專利名稱：物體空間位姿檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種精密自動測量裝置，特別是涉及一種借助機器人、攝像機、超聲傳感器、計算機進行物體位姿檢測的物體空間位姿檢測裝置。
背景技術：
隨著科技的發(fā)展，機器人得到了越來越廣泛的應用，例如自動裝配，自動焊接、噴漆，機械零件的檢查等。在這些應用中，被測物體位姿的檢測是實現對被測物體操作的前提?，F有的檢測方法一般都是利用雙目視覺實現，但是該方法需要處理的數據量極大，雙目視覺中的圖像匹配算法，還不盡完善，誤差較大。

發(fā)明內容
為了克服上述方法的不足，本發(fā)明提出一種新的檢測物體位姿的方法，可以通過裝在機器人臂末端的攝像機和超聲傳感器，只需采集單副圖像，經過計算機的處理，就可以實現對被測物體位姿的檢測。
本發(fā)明的一種物體空間位姿檢測裝置，由裝在機器人末端的攝像機和超聲傳感器、計算機組成，還涉及一物體位姿檢測系統(tǒng)存儲在計算機內，攝像機和超聲傳感器安裝在機器人手臂的末端，攝像機和超聲傳感器由數據線與計算機中的圖像采集卡和超聲信息采集卡相連，機器人由控制總線與計算機相連。
所述的檢測裝置，其攝像機和超聲傳感器平行布置固定的位置根據機器人的結構變化有所不同，固定在機器人拾取物體部件的末端。
所述的檢測裝置，由單個攝像機和單個超聲傳感器組成物體位姿檢測所需的信息采集單元。
所述的檢測裝置，被檢測物體的位姿只需采集一副圖像，由攝像機采集的圖像獲取物體上的點與攝像機中心連線的方向，由超聲傳感器獲取該連線的長度。
所述的檢測裝置，攝像機采集被測物體的一副圖像，并由視頻及數據線傳到計算機中，通過對圖像的處理，可以獲得物體上的任意一點P到攝像機中心O的投影矢量 的方向，然后由超聲傳感器測量 的長度，從而可以確定點P在攝像機坐標系OXYZ中的坐標，該坐標可以最終轉換到機器人的基坐標系中。由點的圖像坐標獲取其理想坐標，該理想坐標對應的點與攝像機中心的連線與物體上對應點與攝像機中心的連線重合。
所述的檢測裝置，超聲傳感器可采用激光傳感器。
所述的檢測裝置，其特征在于攝像機和超聲傳感器也可以平行布置安裝在機器人碗部的末端。
空間點的位置一般需要兩幅圖像，用兩條投影線的交點來確定。而本發(fā)明提出的方法則可以用一幅圖像外加超聲(或激光)測距即可確定空間點的位置。
與雙目視覺相比，本發(fā)明從根本上避免了由于圖像匹配所引起的不確定性和誤差。在空間點的圖像坐標確定后，它在攝像機坐標系中的坐標可以通過簡單的計算就可以得到。而雙目視覺則要先進行圖像匹配，然后再求投影線的交點。顯然本發(fā)明大大減少了計算量，提高了檢測速度。


圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
圖2是確定投影矢量的方向示意圖產。
圖3是確定投影矢量的長度示意圖。
圖中1.攝像機 2.超聲傳感器 3.被測物體 4.工作臺5.機器人 6.計算機 7.數據線 8.控制總線 9.圖像平面
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
請參見圖1所示，本發(fā)明的物體空間位姿檢測裝置，由裝在機器人末端的攝像機和超聲傳感器、計算機和儲存在計算機內的物體位姿檢測系統(tǒng)組成，單個攝像機和單個超聲傳感器安裝在機器人手臂的末端，攝像機和超聲傳感器由數據線與計算機中的圖像采集卡和超聲信息采集卡相連，機器人由控制總線與計算機相連。
在本發(fā)明中，將被測物體3放置在工作臺4上，由攝像機1采集一副圖像，該圖像由視頻及超聲數據線7傳輸到計算機6中，并由計算機6中存儲的操作控制軟件對它進行處理。例如，在被測物體3上設定一點P，對于物體上的一點P，要測量它在攝像機坐標系OXYZ中的坐標，需要確定投影矢量 的方向和長度?？紤]到攝像機鏡頭引起的畸變，由點P的圖像坐標Pu可以得到其理想圖像坐標(補償攝像機鏡頭畸變引起的變形)Pi，由于 長度已知(即攝像機鏡頭焦距f)，那么就可以獲得 在攝像機坐標系中的方向， 的方向就是與 的方向(如圖2所示)。通過控制機器人5的運動，使超聲傳感器2的坐標原點移動到O點，軸線與 重合，那么超聲傳感器2的測量值就是 的長度。這樣，點P在攝像機1坐標系中的坐標就可以得到了，并可以最終轉化為在機器人5基坐標系中的坐標。用該方法可以測得物體投影重心在機器人5基坐標系空間的坐標，也就是物體的位置坐標。不失一般性，可以用物體投影最長軸的姿態(tài)代表物體的姿態(tài)。該軸的兩個端點的空間坐標可以用上述過程測得，就可以進一步計算出該軸線在機器人基坐標系中的姿態(tài)。這樣物體的位置和姿態(tài)就完全確定下來。
