所涉及到的多點(diǎn)即意味著三維標(biāo)定的角點(diǎn)（即機(jī)器人視覺測量系統(tǒng)中三平面的相交點(diǎn)），實(shí)際工作中可以通過構(gòu)建平面方程的方式對角點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行可靠計(jì)算。

2.1 利用RANSAC算法擬合平面

本文所提出的算法基于隨機(jī)采樣的方式生成擬合平面。將含有大量異常數(shù)據(jù)的樣本數(shù)據(jù)集合定義為RANSAC，在對其進(jìn)行計(jì)算并生成數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型的情況下，是可以按照該方式證實(shí)算法的可靠性與有效性，但需要引起注意的一點(diǎn)是，對于RANSAC而言，有效樣本數(shù)算法的基本假設(shè)只得樣本中既包含正確數(shù)據(jù)，又囊括異常數(shù)據(jù)，以上數(shù)據(jù)的產(chǎn)生可能是錯誤的假設(shè)、測量、計(jì)算導(dǎo)致。

RANSAC算法擬合三維標(biāo)定塊平面流程，如圖2。

由圖2可知，RANSAC算法擬合三維標(biāo)定塊，再確定標(biāo)定塊其中一個面點(diǎn)云，而后隨機(jī)選擇三個，三點(diǎn)成面，這樣就可以得到準(zhǔn)確的參數(shù)，而后對該面的距離進(jìn)行對比，并對平面的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，這樣就可以得到一個具有點(diǎn)最多的平面。

2.2 標(biāo)定分揀機(jī)器人的視覺系統(tǒng)

擬合后得到三維校準(zhǔn)試塊感測點(diǎn)的相關(guān)平面。然后計(jì)算出三個平面的交點(diǎn)，獲取機(jī)器人視覺坐標(biāo)系S中的所有三維標(biāo)定塊角度坐標(biāo)值。通過機(jī)器人的探頭參數(shù)和運(yùn)動學(xué)計(jì)算出檢測條件下標(biāo)定塊的轉(zhuǎn)角，最終得到機(jī)器人基座坐標(biāo)系B的坐標(biāo)值。

為了對分揀機(jī)器人三維視覺系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，則需要構(gòu)建相對應(yīng)的機(jī)器人基坐標(biāo)系的工件坐標(biāo)系PB與相對應(yīng)的機(jī)器人視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系的工件坐標(biāo)系PS。

2.3 分揀機(jī)器人的內(nèi)燃機(jī)

本次采用一汽錫柴展出的國四排放發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)采用自主研發(fā)的智能電機(jī)驅(qū)動熱端EGR系統(tǒng)，解決了該系統(tǒng)在中重型商用柴油機(jī)上應(yīng)用的技術(shù)難題。

針對以上闡述標(biāo)定方法在實(shí)踐中的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，需要有標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺。分別展開分揀機(jī)器人三維視覺系統(tǒng)的快速標(biāo)定、檢測精度檢驗(yàn)。

2.3.1 搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境

檢驗(yàn)搭建的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺如圖3所示，主要是由探針、三維標(biāo)定塊、機(jī)器人、三維視覺傳感器組成。

具體材料如下：機(jī)器人：新松機(jī)器人公司生產(chǎn)，型號：SCR3，負(fù)載：3kg，工作范圍為：600mm，理論重復(fù)定位的精確度為：±0.02。

三維傳感器：微軟公司生產(chǎn)，型號：kinect2，深度傳感器測量精度范圍1-2mm，距離0.5-4.5mm。機(jī)器人末端固定視覺傳感器，不影響機(jī)器人正常旋轉(zhuǎn)。

探針和用來固定探針的法蘭盤長度在64.02mm，在機(jī)器人的末端固定，機(jī)器人的第6關(guān)節(jié)坐標(biāo)系和探針中心線重合，所設(shè)計(jì)的標(biāo)定塊角點(diǎn)在X、Y、Z軸向均有比較大尺寸差異。

2.3.2 分揀機(jī)器人三維視覺系統(tǒng)快速標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

通過以上分析的標(biāo)定方法，標(biāo)定機(jī)器人視覺系統(tǒng)。開始創(chuàng)建標(biāo)定塊，對機(jī)器人姿態(tài)實(shí)施調(diào)整。獲取標(biāo)定塊點(diǎn)云擬合4個平面。最后計(jì)算出同時(shí)標(biāo)定試塊轉(zhuǎn)角處3個平面交點(diǎn)，得標(biāo)定坐標(biāo)。而且這些角點(diǎn)的坐標(biāo)可以采用視覺系統(tǒng)坐標(biāo)進(jìn)行表述。

2.3.3 分揀機(jī)器人三維視覺系統(tǒng)的精度實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證快速標(biāo)定方法的準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取了5個位置，然后將標(biāo)定試塊放置在這5個位置上，每個位置是不同的。機(jī)器人基礎(chǔ)坐標(biāo)系對應(yīng)的理論坐標(biāo)值、視覺傳感器測量坐標(biāo)值的歐氏距離，數(shù)據(jù)如表1。

由表1可知，標(biāo)定后視覺測量系統(tǒng)的最大檢測誤差為2.3mm，平均絕對誤差為1.7mm。由于迭代學(xué)習(xí)控制器是一種基于修改控制信號的迭代學(xué)習(xí)控制器，所以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)后研發(fā)零相位濾波器，采用迭代學(xué)習(xí)的方式，展開輸入信號、控制信號處理，以期加強(qiáng)XY平臺跟蹤性、降低輪廓誤差。

3 ?結(jié)論

總之，雙迭代學(xué)習(xí)控制器的應(yīng)用，如果迭代次數(shù)比較少，所呈現(xiàn)的系統(tǒng)跟隨性能也相對良好，具有結(jié)構(gòu)簡單、操控便捷的特征，而且也可以在實(shí)際工程中應(yīng)用。尤其是在我國工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工件分揀是其中非常關(guān)鍵的一部分，但以往采用的人工分揀這種方式，不僅效率不高，還面臨重復(fù)勞動的現(xiàn)象。采用自主分揀機(jī)器人視覺系統(tǒng)，可以解決傳統(tǒng)分揀存在的弊端，有效提高分揀效率、減少重復(fù)勞動現(xiàn)象，也有效加強(qiáng)了分揀精準(zhǔn)率。在其中應(yīng)用視覺分揀技術(shù)，相機(jī)所在視野范圍內(nèi)都可以進(jìn)行分揀，使分揀工作更具智能化。通過自主分揀機(jī)器人視覺系統(tǒng)快速標(biāo)定，減小誤差，為今后工件分揀技術(shù)的創(chuàng)新與研發(fā)提供方向。

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作者簡介：趙森（1987-），男，遼寧沈陽人，學(xué)士，現(xiàn)從事工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計(jì)工作。