第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
从 1959 年第一代工业机器人诞生到现在，工业机器人得到了长足的发展，现已广泛应用于各种机械制造行业包括军工企业、汽车制造业、电子电气行业以及各种原材料加工如橡胶、塑料、化学制品行业；甚至在医药、食品工业行业中都大量使用了工业机器人[1]。工业机器人的应用市场巨大，根据国际机器人联合会(International Federation ofRobotics，IFR)发布的《2018 年世界机器人报告》显示，2017 年，全球的工业机器人销量高达 38 万台，同比增长 29%。据 IFR 预计，工业机器人未来几年将继续高速发展，到 2020 年，全球的工业机器人数量将达到 300 万台[2]。
在国内，随着《中国制造 2025》计划的提出和国内越来越高的人工成本压力，以机器人为核心的工业改革思潮在中国制造业中持续升温。据国家统计局数据显示，2018年 1 月份-5 月份，中国工业机器人产量累计 60071 台，较去年同期增长 33.7%。虽然近年来我国的工业机器人行业发展势头非常迅猛，机器人企业也不断涌现；但国内机器人产业发展较晚，一些工业机器人的关键部件的制造和核心软件的开发还很不成熟；目前我国是工业机器人的销售大国，却不是生产大国。国产工业机器人大多数是中低端产品[3=4]，多是处在工业机器人的下游行业，给国外企业做配套设施，尤其在高精度的工业机器人领域还是很欠缺。从某种意义上说，工业机器人技术的发展水平，直接反映了每个国家制造业自动化的水平[5]。习近平总书记在《致 2015 世界机器人大会贺信》上指出：中国将机器人纳入国家创新重点领域。机器人被认为是实现“中国制造 2025”的关键[6]。
不论是面向国际市场还是国内市场，工业机器人应用前景都非常广阔，因此其相关技术的研究也具有相当高的价值和意义[7]。其中工业机器人的示教编程研究是机器人技术研究领域一项重要内容。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 工业机器人示教编程发展现状
当前工业机器人编程主要包括在线示教编程和离线示教编程两类。在线示教编程法通过手动拖拽机器人末端执行器或者通过示教盒操作让机器人末端到达所需的路径点，存储走过的路径，然后机器人再现示教路径，如下图 1.1 所示。
在线示教属于重复单一的体力劳动，精度难以保证，编程过程繁琐，效率低，同时示教编程必须占用机器人，耽误机器人的使用。
离线编程发展于 20 世纪 70 年代，早期的离线编程是基于文本的编程，如 ROWEL语言，用符号来表述机器人运动，缺乏对机器人运动三维空间坐标的直观描述，不能称之为完全意义上的离线编程[9]。而现在的离线编程技术基于计算机图形学技术：在虚拟空间中模拟出机器人模型和实际作业环境，通过计算机控制指令或图形学界面操作驱动虚拟机器人运动。在示教过程中，不再需要工作人员在现场操作，不需要工业机器人实体，大大提高了机器人的使用效率。
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第 2 章 系统总体方案设计
2.1 系统方案设计
本文提出的 6 自由度工业机器人增强现实示教编程系统，主要由四个部分组成：虚拟工业机器人模型（以下简称虚拟工业机器人）及增强现实系统平台构建模块、位置姿态跟踪及手持式示教器模块、6 自由度机器人正逆运动学求解模块、增强现实下虚实碰撞检测模块。其中，虚拟工业机器人由计算机绘制，通过增强现实技术叠加到真实场景中，位置姿态跟踪模块由红外相机、配套软件及计算机组成；增强现实下虚实碰撞检测模块主要利用深度相机获取深度图像，设计了以深度图像为基础的检测算法实现虚实碰撞检测。系统方案设计，如图 2.1 所示。
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2.2 虚拟工业机器人模型创建
工业机器人增强现实示教编程，第一步要解决的就是：要有工业机器人对象才能对其进行示教编程；为此需要构建虚拟的工业机器人模型。本文选用 ABB 系列 IRB 1520 ID型号工业机器人为设计原型，以此创建机器人虚拟模型。ABB 公司的 IRB 1520 ID 系列通用工业机器人为六自由度串联机器人，具有结构紧凑、工作空间和承载能力大、精度和效率高等优点[26]，其外形如图 2.3 所示。
2.2.1 虚拟工业机器人基本模型的绘制