例如，對于放在工作臺上的工件，設其重心點為C，則可以測得 與攝像機坐標系各軸間的夾角為與X軸夾角是68.2694°，與Y軸夾角是60.4186°，與Z軸夾角是38.1027°，測得 的長度為42.2019mm，那么它在攝像機坐標系中的坐標為X＝5.6250mm，Y＝20.8333mm，Z＝33.2089mm，被測工件在機器人基坐標系中的坐標為X＝27.7815mm，Y＝98.6157mm，Z＝34.5791mm。被測工件在機器人基坐標系中的姿態(tài)角為與X軸夾角是62.6605°，與Y軸夾角是74.6356°，與Z軸夾角是32.0197°。
本發(fā)明提出的方法可以用一幅圖像外加超聲(或激光)測距即可確定空間點的位置。
與雙目視覺相比，本發(fā)明從根本上避免了由于圖像匹配所引起的不確定性和誤差。在空間點的圖像坐標確定后，它在攝像機坐標系中的坐標可以通過簡單的計算就可以得到。而雙目視覺則要先進行圖像匹配，然后再求投影線的交點。顯然本發(fā)明大大減少了計算量，提高了檢測速度。
權利要求
1.一種物體空間位姿檢測裝置，由機器人、攝像機、超聲傳感器、計算機組成，其特征在于還涉及一物體位姿檢測系統(tǒng)存儲在計算機內，攝像機(1)和超聲傳感器(2)平行布置安裝在機器人手臂的末端，攝像機(1)和超聲傳感器(2)由數據線與計算機中的圖像采集卡和超聲信息采集卡相連，機器人(5)由控制總線(8)與計算機(6)相連。
2.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特征在于由單個攝像機(1)和單個超聲傳感器(2)組成物體位姿檢測所需的信息采集單元。
3.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特征在于被檢測物體(3)的位姿只需采集一副圖像，由攝像機(1)采集的圖像獲取物體上的點與攝像機(1)中心連線的方向，由超聲傳感器(2)獲取該連線的長度。
4.根據權利要求1、3所述的檢測裝置，其特征在于攝像機(1)采集被測物體(3)的一副圖像，并由視頻及數據線(7)傳到計算機(6)中，通過對圖像的處理，可以獲得物體上的任意一點P到攝像機(1)中心O的投影矢量 的方向，然后由超聲傳感器(2)測量 的長度，從而可以確定點P在攝像機坐標系OXYZ中的坐標，該坐標可以最終轉換到機器人的基坐標系中。
5.根據權利要求4所述的檢測裝置，其特征在于由點的圖像坐標獲取其理想坐標，該理想坐標對應的點與攝像機中心的連線與物體上對應點與攝像機中心的連線重合。
6.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特征在于超聲傳感器(2)可采用激光傳感器。
7.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特征在于攝像機(1)和超聲傳感器(2)平行布置固定的位置根據機器人的結構變化有所不同，固定在機器人拾取物體部件的末端。
8.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特征在于攝像機(1)和超聲傳感器(2)也可以平行布置安裝在機器人碗部的末端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種物體空間位姿檢測裝置，屬于精密自動測量裝置，其由裝在機器人末端的攝像機和超聲傳感器、計算機組成，攝像機和超聲傳感器由數據線與計算機中的圖像采集卡和超聲信息采集卡相連，機器人由控制總線與計算機相連。本發(fā)明的檢測裝置取代了傳統(tǒng)的雙目視覺檢測，通過單幅圖像獲取物體上的任意點在圖像中的理想坐標，求得該點與攝像機中心連線的方向，然后通過機器人末端的運動，導引超聲傳感器與未移動前攝像機坐標系的原點重合，而其軸向與求得的連線方向相同，再由超聲傳感器測出該連線的長度，從而確定該點在攝像機坐標系中的坐標，并可以進一步轉換到機器人基坐標系中。通過測量操作物體上的兩點的空間坐標，就能夠確定物體的空間姿態(tài)。本物體位姿檢測方法簡單易行，計算量小，精度較高。
文檔編號B25J13/00GK1419104SQ0215869
公開日2003年5月21日 申請日期2002年12月26日 優(yōu)先權日2002年12月26日
發(fā)明者丁希侖, 解玉文, 戰(zhàn)強 申請人:北京航空航天大學