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工业机器人单目视觉对准技术研究
资料介绍
针对工业机器人精确对准问题,提出了一种基于单目视觉的工业机器人对准技术。该技术把工业机器人与单目视觉测量技术相结合,根据特制的手眼标定板,快速建立单目视觉测量系统与机器人上对准轴之间的手眼关系和对准的基准位姿;在对准环节,通过单目视觉系统获取工件目标的姿态,然后根据已有的手眼关系和基准位姿,求解在机器人基坐标系下机器人末端的对准轴的位置调整量,迭代调整机器人末端位姿,从而实现了机械人末端的对准轴与工件目标的精确对准。实验结果表明:在测量距离约是150mm处,对准平均精度优于0.2°。
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（完整内容请下载后查看）第
卷
第
期
３
光学 精密工程
２６
ꢀ
Ｖｏｌ．２６ Ｎｏ．３
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Ｏ ｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎ
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年
月
ꢀ ꢀ
２０１８
３
Ｍａｒ．２０１８
ꢀ
（ ）
１００４９２４Ｘ２０１８０３０７３３０９
－
文章编号
ꢀ
－
－
工业机器人单目视觉对准技术研究
１
，
２
，
雷金周 曾令斌 叶
１
＊
南
ꢀ
（ ，
南京航空航天大学 机电学院 江苏 南京
１．
；
２１００１６
，
上海宇航系统工程研究所 上海
２．
）
２０１１０９
： ， 。
摘要 针对工业机器人精确对准问题 提出了一种基于单目视觉的工业机器人对准技术 该技术把工业机器人与单目视
， ，
觉测量技术相结合 根据特制的手眼标定板 快速建立单目视觉测量系统与机器人上对准轴之间的手眼关系和对准的基
； ， ， ，
准位姿 在对准环节 通过单目视觉系统获取工件目标的姿态 然后根据已有的手眼关系和基准位姿 求解在机器人基坐
， ，
标系下机器人末端的对准轴的位置调整量 迭代调整机器人末端位姿 从而实现了机械人末端的对准轴与工件目标的精
。 ：
确对准 实验结果表明 在测量距离约是
，
处 对准平均精度优于
。
０．２°
１５０ｍｍ
： ； ； ； ；
词 位置对准 单目视觉 位姿求解 手眼标定 工业机器人
ꢀ
关
键
ꢀ
：
：
文献标识码
Ａ
：
／
中图分类号
ＴＰ３９１
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ｄｏｉ１０．３７８８ Ｏ ＰＥ ．２０１８２６０３ ．０７３３
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Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔａｌｉｎｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｕｅｗｉｔｈ
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ｍｏｎｏｃｕｌａｒｖｉｓｉｏｎ
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１
２
１
＊
， ，
ＬＥＩＪｉｎｚｈｏｕ ＺＥＮＧＬｉｎ ｂｉｎ ＹＥＮａｎ
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（
， ，
１．Ｎａｎｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ ｏ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ Ｎａｎｉｎ ２１００１６ Ｃｈｉｎａ
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；
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， ，
２．Ｓｈａｎ ｈａｉａｅｒｏｓａｃｅｓｓｔｅｍｅｎｉｎｅｅｒｉｎ ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ Ｓｈａｎ ｈａｉ２０１１０９ Ｃｈｉｎａ
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）
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Ｃｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎ ａｕｔｈｏｒ Ｅ ｍａｉｌ ｅｎ ｎｕａａｅ．ｄｕｃ．ｎ
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：
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，
