基于机器视觉的工业机器人定位系统

基于机器视觉的工业机器人定位系统

廖万辉 李琳

（华南理工大学机械与汽车工程学院机器人研究室，广州，510640）

【摘 要】建立了一个主动机器视觉定位系统，用于工业机器人对零件工位的精确定位。

采用基于区域的匹配和形状特征识别相结合的图像处理方法，该方法经过阈值和形状判据，识别出物体特征。经实验验证，该方法能够快速准确地得到物体的边界和质心，进行数据识别和计算，再结合机器人运动学原理控制机器人实时运动以消除此误差，满足工业机器人自定位的要求。

【关键词】工业机器人；机器视觉；图像识别；定位

Stereo Vision for Tracking and Location System Working on Industrial Robot

Liao Wanhui and Li Lin

（Robotics Research Laboratory, School of mechanic and auto engineering,

South China University of Technology, China, 510640）

Abstract: An active stereo vision for tracking and location system is built to work on industrial robot. A method combines area-based matching and the object’s shape to recognize object is proposed. It recognizes based on shape and segmentation. Test result showed that this method can correctly and quickly work out the boundary and centroid of object, the robot then moved to reduce the disparity as soon as possible based on the robot kinematics. It can achieve high rates of tracking and locating.

Key words: Industrial robot；Stereo vision；Imaging recognition；Locating

文献标识码：B 中图分类号：TP24

1.引言

目前工业机器人仅能在严格定义的结构化环境中执行预定指令动作，缺乏对环境的感知与应变能力，这极大地限制了机器人的应用。利用机器人的视觉控制，不需要预先对工业机器人的运动轨迹进行示教或离线编程，可节约大量的编程时间，提高生产效率和加工质量。 Hagger等人提出通过基于机器人末端与目标物体之间的误差进行视觉反馈的方法[1]；Mezouar等人提出通过图像空间的路径规划和基于图像的控制方法 [2]。国内这方面主要应用于焊接机器人对焊缝的跟踪。

本文利用基于位置的视觉伺服思想，以六自由度垂直关节型喷涂机器人为载体，提出一种基于机器视觉的工业机器人自定位控制方法，解决了机器人末端实际位置与期望位置相距较远的问题，改善了喷涂机器人的定位精度。

2.视觉定位系统的组成

机器人视觉定位系统构成如图1所示，在关节型机器人末端安装喷涂工具、单个摄像机，使工件能完全出现在摄像机的图像中。系统包括摄像机系统和控制系统：

（1）摄像机系统：由单个摄像机和计算机（包括图像采集卡）组成，负责视觉图像的采集和机器视觉算法；

（2）控制系统：由计算机和控制箱组成，用来控制机器人末端的实际位置；

经CCD摄像机对工作区进行拍摄，计算机通过本文使用的图像识别方法，提取跟踪特征，进行数据识别和计算，通过逆运动学求解得到机器人各关节位置误差值，最后控制高精度的末端执行机构，调整机器人的位姿。

项目名称：基于机器人化护理床的社区医护远程监护系统研发及产业化

基金颁发部门：广东省科技厅基金号：20054982304 基金申请人：张铁

项目经济效益：50万元

图1 喷涂机器人视觉定位系统组成

3. 视觉定位系统工作原理

3.1 视觉定位系统的工作原理

使用CCD 摄像机和1394系列采集卡，将视频信号输入计算机，并对其快速处理。首先选取被跟踪物体的局部图像，该步骤相当于离线学习的过程，在图像中建立坐标系以及训练系统寻找跟踪物。学习结束后，图像卡不停地采集图像，提取跟踪特征，进行数据识别和计算，通过逆运动学求解得到机器人各关节位置给定值，最后控制高精度的末端执行机构，调整机器人的位姿。工作流程如图2所示。

图2 视觉定位系统软件流程图

3.2 基于区域的匹配[5]

本文采用的就是基于区域的相关匹配方法。它是把一幅图像中的某一点的灰度领域作为模板，在另一幅图像中搜索具有相同（或相似）灰度值分布的对应点领域，从而实现两幅图像的匹配。在基于区域相关的算法中，要匹配的元素是固定尺寸的图像窗口，相似准则是两幅图像中窗口间的相关性度量。当搜索区域中的元素使相似性准则最大化时，则认为元素是匹配的。

定义),(j i P P 是模板图像中一点，取以),(j i P P 为中心的某一邻域作为相关窗口K ，大小为)12(+w ，假设K 在原始图中，水平方向平移u ∆，垂直方向平移u ∆后，K 所覆盖下的那块搜索区域叫做子图k S ，若K 和k S 相同，则它们的差为零，否则不为零。由此定义K 和k S 的相关函数为：

∑∑−=−=−=w w i w

w j k k

j i K j i S S K D 2)],(),([),( 当),(k S K D 达到最小，K 与k S 达到最佳匹配。

3.3 图像的特征提取

工作台上的工件与工作台背景在颜色方面具有很大的差别，即工件呈现为黑色，将这一

信息作为识别工件的重要特征。

工件的边缘处灰度有急剧的变化，可以以此判断出工件的边界点。采用扫描线的方法，扫描方向上灰度剧变的像素点就是边界点。最后，通过最小二乘法把找到的边界点拟合出圆周，并计算出圆心位置。