[发明专利]基于三维扫描识别的投影示教枪

说明书

本发明公开基于三维扫描识别的投影示教枪，包括示教枪体和示教工具，所述示教工具安装在示教枪体的前端，示教过程首先通过投影仪投射变化的结构光，双摄像机采集图像，运算处理后获得工件整体三维模型，然后，示教枪前装载伴随示教枪一起移动的示教工具，模仿实际加工过程，手持并移动示教枪进行示教，移动过程中，快速处理和获得示教工具上两定位环和工件部分图像的三维数据，将工件部分图像匹配到已获得的工件整体三维模型中，反向计算出示教工具在各个瞬间的空间位姿，形成精确的轨迹，用以控制工业机械臂。此方法，不需要额外的摄像机和光源，不需要进行命令编程，工具便携，使用简单。

技术领域

本发明属于示教用具相关技术领域，具体涉及基于三维扫描识别的投影示教枪。

背景技术

随着科技的发展，机械臂已经被越来越多的企业所使用，直接提高了生产效率和减少了各种生产污染对员工的伤害。然而机械臂往往需要专业的人员进行编程示教，进而提高了工业机械臂应用的门槛和使用成本。市场亟需普通工人也能简单实施示教的示教器。

目前市场上主流的机械臂示教器是带屏幕和键盘的手持示教器，可以通过键盘逐行输入移动命令进行示教。这种编程方法，对示教人员要求高，过程繁杂，耗时长，需要能进行编程的专业人员才能实施。

另外一种比较常见的是机械臂的末端安装六维传感器手柄，人手推拉六维传感器的时候，机械臂能够按照人拖拉的方向和力度进行移动，然后逐点标定。此方法，减少了对于示教员的技术要求。但是示教过程也是机械臂电机实际运转的过程，出于安全原因，机械臂的跟随动作较慢，而且示教中人和机械臂站在一起，容易发生意外。外加上对机械臂末端的拖拉和工人实际工作中的手法习惯不一样，在轨迹的优化和工作节拍的处理方面比较难以达到最佳状态。

因为这些问题，一些新颖的机械臂示教方式逐渐被提出，专利【CN105252538B】提出了用惯性单元设置于示教器本体上，通过惯性单元传感示教器的姿态，从而控制机械臂移动的方案。此方案轻巧，易于携带，但是存在示教时需要复杂的设置和需要通过显示系统人为判断微小移动的问题。以及惯性测量单元测量的数据为积分数据，要求传感器有非常高的精度，外加采集的数据误差会累加，导致示教的数据误差过大，很难满足工业机械臂的示教要求。

随着光学三维定位技术的发展，越来越多的基于三维动作识别的示教方法被提出：

如专利【CN107063130A】提出了利用光栅投影技术对被测工件进行三维重构，结合二维轮廓提取焊接工件的轮廓三维信息并用于焊接机器人的自动控制。此方法相对方便，精度较高，但是利用这种机器视觉进行运动测量依赖的特征信息可能会被遮挡或特征点不清晰，需要人工处理。这样的处理工作，是需要很高电脑操作能力的示教员才能完成的工作。对于普通低学历操作者来说是极其困难的。目前电脑自动轨迹规划技术也仅限制于一些特殊的应用场合，当有特殊要求，比如用到打磨上，在打磨过程中需要像熟练工人一样不断调整打磨片的角度，自动规划很难实现。

发明专利【CN108214495A】提出一种工业机器人示教系统和方法，该方法使用2个红外激光发射基站进行扫描定位，在手持定位器上设置28个红外光敏传感器来获取手持定位器的空间数据。此方法示教灵活，但是通过接收红外光来计算空间位置，得到的数据不够稳定，示教工具生产装配对精度影响高，使用过程中红外光容易被遮挡，示教环境的布置和系统标定需要较高的技巧性，非普通员工所能实施。

发明专利【CN109848964A】提出一种基于光学动作捕捉的示教机器人数据采集系统，其通过8个专门设计的带闪光灯单元的运动捕捉相机，实时收集作业工具上的反射光来定位作业工具的空间位置。发明专利【CN110125944A】提出用6个2.5米高的红外摄像机搭建半径为1-3米的环形示教环境。摄像机拍摄带6个反光球体的示教装置，并传输到计算机工作站，由计算机工作站进一步处理得到示教装置的空间坐标。发明专利【CN110142770A】提出6个动作捕捉摄像机等距离围成边长1.5m的正六边形，对多标志物刚体质心的示教器位置进行实时的捕捉，获得刚体的轨迹，用于示教。