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｉｍｉｎ ａｔｔｈｅ ｒｏｂｌｅｍｏｆ ｒｅｃｉｓｅａｌｉｎｍｅｎｔｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｒｍ ａｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔａｌｉｎｍｅｎｔ
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ｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｍｏｎｏｃｕｌａｒｖｉｓｉｏｎｉｓ ｒｏｏｓｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎ ｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔｗｉｔｈｍｏｎｏｃｕｌａｒｖｉｓｉｏｎ
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，
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄａｓｅｃｉａｌｉｚｅｄｈａｎｄｅｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｅｌ ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓａｂｌｅｔｏ ｕｉｃｋｌ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅ
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ｈａｎｄｅｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉ ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃａｍｅｒａｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｓｔｅｍａｎｄｔｈｅａｌｉｎｍｅｎｔａｘｉｓｏｎｔｈｅｒｏｂｏｔ＇ｓｅｎｄ
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，
ｅｆｆｅｃｔｏｒ．Ｉｎｔｈｅａｌｉｎｍｅｎｔｓｔａｅ ｔｈｅａｔｔｉｔｕｄｅｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｅｃｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂ ｍｏｎｏｃｕｌａｒｖｉｓｉｏｎｓｓｔｅｍ
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，
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，
ａｎｄｔｈｅｎ ａｃｃｏｒｄｉｎ ｔｏｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎ ｈａｎｄｅｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉ ａｎｄ ｄａｔｕｍ ｏｓｔｕｒｅ ｔｈｅ ｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ
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ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅａｌｉｎｍｅｎｔａｘｉｓａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｅｃｅｏｆｔｈｅａｌｉｎｍｅｎｔａｘｉｓａｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄ．Ｔｈｅ
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ｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｖｅｒａｅ ｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅａｌｉｎｍｅｎｔｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ０．２°ｕｎｄｅｒｔｈｅ
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ｍｅａｓｕｒｉｎ ｄｉｓｔａｎｃｅｏｆ１５０ｍｍ．
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： ； ； ； ；
Ｋｅ ｗｏｒｄｓ ｏｓｉｔｉｏｎａｌｉｎｍｅｎｔ ｍｏｎｏｃｕｌａｒｖｉｓｉｏｎ ｏｓｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｈａｎｄｅｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔｓ
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：
；
：
修订日期
２０１７０８１８．
