TW201315577A - 機械手臂運動控制系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種機械手臂運動控制系統，運行於主控電腦中，透過該主控電腦來控制機械手臂的移動，分析得出被測物體與該機械手臂前端的視覺裝置的鏡頭中心點間的正交垂直距離，並根據該分析得出的正交垂直距離校正機械手臂的位移，使得鏡頭更精確地垂直於被測物體。本發明還提供一種機械手臂運動控制方法。

Description

機械手臂運動控制系統及方法

本發明涉及一種機器人領域，尤其涉及一種機械手臂的運動控制系統及方法。

工業用關節型機械手臂(Joint-Type Robot)為仿生、模擬人類的腰肩肘腕等空間多支點旋轉的電控系統，目前普遍應用的有四軸和六軸關節型機械手臂。在機械手臂對被測物體進行觀測時，由於機械手臂的視覺裝置系統的鏡心位置很難與被測物體的中心對準，導致觀測精度降低。

鑒於以上內容，有必要提供一種機械手臂運動控制系統及方法，可以精確地將機械手臂前端的視覺裝置與被測物體進行對準觀測，以提高機械手臂的觀測精確。

所述一種機械手臂運動控制系統，包括：第一移動控制模組，用於控制機械手臂移動，使得被測物體進入該機械手臂前端的影像擷取裝置的視覺影像平面內；對焦模組，用於透過控制機械手臂的垂直移動來完成影像擷取裝置的鏡頭對被測物體進行對焦；影像分析模組，用於對被測物體的影像進行輪廓邊緣分析，以獲取被測物體的影像面積中心點；第二移動控制模組，還用於控制機械手臂移動，使得被測物體的影像面積中心點與所述視覺影像平面的中心點重合；影像擷取控制模組，用於記錄該視覺影像平面的中心點在空間內的座標位置為點a，並獲取被測物體在該點a處的影像；第三移動控制模組，還用於控制機械手臂移動，使得所述視覺影像平面的中心點由點a水平移動長度L；所述第二移動控制模組，還用於在所述視覺影像平面的中心點由點a水平移動長度L後，控制機械手臂移動，使得被測物體的影像面積中心點再次與該視覺影像平面的中心點重合；所述影像擷取控制模組，還用於記錄水平移動長度L後的該視覺影像平面的中心點在空間內的座標位置為點b，獲取被測物體在點b處的影像；位置計算模組，用於計算被測物體在視覺影像平面內的總位移量，並根據該總位移量、點a、點b和所述水平移動長度L分析得到被測物體與鏡頭的中心點間的正交垂直距離；及機械手臂校正模組，用於根據該正交垂直距離控制機械手臂移動，使得鏡頭的法向量與被測物體的法向量平行。

所述機械手臂運動控制方法，包括以下步驟：第一移動控制步驟，控制機械手臂移動，使得被測物體進入該機械手臂前端的影像擷取裝置的視覺影像平面內；對焦步驟，透過控制機械手臂的垂直移動來完成影像擷取裝置的鏡頭對被測物體進行對焦；影像分析步驟，對被測物體的影像進行輪廓邊緣分析，以獲取被測物體的影像面積中心點；第二移動控制步驟，控制機械手臂移動，使得被測物體的影像面積中心點與所述視覺影像平面的中心點重合；第一影像擷取控制步驟，記錄該視覺影像平面的中心點在空間內的座標位置為點a，並獲取被測物體在該點a處的影像；第三移動控制步驟，控制機械手臂移動，使得所述視覺影像平面的中心點由點a水平移動長度L；重複執行第二移動控制步驟，使得被測物體的影像面積中心點再次與水平移動長度L後的視覺影像平面的中心點重合；第二影像擷取控制步驟，，記錄水平移動長度L後的該視覺影像平面的中心點在空間內的座標位置為點b，獲取被測物體在點b處的影像；位置計算步驟，計算被測物體在視覺影像平面內的總位移量，並根據該總位移量、點a、點b和所述水平移動長度L分析得到被測物體與鏡頭的中心點間的正交垂直距離；及機械手臂校正步驟，根據該正交垂直距離控制機械手臂移動，使得鏡頭的法向量與被測物體的法向量平行。

相較於習知技術，所述的機械手臂運動控制系統及方法，在不增加成本且不需要對影像擷取裝置進行修改的情況下，利用外部影像處理模式，讓控制系統得知空間中多個物體之間的相對位置關係，該方法既可適用於所有關節型與非關節型的機械手臂，也可以搭配使用於自動化測試流程中。

如圖1所示，係本發明機械手臂運動控制系統較佳實施例之應用環境圖。該機械手臂運動控制系統10運行於一個計算裝置如主控電腦1中，該主控電腦1還包括儲存裝置12和至少一個處理器14。所述機械手臂運動控制系統10以軟體程式或指令的形式安裝在該儲存裝置12中，並由所述至少一個處理器14來控制該機械手臂運動控制系統10的執行。