为使得增强现实系统中的虚实融合具有沉浸感、真实感；必须要按照真实工业机器人 1:1 比例绘制虚拟工业机器人模型，示教编程更接近真实的工业机器人。具体步骤：（1）首先借助 ProE 三维绘图软件绘制按照 1:1 的比例绘制虚拟工业机器人模型的各个link 部分，并在 ProE 装配成整体，如下图 2.4。
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第 3 章 位姿跟踪系统及手持式示教器的设计..........................21
3.1.1 Optitrack 位姿跟踪系统··························· 21
3.1.2 位姿跟踪系统的标定··························22
第 4 章 6 自由度工业机器人运动学分析.........................31
4.1 工业机器人的 D-H 描述............................ 31
4.2 机器人正运动学...............................33
4.3 机器人逆运动学..................34
第 5 章 虚实碰撞检测系统研究.........................................41
5.1 基于深度图像的虚实碰撞检测算法框架...............................41
5.2 真实物理场景深度图像采集.......................................43
5.3 虚拟工业机器人深度图像合成............................44
第 6 章 示教系统的搭建及实验
6.1 实验平台软硬件准备
本实验硬件包括：位置姿态跟踪系统，Kinect2.0 传感器，笔记本电脑一台，手持式示教器一个，增强现实标识注册卡一张，被加工件两个。
软件开发环境和工具包：win10 64 位操作系统 ，VS2010 编程环境，OpenSceneGraphSDK，Kinect for Windows SDK,ARToolKit 5.2 SDK，OpenCV3.0 以及位姿系统附带的NatNetSDK 等。实验平台搭建,如图 6.1 所示
（1）将增强现实注册卡放在位姿跟踪系统的世界坐标系原点，使得增强现实系统中虚实场景在同一个世界坐标系下。
（2）Kinect2.0 传感器放置合适位置，使其能够拍摄到增强现实注册卡的空间的同时，要有足够的空间，使得 Kinect2.0 彩色相机和深度相机都能拍摄到被加工零件。
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第 7 章 总结与展望
7.1 总结
本文设计了 6 自由度工业机器人增强现实示教编程系统，本系统综合运用了增强现实技术、工业机器人技术、计算机图形图像学技术、人机交互技术等。本系统主要硬件设备有计算机、Kinect2.0 传感器、位姿跟踪系统，用到的软件主要有 ARToolkit5.2 SDK、Kinect for Windows SDK 、OpenSceneGraph、OpenGL、OpenCV3.0.本论文主要研究内容和成果如下：
（1）设计并实现了基于增强现实的工业机器人示教编程系统的搭建；利用 ProE、Creator、OpenSceneGraph 完成虚拟机器人模型的构建，并利用 Kinect2.0 彩色相机进行增强现实注册实现了虚拟机器人模型和真实场景的融合，相比较离线编程，不需要对工作环境进行模拟，减少了工作量，并且能在动态环境进行机器人运动的仿真。
（2）研究设计了基于位姿跟踪系统的示教方式：在增强现实系统中结合位姿跟踪系统获取手持式示教器位姿数据，建立了手持式示教器和机器人末端执行器的位姿映射关系，将手持式示教器位姿数据作为输入，驱动虚拟工业机器人运动，在此过程不需要专业知识，只需要手持工具进行加工作业，虚拟工业机器人自动跟随示教，具有较好的人机交互性，示教过程直观自然。
（3）提出了一种基于深度图像的虚实碰撞检测算法；在增强现实示教系统中利用物理深度相机和虚拟深度相机分别获取真实场景和虚拟工业机器人模型的深度图像，并通过转换得到同一坐标系下的深度图像，利用深度图像四叉树算法搜索碰撞区域，进而对碰撞区域内点云进行距离计算，实现了增强现实系统中虚实物体的碰撞检测。该方法不需要对物理环境进行三维重建、不需要包围盒的运算，计算量小，速度快，效率高。
（4）设计了相关实验，分别对增强现实注册、虚拟机器人末端跟踪、虚拟碰撞检测、路径绘制设计了相应的实验，实验证明了系统的交互性和可行性。
参考文献（略）