收稿日期
２０１７０７０３
－ －
ꢀꢀ
－
－
： ；
基金项目 上海航天科技创新基金资助项目 国家自然科学科学基金资助项目
（
）；
江苏省自然科学基金
Ｎｏ ．５１６０５２２２
ꢀꢀ
（
）；
南京航空航天大学基本科研业务费资助项目
（
）
资助项目
Ｎｏ ．Ｂ Ｋ２０１６０７９９
Ｎｏ ．Ｎ Ｓ２０１５０５３
光学 精密工程
ꢀ
第
卷
ꢀ
２６
７３４
ꢀꢀꢀꢀꢀ
ꢀꢀꢀꢀꢀ
［
］
１３
；
前者
，
助辅助相机作为中转 实现手眼的标定
引
言
ꢀ
１
ꢀ
工业机器人 对准 技术是 工业 机 器 人 实 现 对
标定的精度易受工 业机器人精度和 回 程误 差影
［
］
。
１４
－
、
、
、
接 装配 抓取 钻孔等功能的技术基础
实现
工业机器人对准 通常采用两种办法 第一种是采
用示教或离线编程的方式调节工业机器人末端执
， ，
响 后者借助辅助相机 对辅助相机摆放位置有限
［ ］
１４
，
：
。
Ｚｈｕ
制
等
采用高精度的 手眼标 定 板和 稳定
， ，
的椭圆提取方法 根据弱透视原理 实现相机的标
，
行器每次以固定的姿态到达同一个固定的位置
，
定和手眼标定 搭建一个实用单目视觉工业机器
，
通过调节工件的位姿 与工业机器人末端执行器
，
人钻孔系统 并获得较好的钻孔精度
。
［］
５
；
对准
第二种是给工业机器人末端安装位姿测
本文提出了一种基于单目视觉的工业机器人
， ，
量传感器 通过测量工件位置和姿态 调节工业机
。
对准技术 该技术采用
，
方式 利用
Ｅ ｅｉｎＨａｎｄ
ｙ
－ －
。
器人末端执行器的姿态并与工件对准 前者高度
，
特制的手眼标定板 获得了工业机器人末端执行
， ，
依靠机器人精度 对工件位置和姿态要求严格 存
， ，
器与相机之间的手眼关系 并在此基础上 利用
Ｎ
， ，
在累计误差 常用于喷漆 简单抓取等低精度的场
（ ） ，
原理 解算出工业机器人末端与工
ＰＮＰ
点透视
。
，
后者通过调节工业机器人末端与工件对准
合
。
件对准时的位姿 与一般的基于视觉的工业机器
， 。
对工件位姿要求低 更加灵活实用 常见对工件
，
人对准方法相比 本文方法获得手眼关系时不需
、
位姿测量方法有陀螺仪导向 激光标靶导向和视
要辅助相机或者多次变换工业机器人至不同的位
［］
６
。
觉测量
陀 螺仪 的测 量精 度 受 机 械 加 工 和 装
， ，
置 因此该对准技术更加灵活 更适合工厂的实际
、 、 ， ，
配 振动 累计误差等影响 需要定期校准 稳定性
。
应用
， ， 。
差 测量精度低 常作为辅助测量 激光标靶导向
系统组成及技术原理
２
ꢀ
法主要使用激光 标靶和 全站 仪对工件的 位姿测
系统软硬件组成
２．１
ꢀ
， 、 、 ，
量 具有测量效率高 范围广 精度高等优点 但要
基于单目视觉的工业机器人对准系统主要由
［］
７
。
视觉测量技术是建立
，
联合全站仪 结构复杂
、 、 、 （
工业机器人 相机 对准轴 对准目标 含有对准孔
［］
８
，
在计算机视觉研究基础上的一门新兴技术
具
）、
和对准参考板 标定板及对准位姿计算处理软件
、 、 ，
有非接触 精度高 实时性强等优点 因此把工业
， 。
等构成 如图 所示 相机和对准轴都安装在工
１
机器人对准技术与视觉测量技术相结合已成为工
，
业机器人法兰盘上 对准轴和相机的光轴近似平
。
业机器人应用研究的热点之一
；
行 对准参考板上加工出相对位置已知的高精度
）；
对
单目视觉测量是利用视觉传感器获取工件特
（
群排孔 本文采用 个直径为
的圆孔
９
５ ｍｍ
， ，
征点的图像 然后结合视觉测量原理 估计三维物
，
准孔和对准参考板都固定在工件同一侧上 两者
， ， 、
体的位置和姿态 其结构简单 视场大 无需立体
，
的几何关系可通过机加或装配保证 且对准参考
［］
９
。
，
把单目视觉测量和工业机器人相结合
匹配
板的中心到对准孔中心的距离和相机光轴到对准
，
组成工业机器人视觉系统 使机器人具备一定的
，
轴的轴线之间的距离近似相同 这样当对准轴与
， ，
环境认知能力 增强了工业机器人柔性 具有重要
［
］
１０
。
研究意义
根据相机与工业机器人的位置关
，
系 机 器 人 视 觉 系 统 可 以 分 为
：
Ｅ ｅｉｎＨａｎｄ
ｙ
和
－
－
。
相机安装在机械臂本体之外的固
Ｅ ｅｔｏＨａｎｄ
ｙ
－ －
，
定位置 且相机不随机械臂运动的视觉系统称为
，
式手眼系统 这种方式已经研究很
Ｅ ｅｔｏＨａｎｄ
ｙ
－ －
。 ，
多而且技术成熟 相机安装在机械臂末端 并随
机械臂 一 起 运 动 的 视 觉 系 统 称 为
Ｅ ｅｉｎＨａｎｄ
ｙ
－ －
， ，
式手眼系统 该方式具有测量误差小 视野不受阻
，
挡等优点 是工业机器人视觉应用领域的关键内
， 。
容 也是难点 常见的
式手眼标定
Ｅ ｅｉｎＨａｎｄ
ｙ
－ －
图
单目视觉对准系统示意图
１
ꢀ
：
方法有 通过控制工业机器人末端变换至不同的
Ｆｉ．１ Ｓｓｔｅｍｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｍｏｎｏｃｕｌａｒｖｉｓｕａｌａｌｉｎｍｅｎｔ
ｇ ꢀ ｙ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ｇ
［
］
１２
，
或者借
，
位置 拍摄同一个靶标实现手眼标定
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