潘海鴻，杜曉楓，楊竑宇，陳旭紅，梁旭斌

(廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

0 引言

在制造業(yè)自動(dòng)化、智慧化的大力發(fā)展下，工業(yè)機(jī)器人在焊接、碼垛、搬運(yùn)中得到廣泛的應(yīng)用[1]。在機(jī)器人執(zhí)行新的生產(chǎn)之前，都需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教[2]，示教方式通常分為在線示教和離線示教。在線示教由人工引導(dǎo)機(jī)器人末端實(shí)現(xiàn)示教，示教過程繁瑣[3-4]；離線示教需要構(gòu)建工件和機(jī)器人精確的三維模型和兩者之間相對(duì)位置關(guān)系，相對(duì)位置出現(xiàn)偏差時(shí)會(huì)極大地影響機(jī)器人的復(fù)現(xiàn)精度[5]；這兩種示教方式在調(diào)試和測(cè)試階段花費(fèi)大量時(shí)間，嚴(yán)重影響工作效率。

為提高機(jī)器人的示教效率，科研工作者開展了許多對(duì)示教工具的研發(fā)工作。Zhang X等[6]使用人手作為示教工具，通過雙目視覺識(shí)別手的位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的手部運(yùn)動(dòng)跟蹤，但是該方法無法識(shí)別手的方向，因此無法實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的示教。為解決姿態(tài)角的示教問題，應(yīng)再恩等[7]設(shè)計(jì)一種貼有標(biāo)志點(diǎn)的示教工具，通過示教跟蹤實(shí)現(xiàn)任意軌跡的示教。倪自強(qiáng)等[8]通過雙目視覺系統(tǒng)識(shí)別和提取特定的示教工具末端位姿實(shí)現(xiàn)示教。這兩種示教工具的姿態(tài)信息需要通過特征點(diǎn)解算，且特征點(diǎn)的識(shí)別易受環(huán)境光影響。Lin H等[9]設(shè)計(jì)一種使用發(fā)光Mark點(diǎn)(主體結(jié)構(gòu)為三個(gè)發(fā)光點(diǎn))的示教筆作為示教工具，通過雙目示教識(shí)別發(fā)光Mark點(diǎn)信息，將示教筆的筆尖位姿信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器人的位姿信息實(shí)現(xiàn)示教，降低環(huán)境光對(duì)發(fā)光Mark點(diǎn)的影響。

為解決現(xiàn)有示教工具姿態(tài)角需要解算的問題和降低環(huán)境光對(duì)特征點(diǎn)的影響，本文設(shè)計(jì)基于雙目視覺系統(tǒng)的具有姿態(tài)傳感器和發(fā)光點(diǎn)的手持示教器。手持示教器通過姿態(tài)傳感器和發(fā)光點(diǎn)實(shí)現(xiàn)示教，引入姿態(tài)傳感器，可以直接測(cè)量手持示教器的姿態(tài)角；引入單個(gè)發(fā)光點(diǎn)，通過雙目視覺可以測(cè)量得到手持示教器的位置，雙目視覺僅需要識(shí)別和匹配圖像中的一個(gè)發(fā)光高亮點(diǎn)，不僅可降低環(huán)境光對(duì)特征點(diǎn)識(shí)別的影響而且還可以降低圖像處理難度。

1 雙目視覺下的手持示教器坐標(biāo)變換

1.1 位姿變換原理

(1)

(2)

(a) 示教原理

(b) 位姿變換原理圖1 雙目視覺下的手持示教器坐標(biāo)變換

1.2 建立手持示教器與雙目視覺坐標(biāo)系關(guān)系

圖2 雙目視覺下的手持示教器坐標(biāo)系

(3)

式中，θ1、θ2、θ3分別為發(fā)光點(diǎn)坐標(biāo)系繞雙目視覺坐標(biāo)系X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)角度。

(4)

(5)

(6)

通過式(1)和式(6)可以將手持示教器末端坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系。使用手持示教器對(duì)示教點(diǎn)進(jìn)行示教，計(jì)算得到該點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置和示教角度，從而引導(dǎo)機(jī)器人末端實(shí)現(xiàn)復(fù)現(xiàn)。

2 手持示教器結(jié)構(gòu)及標(biāo)定

2.1 手持示教器的結(jié)構(gòu)

1.傳感器 2.發(fā)光點(diǎn) 3.可更換的末端 4.外殼圖3 手持示教器結(jié)構(gòu)

2.2 標(biāo)定手持示教器發(fā)光點(diǎn)和末端點(diǎn)的相對(duì)位置

(7)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了測(cè)試手持示教器的示教精度，搭建手持示教器精度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)包括手持示教器、雙目視覺、測(cè)試平臺(tái)(包括標(biāo)定板和其下面的驗(yàn)證板)、機(jī)器人和PC機(jī)。手持示教器精度測(cè)試平臺(tái)圖4為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖，表1為平臺(tái)參數(shù)。

圖4 手持示教器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

表1 手持示教器測(cè)試平臺(tái)參數(shù)

