[发明专利]基于自动形状拟合的立体视觉定位机械臂抓取系统及方法

权利要求书

1.一种基于自动形状拟合的立体视觉定位机械臂抓取系统，其特征在于，包括：双目图像采集模块、上位机图像处理模块和机械臂运动模块；

所述双目图像采集模块用于实时采集含有目标物体的图像，并将所述含有目标物体的图像传输至所述上位机图像处理模块；

所述上位机图像处理模块用于对所述含有目标物体的图像进行图像处理，所述上位机图像处理模块进一步包括数字图像处理模块和HSV阈值化参数调节模块；

所述HSV阈值化参数调节模块用于设定HSV阈值化参数，所述HSV阈值化参数包括初始上下限、寻优步长和最优阈值查找范围；

所述数字图像处理模块用于对所述含有目标物体的图像进行处理，包括图像预处理单元、HSV自动阈值分割单元、形态学滤波单元、基于Hu矩的形状拟合单元、几何图形形心计算单元、以及双目立体视觉重投影单元；

所述基于Hu矩的形状拟合单元用于还原所述目标物体的实际形状，采用多个Hu矩作为几何形状的特征，形成多种几何形状模板；将所述目标物体的实际形状与所述多种几何形状模板进行图像匹配，计算所述目标物体的实际形状与所述多种几何形状模板的Hu矩的相似度，使用Hu矩特征最为相似的几何形状模板对所述目标物体的实际形状进行拟合；

所述机械臂运动模块用于接收所述数字图像处理模块计算得出的所述目标物体的空间位置坐标，实现机械臂的抓取动作。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双目图像采集模块进一步包括双目摄像机和UVC通讯协议；

所述双目摄像机采用支持UVC通讯协议的双目摄像机，以30Hz的频率采集含有目标物体的图像，并将所述含有目标物体的图像以YUV颜色空间格式暂存在所述双目摄像机中；

所述UVC通讯协议用于将所述含有目标物体的图像通过所述UVC通讯协议实时传输至所述上位机图像处理模块。

所述机械臂运动模块进一步包括蓝牙串口模块、舵机控制模块和机械臂执行机构；

所述蓝牙串口模块用于通过蓝牙连接实现所述数字图像处理模块与所述舵机控制模块的通讯；

所述舵机控制模块用于基于所述机械臂执行机构的运动学模型和所述上位机图像处理模块计算得到的所述目标物体的空间位置坐标，求解出机械臂的各个关节在完成抓取任务的前提下应当旋转的角度；所述机械臂的各个关节由所述舵机控制模块产生占空比可变的脉冲宽度调制波形来驱动。

所述机械臂执行机构用于根据所述舵机控制模块输出的所述机械臂的各个关节在完成抓取任务的前提下应当旋转的角度来实现机械臂的抓取动作；所述机械臂执行机构为多自由度串联机械臂执行机构，各个连杆之间均为转动副连接，各个关节的转动由所述舵机控制模块控制。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述图像预处理单元用于对所述双目摄像机在同一时间点采集到的两幅含有目标物体的图像进行立体匹配，使所述同一时间点采集到的两幅含有目标物体的图像的成像过程满足理想平行双目视觉成像模型；将所述含有目标物体的图像从YUV颜色空间转换到HSV颜色空间，得到对应的HSV图像；对所述HSV图像进行高斯平滑滤波。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述HSV自动阈值分割单元用于对所述HSV图像进行自动阈值分割，具体为：根据所述HSV阈值化参数，对所述HSV图像的阈值的初始上下限分别以给定步长进行寻优，以使得所述HSV图像的分割结果面积最大的上下限的数值为最优的阈值，使用最优的阈值对所述HSV图像进行阈值分割。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述双目立体视觉重投影单元用于计算得到所述目标物体的空间位置坐标，具体是：基于理想平行双目视觉的视差原理，利用所述目标物体的表面几何形心作为双目视觉立体匹配的特征点，根据立体匹配得到的所述双目摄像机在同一时间点采集到的两幅含有目标物体的图像中的特征点的位置差异，进行重投影计算，得到所述目标物体的空间位置坐标。