【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種基于線激光輪廓傳感器的機械臂視覺引導對準方法，用于引導機械臂末端工具自動對準目標物。
技術介紹
1、機械臂的視覺引導是指依靠視覺傳感器對目標物的感知能力，引導機械臂以期望姿態運動至靠近的目標物的期望位置，從而使得機械臂末端工具能夠實現對目標物進行對準、抓取、焊接、噴涂等操作，又被稱為機械臂的視覺伺服。
2、視覺伺服常用視覺傳感器包括普通光學相機、立體相機、激光雷達等。普通光學相機由于無法直接獲取深度目標物信息而多用于基于圖像的視覺伺服，立體相機、激光雷達等視覺傳感器能直接獲取目標物的三維位置而多用于基于位置的視覺伺服。根據視覺傳感器的安裝位置不同，視覺伺服又可分為eye-in-hand和eye-to-hand兩種，eye-in-hand指將視覺傳感器安裝于機械臂上，隨機械臂一起運動，eye-to-hand指將視覺傳感器安裝于機械臂之外，對機械臂末端工具和目標物同時進行觀測。基于位置的eye-in-hand視覺伺服方案以其安全、高效、靈活且方便部署而應用廣泛。
3、在視覺傳感器中，普通光相機無法直接獲取目標物深度信息，進行基于圖像的視覺引導方案時需要實時推算圖像雅可比矩陣及其逆矩陣，其在參數求解時容易出現的多解問題以及圖像雅克比矩陣奇異問題，導致其在全局性能上表現較差，可靠性低。
4、基于位置的視覺引導方案中常用立體相機包括雙目相機和結構光相機。雙目相機根據視差恢復深度，能夠獲得厘米至亞毫米級的三維位置測量精度，測量頻率也能夠達到普通光學相機的水平，但是對于若紋理目標容易失效，
5、激光雷達通過飛行時間測量法進行目標物距離的測量，然后根據激光束的水平角和垂直角進行三維位置的計算。多線激光雷達多適合長距離、大范圍的三維場景掃描，精度通常在厘米至毫米級，掃描頻率在10-20赫茲，多應用于測繪、自動駕駛，而在機械臂的視覺引導中應用較少。
6、機械臂視覺引導的效果取決于視覺傳感器的性能。視覺傳感器測量精度越高，機械臂期望位姿精度計算越高，機械臂視覺引導越準確；視覺傳感器測量頻率越高，閉環控制回路中反饋頻率越高，機械臂視覺引導越高效。
7、但是，目前機械臂視覺引導常用傳感器測量精度最高只能達到亞毫米級，測量頻率通常在幾至幾十赫茲，使得視覺引導效果受限，對于超高精度、超高響應要求的機械臂視覺引導場景，如手術機器人，現有傳感器及方法往往難以滿足要求。
技術實現思路
1、為解決上述問題，本專利技術提出一種基于線激光輪廓傳感器的機械臂視覺引導對準裝置。
2、本申請提供了一種機械臂視覺引導對準裝置，包括：
3、目標物，為圓盤狀；
4、多個線激光輪廓傳感器，安裝于機械臂末端，用于向所述目標物的發出條帶狀激光束，所述多個線激光輪廓傳感器發出的多個條帶狀激光束之間呈一夾角，多個線激光輪廓傳感器用于對目標物進行位姿感知并生成位姿感知數據；
5、視覺引導系統，包括數據處理單元，所述數據處理單元用于接收并處理多個線激光輪廓傳感器生成的位姿感知數據，得到機械臂末端期望位姿；
6、軌跡規劃系統，用于根據機械臂末端期望位姿規劃機械臂末端由當前位姿至期望位姿的連續運動軌跡，以引導機械臂末端工具對準所述目標物。
7、根據本申請的至少一個實施例，其中，所述多個線激光輪廓傳感器的數量為三個。
8、根據本申請的至少一個實施例，其中，所述多個條帶狀激光束在圍繞目標物圓心的方向上均勻分布。
9、根據本申請的至少一個實施例，其中，所述視覺引導系統的數據處理單元的處理過程包括：
10、提取目標物的邊緣點；
11、根據目標物的邊緣點，通過空間圓擬合確定目標物的邊緣圓；
12、解算邊緣圓在視覺傳感器坐標系下的期望位姿；
13、解算機械臂期望位姿。
14、根據本申請的至少一個實施例，其中，每個線激光輪廓傳感器包括激光接收裝置和激光發射裝置，所述激光接收裝置用于接收目標物反射光的變化，獲取目標物表面的線狀激光點云。
15、本申請還提供了一種機械臂視覺引導對準裝置的操作方法，包括：
16、s1：使多個線激光輪廓傳感器發出條帶狀激光束，對圓盤狀目標物的圓盤面進行掃描，得到多條線狀激光點云，線狀激光點云與目標物的邊緣相交形成相交點；
17、s2：通過相交點的粗糙度大小特征，在多條線狀激光點云中提取出圓盤狀目標物的所有疑似邊緣點；