3.2 手持示教器發(fā)光點(diǎn)和末端點(diǎn)的相對(duì)位置

(a) 高曝光時(shí)間

(b) 低曝光時(shí)間圖5 雙目視覺下的發(fā)光點(diǎn)

圖6 手持示教器發(fā)光點(diǎn)和末端點(diǎn)的相對(duì)位置標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證手持示教器的示教功能和測(cè)量示教復(fù)現(xiàn)精度，設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)。

第1組：設(shè)計(jì)示教復(fù)現(xiàn)位置精度實(shí)驗(yàn)，測(cè)量復(fù)現(xiàn)位置精度，評(píng)估使用手持示教器示教的精度。

第2組：軌跡復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。將示教的點(diǎn)規(guī)劃成直線和圓弧軌跡，并使用紅色中性筆畫出復(fù)現(xiàn)軌跡，與原軌跡相比測(cè)量復(fù)現(xiàn)位置誤差。

(1)示教復(fù)現(xiàn)位置精度實(shí)驗(yàn)

(a) 示教實(shí)驗(yàn) (b) 測(cè)量誤差圖7 示教位置復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)

(2)根據(jù)示教點(diǎn)復(fù)現(xiàn)軌跡實(shí)驗(yàn)

將書寫筆固定在機(jī)器人末端，使用手持示教器示教后機(jī)器人復(fù)現(xiàn)軌跡，帶動(dòng)筆在白紙上留下軌跡，與示教軌跡相比驗(yàn)證精度。該實(shí)驗(yàn)包括以下幾步：①選定4個(gè)不在一條直線上的點(diǎn)，使用手持示教器示教，形成4段直線示教軌跡，機(jī)器人帶動(dòng)筆在白紙上留下這4段直線軌跡。②選定3個(gè)不在一條直線上的點(diǎn)，使用手持示教器示教，根據(jù)三點(diǎn)圓弧示教法形成一段圓弧軌跡，機(jī)器人帶動(dòng)筆在白紙上留下圓弧軌跡。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

4.1 手持示教器平移向量標(biāo)定結(jié)果

(8)

4.2 復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

(1)位置復(fù)現(xiàn)精度結(jié)果和分析

表2 示教復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)誤差 (mm)

由表2可知，誤差最大為點(diǎn)3的Z軸方向上的1.9 mm，最小為點(diǎn)3的X軸方向上的0.1 mm示教點(diǎn)2的距離誤差最大為2.5 mm。實(shí)驗(yàn)的誤差來源包括機(jī)器人標(biāo)定誤差、相機(jī)標(biāo)定誤差、手眼標(biāo)定誤差、手持示教器發(fā)光點(diǎn)位置測(cè)量誤差、姿態(tài)傳感器角度測(cè)量誤差，人手的抖動(dòng)或偏移給手持示教器發(fā)光點(diǎn)位置測(cè)量和姿態(tài)傳感器角度測(cè)量帶來較大的誤差。

(2)根據(jù)示教點(diǎn)復(fù)現(xiàn)軌跡

在示教復(fù)現(xiàn)位置精度實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上示教4個(gè)點(diǎn)，形成4段封閉的線段；示教3個(gè)點(diǎn)形成一段圓弧。機(jī)器人末端綁定一只筆，復(fù)現(xiàn)直線和圓弧軌跡。圖8a為圓弧軌跡復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖8b為直線軌跡復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中十字交叉點(diǎn)為示教點(diǎn)，黑色軌跡為示教軌跡，紅色軌跡為示教復(fù)現(xiàn)軌跡。使用直尺測(cè)量示教誤差，測(cè)量實(shí)際軌跡和示教軌跡的誤差最大約為2 mm。

(a) 圓弧軌跡誤差 (b) 直線軌跡誤差圖8 軌跡復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

針對(duì)目前示教效率低的難題，設(shè)計(jì)一種基于雙目視覺(姿態(tài)傳感器)的手持示教器，搭建手持示教器精度測(cè)試平臺(tái)，獲得研究結(jié)論為：

(1)設(shè)計(jì)安裝有姿態(tài)傳感器和發(fā)光點(diǎn)的手持示教器，示教點(diǎn)的姿態(tài)信息可以直接通過姿態(tài)傳感器測(cè)量，避免了姿態(tài)角的解算，減小了計(jì)算量。

(2)雙目視覺環(huán)境下的手持示教器特征點(diǎn)僅為一個(gè)發(fā)光點(diǎn)，可降低雙目視覺的圖像識(shí)別、匹配難度和環(huán)境光對(duì)特征點(diǎn)識(shí)別的影響。

(3)在雙目視覺下確定手持示教器末端坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系的變換矩陣；在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證通過該手持示教器示教的有效性。復(fù)現(xiàn)結(jié)果表明機(jī)器人能夠精確復(fù)現(xiàn)手持示教器的示教點(diǎn)，并能通過示教點(diǎn)完成直線和圓弧的軌跡。