基于視覺引導的機器人軌跡規劃算法研究

摘要：針對視覺引導下的工件動態跟蹤系統，建立一種機器人軌跡規劃算法。通過視覺定位工件，然后將工件的相機坐標系轉換成機器人坐標系，根據工件移動速度和抓取點位置，插補出機器人夾持器的運動軌跡。

關鍵詞：視覺引導;圖像處理;機器人;軌跡規劃

0 引言

機器人對運動目標的跟蹤在現代工業領域的應用越來越廣泛，而傳統的示教方式顯然不適應目標路徑動態變化的情形[1-2]。目前，機器視覺是實現機器人對動態目標智能化跟蹤的關鍵[3-5]，研究視覺引導下的機器人軌跡規劃算法具有重要意義。

1動態跟蹤系統

動態跟蹤系統包括一個工業相機、一個裝有數據采集卡和運動控制卡的工控機和一套工業機器人。工業相機拍的每一幀圖像經數據采集卡進入工控機，對圖像進行分析，識別出工件的位置信息，通過軌跡控制算法及運動補償，得到機器人運動控制數據，經運動控制卡傳輸到機器人控制器，完成對機器人本體的運動控制，實現對運動目標的動態跟蹤。

2 視覺信息處理

紅外對射傳感器檢測到工件到達工業相機的視野中心，發出脈沖，觸發照明系統和工業相機，數據采集卡將采集的一幀圖像傳到工控機控制軟件。控制軟件首先對采集的圖像進行二值化處理，見圖1。從紅外對射傳感器前面向左掃描找到非0值像素，確定工件右邊界;從工件右邊界開始自上往下掃描，找到非0值像素，確定上邊界;以此類推，找到工件的左邊界和下邊界;根據確定的邊界值，計算出工件中心位置，見圖2。

點擊并拖拽以移動點擊并拖拽以移動

工件中心的位置是相對工業相機視野中心的偏移量，單位是像素。換算成距離值的公式是：點擊并拖拽以移動，其中d表示偏移距離，p_off表示像素偏移量，r表示相機分辨率，L表示和分辨率對應的視野實際長度。

由此獲得工件相對工業相機視野中心的坐標值點擊并拖拽以移動，實現工件的視覺定位。

3 機器人軌跡規劃

本文針對工業機器人平面抓取的應用，提出一種基于視覺引導的機器人軌跡規劃算法。通過視覺定位工件，然后將工件的相機坐標系轉換成機器人坐標系，根據工件移動速度和抓取點位置，插補出機器人夾持器的運動軌跡，具體步驟如下：

（1）工件的視覺定位。通過視覺信息處理，獲取工件軌跡的起點值點擊并拖拽以移動。經過t時間后，工件到達抓取點點擊并拖拽以移動。

（2）坐標變換。由于機器人夾持器的位置是通過機器人坐標系來描述的，所以必須把工件的相機坐標系轉換成機器人坐標系，才能實現機器人軌跡規劃。相機坐標系原點相對機器人坐標系的坐標是點擊并拖拽以移動，則點擊并拖拽以移動，則點擊并拖拽以移動。變換后得到機器人坐標系下的工件起點坐標點擊并拖拽以移動和抓取點坐標點擊并拖拽以移動。

（3）確定插值點。工件在機器人坐標系下由起始點A到夾持點B，夾持器則由C點到達B點。考慮到夾持器在夾緊前有一個下落的動作，所以夾持器應該在D點應到達工件上方，并在下落的同時，同步運動到B點夾持位置。D點坐標由夾持器下落距離和下落速度決定，點擊并拖拽以移動，點擊并拖拽以移動，其中s1是工件速度s2是夾持器下落速度d夾持器下落距離。這樣通過機器人夾持器的起點C、抓取點B和插值點D，獲得機器人運動軌跡的擬合曲線，見圖3。

點擊并拖拽以移動

4 試驗結果與分析

本文以三菱公司的RV-4FL-1D-S11機器人、AirTAC公司的HFZ25氣動夾持器、OMRON公司的FQ2-S20100N智能相機、研華公司的IPC-6606工控機為基礎搭建了基于視覺引導的機器人試驗平臺。

通過在夾持點上方拍照并使用HALCON進行誤差分析，獲得了工件在不同的傳輸速度下，夾持器在x軸和y軸的軌跡偏差，見表1。

試驗數據證明，當工件速度≤0.5m/s時，在視覺引導下，機器人夾持器的誤差不超過0.2mm，具有較高的定位精度，滿足一般氣動夾持的定位要求。

5 結束語

采用視覺圖像定位工件，插補出機器人夾持器的運動軌跡，實現了基于視覺引導的機器人軌跡規劃， 并取得了較高的定位精度。試驗證明本文提出的算法與試驗方案是可行的， 為進一步研究機器人軌跡的視覺引導具有一定的參考意義及實用價值。

參考文獻：

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[5]王捷，金明河，張國亮，胡海鷹，劉宏.視覺引導下機器人任意軌跡跟蹤試驗研究[J].機械與電子，2009（03）：3-6.

作者簡介：姜榮東（1967-），男，河北吳橋人，滄州師范學院機械與電氣工程學院實驗師，研究方向：機電一體化。

基金項目：滄州市重點研發計劃指導項目（183102002）