如圖2所示，所述機械手臂運動控制系統10包括第一移動控制模組100、對焦模組102、影像分析模組104、第二移動控制模組106、影像擷取控制模組108、第三移動控制模組110、位置計算模組112和機械手臂校正模組114。模組100至114的功能將在圖4中進行詳細描述。

在本實施例中，所述主控電腦1與一個機械手臂2相連接，用於控制該機械手臂2觀測被測物體4。為了提高觀測精度，本實施例在機械手臂2的前法蘭面複合機座的固定裝置上附掛了一個影像擷取裝置3。如圖3所示，該影像擷取裝置3可作為一個關節型機械手臂的第六軸，附掛在該關節型機械手臂的前法蘭面複合機座的固定裝置上。在該影像擷取裝置3的前端，有一個鏡頭30。本實施例中，該機械手臂2還可以為非關節型機械手臂。

如圖4所示，係本發明機械手臂運動控制方法較佳實施例之作業流程圖。

步驟S400，第一移動控制模組100控制機械手臂2移動，以使得被測物體4進入該機械手臂2前端的影像擷取裝置3的視覺影像平面內，該視覺影像平面如圖5所示，於該視覺影像平面中，成像平面的螢幕寬度為W。

步驟S402，對焦模組102透過控制機械手臂2的垂直移動來完成影像擷取裝置3的鏡頭30對被測物體4進行對焦。例如，控制機械手臂2垂直移動，使得被測物體4位於鏡頭30的景深範圍內，然後對鏡頭30所攝取到的被測物體4的影像進行對比度直方統計分析，使得被測物體4的影像清晰度最佳化，以完成對焦流程。

步驟S404，影像分析模組104對被測物體4的影像進行輪廓邊緣分析，以獲取被測物體4的影像面積中心點，如圖5和圖6中所示的點P。

步驟S406，第二移動控制模組106控制機械手臂2移動，使得被測物體4的影像面積中心點P與所述視覺影像平面的中心點重合，並控制機械手臂2在垂直方向上移動，以完成鏡頭30對被測物體4進行對焦。

步驟S408，影像擷取控制模組108記錄該視覺影像平面的中心點在空間內的座標位置為點a，並獲取被測物體4在該點a處的影像，舉例而言，該影像可如圖5內視覺影像平面中以點a為中心的圖形。

步驟S410，第三移動控制模組110控制機械手臂2移動，以使得所述視覺影像平面的中心點由點a水平移動長度L，如圖6所示。

步驟S412，在所述視覺影像平面的中心點由點a水平移動長度L後，重複執行步驟S406，使得被測物體4的影像面積中心點P再次與所述視覺影像平面的中心點重合並實現鏡頭30對被測物體4的對焦，而後，所述影像擷取控制模組108將該視覺影像平面的中心點水平移動後在空間內的座標位置記為點b，並獲取被測物體4在點b處的影像，該影像可如圖5內視覺影像平面中以點b為中心的圖形。

步驟S414，位置計算模組112計算被測物體4在視覺影像平面內的總位移量，並根據該總位移量、點a、點b和所述水平移動長度L分析得到被測物體與鏡頭的中心點間的正交垂直距離。

具體而言，被測物體4在視覺影像平面內的總位移量等於X1+X2，如圖7所示，X1為視覺影像平面中以點a為中心的圖形從點a到右邊緣的長度，X2為視覺影像平面中以點b為中心的圖形從點b到左邊緣的長度。由圖6中的示意圖可以得出以下公式：

，，

由圖8中的符號標識示意圖可以得出以下公式：。

根據上述公式，可以推導出

。

其中，H為鏡頭30的移動方向與被測物體的中心點P的正交垂直距離，L為視覺影像平面的中心點於空間由點a移動到點b的距離，W為視覺影像平面的螢幕寬度，h為視覺影像平面到鏡頭30的影像像距。

步驟S416，機械手臂校正模組114根據該正交垂直距離控制機械手臂2移動，使得鏡頭30的法向量與被測物體4的法向量平行。

最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照以上較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

1．．．主控電腦

2．．．機械手臂

3．．．影像擷取裝置

30．．．鏡頭

4．．．被測物體

10．．．機械手臂運動控制系統

12．．．儲存裝置

14．．．處理器

100．．．第一移動控制模組

102．．．對焦模組

104．．．影像分析模組

106．．．第二移動控制模組

108．．．影像擷取控制模組

110．．．第三移動控制模組

112．．．位置計算模組

114．．．機械手臂校正模組

圖1係本發明機械手臂運動控制系統較佳實施例之應用環境圖。

圖2係圖1中的機械手臂運動控制系統較佳實施例之功能模組圖。

圖3舉例說明附掛了一個影像擷取裝置的機械手臂的示意圖。

圖4係本發明機械手臂運動控制方法較佳實施例之作業流程圖。

圖5和圖6係本發明影像擷取裝置的視覺影像平面與被測物體的立體空間關係示意圖。

圖7係本發明視覺影像平面與被測物體的符號標識示意圖。

圖8係本發明視覺影像平面角度的符號標識示意圖。

1．．．主控電腦

2．．．機械手臂

3．．．影像擷取裝置

30．．．鏡頭

4．．．被測物體

10．．．機械手臂運動控制系統

12．．．儲存裝置

14．．．處理器

Claims (10)

