视觉三维定位的工业机器人关键技术研究与应用

2017-04-12

在国家教育主管部门和广东省产学研结合项目（2012B091000167）的支持下，华南农业大学工程学院和广州数控设备有限公司的研究人员合作开展了“视觉三维定位的工业机器人关键技术研究与应用”课题研究，研发了视觉三维定位的工业机器人，包括双目视觉识别与定位软件、单目视觉与激光联合的三维识别与定位软件、工件抓取末端执行器、6自由度机器人本体、电机与控制系统、视觉与控制通信系统等。研发出的视觉智能机器人能对摆放有序、无序的多目标工件（目标）位姿进行识别、深度信息获取、三维空间坐标反求。相关技术在工件定位与抓取、木材缺陷检测与分拣堆叠、野外荔枝采摘等领域进行了创新应用与示范。该智能工业机器人能够在复杂环境下对随机多目标进行自动识别定位与抓取。

项目负责人为华南农业大学工程学院邹湘军教授，项目团队重点针对工业机器人在非线性光照变化、杂乱和遮挡条件下的目标识别、定位及抓取方法等展开研究，通过双目立体视觉反求目标（工件等）的空间位姿来实现对多目标的精准识别与定位，提出了基于深度图的零件三维位置和法向量计算方法；设计了针对杂乱遮挡环境下残缺图像的模板匹配算法，通过利用工件特征和相似度方法，计算待识别工件和模板的整体相似度来实现杂乱遮挡环境下的目标识别与定位。

在机构与视觉关联方面，项目研究了机构与视觉关联精确定位的数学型与误差模型，从机械-视觉两个方面进行关联定位的仿真分析，分析各种扰动、视觉和机械定位对系统定位的综合影响、视觉的控制规律参数和综合定位误差分布规律，建立相关数学模型，为机器人智能控制提供支持。

在机器人控制方面，项目对运动轨迹已知的机器人智能运动控制技术进行了研究，建立了影响机器人动力学效应的状态参量；研究了运动轨迹未知的机器人控制技术，探索复杂环境下的运动避障算法及运动反求，规划运动轨迹，分析机器人关节参数实时辨识的算法，探索了非线性与不确定性因素引起误差的补偿方法。

项目最终开发出了机器人视觉识别与定位软件系统，并将视觉系统与工业机器人RB08进行联调试验，实现了机器人重复定位误差±0.05mm，单次视觉定位时间少于0.5秒。该技术应用于机械工件的抓取与摆放、木材缺陷检测与分拣堆叠领域。试验表明：项目成果能满足工业机器人作业的实时性、鲁棒性和精度等需求。此外，在基于双目视觉的6自由度工业机器人基础上，安装了自主设计的新型采摘末端执行器，并在惠州荔枝果园进行了野外采摘试验，取得成功，表明该视觉机器人具有野外作业的能力。

该项目采用改进的形状匹配平面识别算法，并利用高斯金字塔加快匹配，使匹配精度、速度和识别率更高，适用于非线性光照、遮挡环境和杂乱背景；运用随机抽样一直性算法拟合目标的点云平面，使得工件的深度距离更加精确，确定的位姿更加接近于目标真实位姿，算法的稳定性更强；在多种不同环境下对新产品进行试验，确保了项目技术及产品的通用性；项目针对引起自动定位及失效的关键原因——机构与视觉定位的技术问题进行研究，通过创新设计方法，解决了这一应用技术难题。该智能机器人在立体视觉、本体、电机与控制、通信方面完全为自主研发。该款双目视觉系统和机器人技术处于行业发展的前列。

专家简介

邹湘军，女，博士，华南农业大学工程学院教授、博士生导师、虚拟现实研究所所长。中国仿真学会理事、中国计算机学会虚拟现实专业委员会委员、中国图形图像学会虚拟现实专业委员会委员、全国高校制造及自动化研究会常务理事、中国人工智能智能制造专业委员会常务理事、《系统仿真学报》编委。长期从事虚拟现实与系统仿真、智能设计与制造、视觉机器人等方面的研究。近年主持国家自然科学基金面上项目3项、省级科研项目等10余项。发表论文200余篇，其中SCI、EI收录80余篇。获科技进步奖7项，其中，国家国防科学技术进步奖二等奖1项、三等奖1项，省科技进步奖3项。