CN1419104A - 物体空间位姿检测装置 - Google Patents

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CN1419104A
CN1419104A CN 02158692 CN02158692A CN1419104A CN 1419104 A CN1419104 A CN 1419104A CN 02158692 CN02158692 CN 02158692 CN 02158692 A CN02158692 A CN 02158692A CN 1419104 A CN1419104 A CN 1419104A
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China
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camera
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CN 02158692
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丁希仑
解玉文
战强
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Beihang University
Beijing University of Aeronautics and Astronautics
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Beihang University
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Abstract

本发明公开了一种物体空间位姿检测装置，属于精密自动测量装置，其由装在机器人末端的摄像机和超声传感器、计算机组成，摄像机和超声传感器由数据线与计算机中的图像采集卡和超声信息采集卡相连，机器人由控制总线与计算机相连。本发明的检测装置取代了传统的双目视觉检测，通过单幅图像获取物体上的任意点在图像中的理想坐标，求得该点与摄像机中心连线的方向，然后通过机器人末端的运动，导引超声传感器与未移动前摄像机坐标系的原点重合，而其轴向与求得的连线方向相同，再由超声传感器测出该连线的长度，从而确定该点在摄像机坐标系中的坐标，并可以进一步转换到机器人基坐标系中。通过测量操作物体上的两点的空间坐标，就能够确定物体的空间姿态。本物***姿检测方法简单易行，计算量小，精度较高。

Description

物体空间位姿检测装置
                      技术领域
本发明涉及一种精密自动测量装置，特别是涉及一种借助机器人、摄像机、超声传感器、计算机进行物***姿检测的物体空间位姿检测装置。
                      背景技术
随着科技的发展，机器人得到了越来越广泛的应用，例如自动装配，自动焊接、喷漆，机械零件的检查等。在这些应用中，被测物***姿的检测是实现对被测物体操作的前提。现有的检测方法一般都是利用双目视觉实现，但是该方法需要处理的数据量极大，双目视觉中的图像匹配算法，还不尽完善，误差较大。
                      发明内容
为了克服上述方法的不足，本发明提出一种新的检测物***姿的方法，可以通过装在机器人臂末端的摄像机和超声传感器，只需采集单副图像，经过计算机的处理，就可以实现对被测物***姿的检测。
本发明的一种物体空间位姿检测装置，由装在机器人末端的摄像机和超声传感器、计算机组成，还涉及一物***姿检测***存储在计算机内，摄像机和超声传感器安装在机器人手臂的末端，摄像机和超声传感器由数据线与计算机中的图像采集卡和超声信息采集卡相连，机器人由控制总线与计算机相连。
所述的检测装置，其摄像机和超声传感器平行布置固定的位置根据机器人的结构变化有所不同，固定在机器人拾取物体部件的末端。
所述的检测装置，由单个摄像机和单个超声传感器组成物***姿检测所需的信息采集单元。
所述的检测装置，被检测物体的位姿只需采集一副图像，由摄像机采集的图像获取物体上的点与摄像机中心连线的方向，由超声传感器获取该连线的长度。
所述的检测装置，摄像机采集被测物体的一副图像，并由视频及数据线传到计算机中，通过对图像的处理，可以获得物体上的任意一点P到摄像机中心O的投影矢量 的方向，然后由超声传感器测量 的长度，从而可以确定点P在摄像机坐标系OXYZ中的坐标，该坐标可以最终转换到机器人的基坐标系中。由点的图像坐标获取其理想坐标，该理想坐标对应的点与摄像机中心的连线与物体上对应点与摄像机中心的连线重合。
所述的检测装置，超声传感器可采用激光传感器。
所述的检测装置，其特征在于：摄像机和超声传感器也可以平行布置安装在机器人碗部的末端。
空间点的位置一般需要两幅图像，用两条投影线的交点来确定。而本发明提出的方法则可以用一幅图像外加超声(或激光)测距即可确定空间点的位置。
与双目视觉相比，本发明从根本上避免了由于图像匹配所引起的不确定性和误差。在空间点的图像坐标确定后，它在摄像机坐标系中的坐标可以通过简单的计算就可以得到。而双目视觉则要先进行图像匹配，然后再求投影线的交点。显然本发明大大减少了计算量，提高了检测速度。
                       附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是确定投影矢量的方向示意图产。
图3是确定投影矢量的长度示意图。
图中：1.摄像机  2.超声传感器  3.被测物体  4.工作台5.机器人  6.计算机  7.数据线  8.控制总线  9.图像平面
                      具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
请参见图1所示，本发明的物体空间位姿检测装置，由装在机器人末端的摄像机和超声传感器、计算机和储存在计算机内的物***姿检测***组成，单个摄像机和单个超声传感器安装在机器人手臂的末端，摄像机和超声传感器由数据线与计算机中的图像采集卡和超声信息采集卡相连，机器人由控制总线与计算机相连。
在本发明中，将被测物体3放置在工作台4上，由摄像机1采集一副图像，该图像由视频及超声数据线7传输到计算机6中，并由计算机6中存储的操作控制软件对它进行处理。例如，在被测物体3上设定一点P，对于物体上的一点P，要测量它在摄像机坐标系OXYZ中的坐标，需要确定投影矢量
Figure A0215869200051
的方向和长度。考虑到摄像机镜头引起的畸变，由点P的图像坐标Pu可以得到其理想图像坐标(补偿摄像机镜头畸变引起的变形)Pi，由于
Figure A0215869200052
长度已知(即摄像机镜头焦距f)，那么就可以获得 在摄像机坐标系中的方向，
Figure A0215869200054
的方向就是与
Figure A0215869200055
的方向(如图2所示)。通过控制机器人5的运动，使超声传感器2的坐标原点移动到O点，轴线与 重合，那么超声传感器2的测量值就是
Figure A0215869200057
的长度。这样，点P在摄像机1坐标系中的坐标就可以得到了，并可以最终转化为在机器人5基坐标系中的坐标。用该方法可以测得物体投影重心在机器人5基坐标系空间的坐标，也就是物体的位置坐标。不失一般性，可以用物体投影最长轴的姿态代表物体的姿态。该轴的两个端点的空间坐标可以用上述过程测得，就可以进一步计算出该轴线在机器人基坐标系中的姿态。这样物体的位置和姿态就完全确定下来。
例如，对于放在工作台上的工件，设其重心点为C，则可以测得 与摄像机坐标系各轴间的夹角为：与X轴夹角是68.2694°，与Y轴夹角是60.4186°，与Z轴夹角是38.1027°，测得 的长度为42.2019mm，那么它在摄像机坐标系中的坐标为X＝5.6250mm，Y＝20.8333mm，Z＝33.2089mm，被测工件在机器人基坐标系中的坐标为X＝27.7815mm，Y＝98.6157mm，Z＝34.5791mm。被测工件在机器人基坐标系中的姿态角为：与X轴夹角是62.6605°，与Y轴夹角是74.6356°，与Z轴夹角是32.0197°。
本发明提出的方法可以用一幅图像外加超声(或激光)测距即可确定空间点的位置。
与双目视觉相比，本发明从根本上避免了由于图像匹配所引起的不确定性和误差。在空间点的图像坐标确定后，它在摄像机坐标系中的坐标可以通过简单的计算就可以得到。而双目视觉则要先进行图像匹配，然后再求投影线的交点。显然本发明大大减少了计算量，提高了检测速度。