18、s3：根據目標物的邊緣點，通過空間圓擬合確定目標物的邊緣圓；
19、s4：解算邊緣圓在視覺傳感器坐標系下的期望位姿，再解算機械臂末端在基坐標系下的期望位姿。
20、根據本申請的至少一個實施例，其中，步驟s3中，通過判斷計算得到的空間圓半徑是否與目標物的制造半徑相等，判斷目標物的邊緣點是否提取正確。
21、根據本申請的至少一個實施例，其中，上述步驟s1-s4持續進行，視覺引導系統持續計算機械臂末端的期望位姿，經軌跡規劃持續傳遞給機械臂位置控制環，機械臂持續將末端最新位姿傳遞給視覺引導系統。
22、根據本申請的至少一個實施例，其中，當需要機械臂末端工具精確對準某任意形狀物體上的某個位置時，將圓盤狀目標物安裝于該位置。
23、本申請還提供了一種其上存儲有軟件指令的計算機可讀存儲介質，所述軟件指令在被執行時實施上述方法。
24、本申請提供的機械臂視覺引導對準裝置，解決了立體相機、激光雷達等視覺伺服常用傳感器精度有限、數據采集頻率較低的問題，實現微米級機械臂視覺引導對準精度，及閉環控制回路中上千赫茲的位姿反饋頻率，可廣泛應用于超高精度、超高響應速度要求的機械臂視覺引導對準場景。
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1.一種機械臂視覺引導對準裝置，包括：
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述多個線激光輪廓傳感器的數量為三個。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述多個條帶狀激光束在圍繞目標物圓心的方向上均勻分布。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述視覺引導系統的數據處理單元的處理過程包括：
5.根據權利要求1所述的裝置，其中，每個線激光輪廓傳感器包括激光接收裝置和激光發射裝置，所述激光接收裝置用于接收目標物反射光的變化，獲取目標物表面的線狀激光點云。
6.根據權利要求1所述的機械臂視覺引導對準裝置的操作方法，包括：
7.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟S3中，通過判斷計算得到的空間圓半徑是否與目標物的制造半徑相等，判斷目標物的邊緣點是否提取正確。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，上述步驟S1-S4持續進行，視覺引導系統持續計算機械臂末端的期望位姿，經軌跡規劃持續傳遞給機械臂位置控制環，機械臂持續將末端最新位姿傳遞給視覺引導系統。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，當需要機械臂
10.一種其上存儲有軟件指令的計算機可讀存儲介質，所述軟件指令在被執行時實施根據權利要求6-9中任一項所述的方法。
...【技術特征摘要】
1.一種機械臂視覺引導對準裝置，包括：
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述多個線激光輪廓傳感器的數量為三個。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述多個條帶狀激光束在圍繞目標物圓心的方向上均勻分布。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述視覺引導系統的數據處理單元的處理過程包括：
5.根據權利要求1所述的裝置，其中，每個線激光輪廓傳感器包括激光接收裝置和激光發射裝置，所述激光接收裝置用于接收目標物反射光的變化，獲取目標物表面的線狀激光點云。
6.根據權利要求1所述的機械臂視覺引導對準裝置的操作方法，包括：
7....
【專利技術屬性】
技術研發人員：馬洋洋，劉大勇，楊譜，徐苗，王迎春，劉皓，朱勃帆，
申請(專利權)人：中國空間技術研究院杭州中心，
類型：發明
國別省市：
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