1. 一種機械手臂運動控制方法，應用於計算裝置中，該方法包括：
   第一移動控制步驟，控制機械手臂移動，使得被測物體進入該機械手臂前端的影像擷取裝置的視覺影像平面內；
   對焦步驟，透過控制機械手臂的垂直移動來完成影像擷取裝置的鏡頭對被測物體進行對焦；
   影像分析步驟，對被測物體的影像進行輪廓邊緣分析，以獲取被測物體的影像面積中心點；
   第二移動控制步驟，控制機械手臂移動，使得被測物體的影像面積中心點與所述視覺影像平面的中心點重合；
   第一影像擷取控制步驟，記錄該視覺影像平面的中心點在空間內的座標位置為點a，並獲取被測物體在該點a處的影像；
   第三移動控制步驟，控制機械手臂移動，使得所述視覺影像平面的中心點由點a水平移動長度L；
   重複執行第二移動控制步驟，使得被測物體的影像面積中心點再次與水平移動長度L後的視覺影像平面的中心點重合；
   第二影像擷取控制步驟，記錄水平移動長度L後的該視覺影像平面的中心點在空間內的座標位置為點b，獲取被測物體在點b處的影像；
   位置計算步驟，計算被測物體在視覺影像平面內的總位移量，並根據該總位移量、點a、點b和所述水平移動長度L分析得到被測物體與鏡頭的中心點間的正交垂直距離；及
   機械手臂校正步驟，根據該正交垂直距離控制機械手臂移動，使得鏡頭的法向量與被測物體的法向量平行。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂運動控制方法，其中所述對焦步驟包括：
   控制機械手臂垂直移動，使得被測物體位於影像擷取裝置的鏡頭的景深範圍內；及
   進行對比度直方統計分析，使得被測物體的影像清晰度最佳化。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂運動控制方法，其中所述影像擷取裝置固定在機械手臂的前法蘭面複合機座的固定裝置上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂運動控制方法，該方法在第二移動控制步驟中還包括：
   控制機械手臂在垂直方向上移動，以完成影像擷取裝置的鏡頭對被測物體進行對焦。
5. 如申請專利範圍第1項所述之機械手臂運動控制方法，其中所述機械手臂為關節型機械手臂或非關節型機械手臂。
6. 一種機械手臂運動控制系統，運行於計算裝置中，該系統包括：
   第一移動控制模組，用於控制機械手臂移動，使得被測物體進入該機械手臂前端的影像擷取裝置的視覺影像平面內；
   對焦模組，用於透過控制機械手臂的垂直移動來完成影像擷取裝置的鏡頭對被測物體進行對焦；
   影像分析模組，用於對被測物體的影像進行輪廓邊緣分析，以獲取被測物體的影像面積中心點；
   第二移動控制模組，還用於控制機械手臂移動，使得被測物體的影像面積中心點與所述視覺影像平面的中心點重合；
   影像擷取控制模組，用於記錄該視覺影像平面的中心點在空間內的座標位置為點a，並獲取被測物體在該點a處的影像；
   第三移動控制模組，還用於控制機械手臂移動，使得所述視覺影像平面的中心點由點a水平移動長度L；
   所述第二移動控制模組，還用於在所述視覺影像平面的中心點由點a水平移動長度L後，控制機械手臂移動，使得被測物體的影像面積中心點再次與該視覺影像平面的中心點重合；
   所述影像擷取控制模組，還用於記錄水平移動長度L後的該視覺影像平面的中心點在空間內的座標位置為點b，獲取被測物體在點b處的影像；
   位置計算模組，用於計算被測物體在視覺影像平面內的總位移量，並根據該總位移量、點a、點b和所述水平移動長度L分析得到被測物體與鏡頭的中心點間的正交垂直距離；及
   機械手臂校正模組，用於根據該正交垂直距離控制機械手臂移動，使得鏡頭的法向量與被測物體的法向量平行。
7. 如申請專利範圍第6項所述之機械手臂運動控制系統，其中所述對焦模組透過以下步驟完成影像擷取裝置的鏡頭對被測物體進行對焦：
   控制機械手臂垂直移動，使得被測物體位於影像擷取裝置的鏡頭的景深範圍內；及
   進行對比度直方統計分析，使得被測物體的影像清晰度最佳化。
8. 如申請專利範圍第6項所述之機械手臂運動控制系統，其中所述影像擷取裝置固定在機械手臂的前法蘭面複合機座的固定裝置上。
9. 如申請專利範圍第6項所述之機械手臂運動控制系統，其中所述對焦模組還用於在影像面積中心點與所述視覺影像平面的中心點重合後，控制機械手臂在垂直方向上移動，以完成影像擷取裝置的鏡頭對被測物體進行對焦。
10. 如申請專利範圍第6項所述之機械手臂運動控制系統，其中所述機械手臂為關節型機械手臂或非關節型機械手臂。