基于视觉引导的工业机器人示教编程系统

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1、2016年3月北京航空航天大学学报March2016第42卷第3期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No·3http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001·5965．2015．0218基于视觉引导的工业机器人示教编程系统倪自强，王田苗8，刘达(北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京100083)摘要：针对目前工业机器人所采用的编程方式的局限性，提出了基于

2、视觉引导的工业机器人示教编程方式。首先采用奇异值分解(SVD)法建立双目视觉系统与机器人的坐标映射关系，通过双目视觉系统识别和提取特定的示教工具末端位姿，以得到规划机器人运动所需的位姿数据。然后解析机器人控制器可执行文件的格式，将位姿数据转化为机器人可以执行的文件。最后通过试验验证了视觉引导示教方式的可行性，并对示教跟踪精度进行了分析，结果表明，跟踪误差最大为一1．18mm，均方根误差为0．47mm。关键词：工业机器人；示教编程；视觉；焊接；奇异值分解(SVD)中图分类号：V221+．3；TB553文献标识码：A文章编

3、号：1001．5965(2016)03-0562国7工业机器人是一种在编程和控制下完成重复性工作的机械装置，已在焊接、搬运和喷绘等工业生产中得到广泛应用⋯。但由于普通的工业机器人不具备环境感知和交互的能力，且其编程方式也比较繁琐，极大地限制了工业机器人进一步大规模应用。特别是在电子制造和装配行业中，大部分重复性的工作还是由人工来完成，其主要原因是当前工业机器人需花费较长时间编程和调试。即使是在焊接行业中，机器人也只应用于循环生产周期较长的环节中，否则将大幅度增加投资成本。当前工业机器人的编程方式主要有2种：示教编程和离

4、线编程。示教编程需要示教者利用手持编程器在线设定机器人的运行轨迹，其优点为操作直接，但只能进行直线、圆弧组成的轨迹的编程，对于复杂轨迹，示教过程将相当繁琐，也很难实现高精度的示教再现轨迹。离线编程不需要在线对机器人进行编程，它利用CAD技术建立机器人和工件的三维几何模型，再通过机器人真实的运动学参数模拟机器人运行轨迹，然后将运行轨迹转化为机器人可以执行的程序，以达到机器人编程的目的。离线编程的缺点是需要较高精度机器人和工件的三维模型及二者的相对位置关系，一旦焊件位置与原始位置出现偏差，将严重影响焊接质量旧⋯。另外，由于

5、示教编程和离线编程方式要花费大量的时间调试和测试，在实际工作中往往会限制生产效率。为解决工业机器人应用的局限性，研究人员尝试为机器人配备更多的传感器，以获得更多的环境感知信息，使其实现机器人自主编程和运动，从而简化机器人编程调试过程。目前使用最多的是视觉传感器，通过视觉传感器采集图像，利用图像处理算法提取所需信息，然后获取机器人目标路径数据，以实现机器人的自主移动。West最早开发了基于双目立体视觉的机器人路径规划系统，通过对跟踪目标三维视觉建模，实现焊接机器人对焊机轨迹的自主追踪¨J。随着光照、材质的改变，即使是同一

6、形状的焊缝，在图像上也表现出收稿日期：2015-04-13；录用日期：2015-05-08；网络出版时间：2015-06．1715：17网络出版地址：WWW．cnki．net／kems／detail／11．2625．V．20150617．1517．007．html基金项目：国家“863”计划(2013&A041201)；国家自然科学基金(61175104)$通讯作者：Tel．：010-82338271E．mail：itm@buaa．edu．crl引用格式：倪自强，王田苗，刘送．基于视觉引导的工业机器入示教编翟系统fJJ

7、．北京航空航天大学学报，2016，42f3)：562．568．NIZQ，WANGTM，LIUD．Visionguidebasedteachingprogrammingforindustna!robotfJJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(3)：562—568(inChinese)．第3期倪自强，等：基于视觉引导的工业机器人示教编程系统563很大的差异，这使得单纯以视觉传感器对机器人进行路径规划的方式很难获得广泛应用。为此研究

8、人员尝试用激光、结构光辅助的方式降低直接通过视觉检测的难度¨。。。除了增加成本外，对于复杂的工件，激光和结构光很容易发生遮挡，使得这种方式的使用受到一定程度的限制。另外，当前研究中，以视觉传感器对机器人路径规划的过程中，提取的信息只包括目标路径的位置信息，即只能对机器人末端的位置自主控制，而不能对其姿态自主给定，这也在一定程度上降