一种基于视觉识别的工业机器人示教装置及方法

1.一种基于视觉识别的工业机器人示教装置，其特征在于：其包括：
工业机械人的机械手(1)，其端部设有对待测工件(3)工作的机械手末端(11)；
大视场相机(2)，拍照视场覆盖机械手(1)的整个有效工作范围；
小视场相机(4)，固定在机械手(1)的末端，随机械手(1)的手臂一起移动；以及机械手示教器(5)，接收大视场相机(2)和小视场相机(4)拍摄的图像并预处理相机拍照传来的图像，机械手示教器(5)内设有用于识别被测工件的轮廓尺寸信息，并通过其设定机械手移动点位路径的图像分析软件。
2.权利要求1所述的基于视觉识别的工业机器人示教方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：对机械手坐标系及大、小视场相机坐标系进行标定，将所有坐标系统一到同一个坐标系；
第二步：大视场相机对机械手工作场景进行拍照，同时大视场相机拍摄的图像对机械手的点位运动路径进行粗定位，机械手示教器的图像分析软件识别出被测工件的轮廓尺寸信息，通过图像分析软件设定机械手移动的点位路径；
第三步：机械手运动到粗定位点后，由小视场相机对粗定位点位置进行拍照，寻找被测工件的特征信息，移动机械手至小视场相机的图像中心点与被测工件的特征区域中心点重合，该点即为机械手在该处精确的点位信息。
3.根据权利要求2所述的示教方法，其特征在于：所述第二步还包括：图像分析软件还需判断机械手的点位移动过程中是否有障碍物，如有障碍物，需进行避障，即根据障碍物的位置与形状，对机械手的点位运动路径进行规划。
4.根据权利要求2或3所述的示教方法，其特征在于：所述第一步的具体方法为：选择一标定板置于机械手的工作区域，标定板作为待测工件，大视场相机能对整块标定板成像，以标定板的中心点为坐标原点，建立一个直角坐标系，此坐标系即为机械手点位运动的坐标系，机械手坐标系和大小视场相机坐标都要以此坐标系为基准。
5.根据权利要求4所述的示教方法，其特征在于：所述第二步的具体方法为：根据机械手在标定板上的点位运动坐标系，建立从大视场相机坐标系转换到机械手点位运动坐标系的转换矩阵；然后统一机械手坐标系与机械手的点位运动坐标系。
6.根据权利要求5所述的示教方法，其特征在于：所述机械手的点位运动路径的规划过程为：大视场相机对标定板成像，由图像处理软件对大视场相机拍摄的图像进行处理，求出标定板的轮廓特征，再在示教器上选择机械手的点位信息，并通过坐标转换矩阵将图像坐标转换为机械手 点位运动坐标系坐标。
7.根据权利要求6所述的示教方法，其特征在于：标定板采用棋盘格、或者有规则格子的板。
8.根据权利要求7所述的示教方法，其特征在于：大视场相机的图像坐标转换为机械手点位运动坐标包括如下过程：
B1：大视场相机坐标到机械手点位运动坐标的坐标转换矩阵，通过此转换矩阵将大视场相机的图像坐标转换为机械手点位运动坐标；
B2：统一机械手(1)的坐标系与机械手(1)的点位运动坐标系，保证两坐标系平行。
9.根据权利要求8所述的示教方法，其特征在于：所述步骤B1的具体方法为：首先，由图像处理软件对大视场相机拍摄的标定板图像进行处理，求标定板所有格点在图像中的像素坐标；然后，建立一个大视场相机坐标到机械手点位运动坐标的坐标转换矩阵，通过此转换矩阵，可将大视场相机的图像坐标转换为机械手点位运动坐标。
10.根据权利要求9所述的示教方法，其特征在于：大视场相机的图像坐标转换为机械手点位运动坐标的过程为：设定x坐标为标定板平行于水平面的坐标，y坐标为垂直于x坐标，xy坐标系为机械手点位运动坐标系，x坐标与y坐标的交叉点为0点，即：标定板的中心点，此点将作为机械手的点位运动坐标系的原点；在坐标系中选择三点：p1、p2、p3为人工在示教器上选定的三个点，假设点p1、p2、p3在图像上的像素坐标已知,假设为(p1r,p1c)，(p2r,p2c)，(p3r,p3c)，根据建立的机械手点位运动坐标系：设定点p1、p2、p3在机械手点位运动坐标系中的坐标分别为(-2,3)、(3,1)、(2,-2)，建立一个像素点坐标换算至机械手点位 运动坐标的 即：
计算出转换矩阵的各个值后，就可根据转换矩阵将图像上的各个点转换为机械手点位运动坐标系中的坐标。
11.根据权利要求10所述的示教方法，其特征在于：所述选择的三点p1、p2、p3为棋盘格中某个小方格的顶点。
12.根据权利要求9所述的示教方法，其特征在于：所述步骤B2的具体方法为：用大视场相机对标记的两标记点成像，求出该两标记点在图像上的坐标并换算至机械手的点位运动坐标系，计算这两点在机械手点位运动坐标中的距离以及与水平方向的夹角。
13.根据权利要求12所述的示教方法，其特征在于：所述步骤B2所述的方法，多次调整或旋转机械手至两点在机械手点位运动坐标系中的距离和方向与机械手坐标系的一致。
14.根据权利要求13所述的示教方法，其特征在于：假定机械手坐标系控制机械手沿其x轴正方向从位置S1处移动到位置S2处，并在各位置处标记之，大视场相机对标记点拍照，求出标记点中心点的图像坐标，假设S1＝(S1r,S1c),S2＝(S2r,S2c)，机械手(1)的点位运动坐标系的坐标为S1*转换矩阵，S2*转换矩阵，机械手的点位运动坐标系中线段S1、S2与x轴正方向夹角即为机械手坐标系与机械手点位运动坐标系统一需要调整的角度。
15.根据权利要求9所述的示教方法，其特征在于：所述第三步包括如下步骤：
C1：运动机械手末端至其工作位置，小视场相机对标定板成像，计算小视场标定板图像中一个格子的实际长度S与其像素长度的比例即可以得到小视场相机的标定系数C:
C2：大视场相机对机械手工作范围内的待测工件成像，待测工件或待测工件及其障碍物的外形轮廓，粗略选定机械手运动的各个点位的像素坐标，并通过所述第一步，将各个点位的像素坐标转换为机械手点位运动坐标；
C3：驱动机械手按该路径运动，机械手运动至各粗略定位点之后，由小视场相机对当前环境进行成像，计算小视场相机中心点与机械手的末端工作点的像素距离，根据C1步骤所得标定结果将像素距离换算成长度距离，并驱动机械手移动小视场相机中心与机械手的末端工作点重合，小视场相机中心点与机械手的末端工作点的重合点加上小视场相机中心点与机械手末端的固定偏移量即为机械手在该处的精确点位信息。

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