Claims (8)

1.一种物体空间位姿检测装置，由机器人、摄像机、超声传感器、计算机组成，其特征在于：还涉及一物***姿检测***存储在计算机内，摄像机(1)和超声传感器(2)平行布置安装在机器人手臂的末端，摄像机(1)和超声传感器(2)由数据线与计算机中的图像采集卡和超声信息采集卡相连，机器人(5)由控制总线(8)与计算机(6)相连。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：由单个摄像机(1)和单个超声传感器(2)组成物***姿检测所需的信息采集单元。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：被检测物体(3)的位姿只需采集一副图像，由摄像机(1)采集的图像获取物体上的点与摄像机(1)中心连线的方向，由超声传感器(2)获取该连线的长度。
4.根据权利要求1、3所述的检测装置，其特征在于：摄像机(1)采集被测物体(3)的一副图像，并由视频及数据线(7)传到计算机(6)中，通过对图像的处理，可以获得物体上的任意一点P到摄像机(1)中心O的投影矢量 的方向，然后由超声传感器(2)测量 的长度，从而可以确定点P在摄像机坐标系OXYZ中的坐标，该坐标可以最终转换到机器人的基坐标系中。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于：由点的图像坐标获取其理想坐标，该理想坐标对应的点与摄像机中心的连线与物体上对应点与摄像机中心的连线重合。
6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：超声传感器(2)可采用激光传感器。
7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：摄像机(1)和超声传感器(2)平行布置固定的位置根据机器人的结构变化有所不同，固定在机器人拾取物体部件的末端。
8.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：摄像机(1)和超声传感器(2)也可以平行布置安装在机器人碗部的末端。
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