CN103426166A - 一种基于激光和单目的机器人手眼协同定位方法 - Google Patents

一种基于激光和单目的机器人手眼协同定位方法 Download PDF

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CN103426166A CN2013102861123A CN201310286112A CN103426166A CN 103426166 A CN103426166 A CN 103426166A CN 2013102861123 A CN2013102861123 A CN 2013102861123A CN 201310286112 A CN201310286112 A CN 201310286112A CN 103426166 A CN103426166 A CN 103426166A
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张波涛
刘士荣
吕强
吴秋轩
王坚
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Hangzhou Dianzi University
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Hangzhou Dianzi University
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Abstract

本发明公开了一种基于激光和单目的机器人手眼协同定位方法。现有的激光与视觉配合的定位方法实时性差、对硬件要求较高，而且协同定位设备不便于便携性、成本高。本发明主要包括以下几个方面：（1）利用单目与激光进行目标测距；（2）利用D-H方法，以及测距系统相对于机械臂末端位置、姿态不变的特性计算测距系统在三维空间中的位置和姿态（3）在上述关键技术基础上，实现了目标三维坐标的获取。本方法定位精度较高、实时性良好，且所需的硬件成本低廉，是一种非常实用的三维定位方案。

Description

一种基于激光和单目的机器人手眼协同定位方法
技术领域
    本发明属于机器视觉技术领域，是一种基于激光和单目的机器人手眼协同定位方法。
背景技术
机器人视觉系统模拟了人类视觉的感知功能，具有探测范围宽、目标信息完整等优势，它是移动机器人智能化关键技术之一。目标的定位是指获取目标在全局坐标系中的坐标，被广泛应用于三维检测、机器人导航、医学成像等领域。基于视觉的目标位置测定分为单目视觉定位与多目视觉定位，单目视觉比双目视觉速度快，成本低，但单摄像头的单次信息采集中缺乏深度信息。因此，基于单目的定位多采用其他距离传感器配合或采用多次信息采集来恢复深度信息，例如：激光和机械臂可以弥补单目在深度信息获取方面的缺陷。目前的单目与激光协同定位的技术不便于机器人携带，或结构复杂且成本高。本发明所提方法简化了设备，提高了便携性，便于装备于机械臂或机器人。
发明内容
本发明针对单目与激光协同定位设备不便于便携性、成本高等问题，根据机械臂、激光、单目视觉各自的特点，提出了一种基于激光和单目的机器人手眼协同定位方法。
一种基于激光和单目的机器人手眼协同定位方法，具体包括如下步骤：
步骤一：确定机械臂的机械结构，构建机械臂各模块的坐标系，并建立D-H参数表； 
步骤二：根据激光发射器在机械臂上的安装位置,确定激光发射器相对于机械臂的末端执行器的位置转换矩阵                                               
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤三：当激光束被投射于目标物上时，设投射点为A，用摄像机对投射点进行捕获，并计算投射点在图像中的坐标G(X G, Y G)；
步骤四：计算光心-目标连线与光轴的夹角
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE004
。
Figure 327840DEST_PATH_IMAGE004
可通过下式评估：
                             (1)
其中，
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE008
为图帧中心到投射点在图帧中位置的像素个数，
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE010
为每个像素对应的弧度，
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE012
为弧度误差；
步骤五：根据计算激光发射点到投射点A的距离，由于摄像机安装时的光轴平行于激光束，故光束平行于光轴，只需要计算这个点沿纵轴方向的距离，即可算出要计算激光发射点到投射点
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE014
的距离。计算方式如下：
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE016
                       (2)
其中，
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE018
为光轴与激光束之间的距离；
步骤六：以D-H方法建立机器人系统的转换矩阵，根据D-H参数表可得机械臂相邻各模块之间的转换矩阵依次为
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE020
,
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE022
, …, 
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE024
，则从基座到末端执行器间的坐标转换矩阵如下：
  ；                            (3)
   步骤七：计算全局坐标转换矩阵。基座相对于全局坐标系的位置转换矩阵为已知，记为；根据步骤二可得激光发射器相对于机械臂的末端执行器的位置转换矩阵为
Figure 121408DEST_PATH_IMAGE002
；根据公式（2）可得发射点到投射点之间的转换矩阵为
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE030
。则全局的坐标转换矩阵如下
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE032
               (4) ；
步骤八：根据以下公式计算目标点三维坐标
Figure 2013102861123100002DEST_PATH_IMAGE034
                     (5) 。
有益效果: 本发明提出了一种激光与单目结合的目标定位方法。该方法可用于机器人搜索过程中的目标位置信息收集、目标操作等。对整个系统而言，机械臂为基础硬件，以此为基础加装摄像机与简易激光发射器，硬件成本低廉、实时性好，是一种非常实用的三维定位方案。
附图说明
图1为测距系统的结构图；
图2 为手眼协同定位系统。
具体实施方式： 
如图1、图2所示，本发明是一种基于激光和视觉的手眼协同定位方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：确定机械臂4的机械结构，构建机械臂4各模块的坐标系，并建立D-H参数表。 
步骤二：根据激光发射器2在机械臂上的安装位置,确定激光发射器2相对于机械臂的末端执行器3的位置转换矩阵
Figure 701554DEST_PATH_IMAGE002
。
步骤三：当激光束被投射于目标物上时，设投射点为A，用摄像机1对投射点进行捕获，并计算投射点在图像中的坐标G(X G, Y G)。
步骤四：计算光心-目标连线与光轴的夹角
Figure 122171DEST_PATH_IMAGE004
。
Figure 657058DEST_PATH_IMAGE004
可通过下式评估：
Figure 770507DEST_PATH_IMAGE006
                             (1)
其中，
Figure 758055DEST_PATH_IMAGE008
为图帧中心到投射点在图帧中位置的像素个数，
Figure 982363DEST_PATH_IMAGE010
为每个像素对应的弧度，
Figure 106177DEST_PATH_IMAGE012
为弧度误差。
步骤五：根据
Figure 452844DEST_PATH_IMAGE004
计算激光发射点到投射点A的距离，由于摄像机1安装时的光轴平行于激光束，故光束平行于光轴，只需要计算这个点沿纵轴方向的距离，即可算出要计算激光发射点到投射点
Figure 865371DEST_PATH_IMAGE014
的距离。计算方式如下：
Figure 955687DEST_PATH_IMAGE016
                       (2)
其中，为光轴与激光束之间的距离。
步骤六：以D-H方法建立机器人系统的转换矩阵，根据D-H参数表可得机械臂相邻各模块之间的转换矩阵依次为
Figure 389259DEST_PATH_IMAGE020
,
Figure 289082DEST_PATH_IMAGE022
, …, 
Figure 917510DEST_PATH_IMAGE024
，则从基座到末端执行器3间的坐标转换矩阵如下：
Figure 219178DEST_PATH_IMAGE026
                          (3) ；
   步骤七：计算全局坐标转换矩阵。基座相对于全局坐标系的位置转换矩阵为已知，记为
Figure 704386DEST_PATH_IMAGE028
；根据步骤二可得激光发射器相对于机械臂的末端执行器的位置转换矩阵为
Figure 91505DEST_PATH_IMAGE002
；根据公式（2）可得发射点到投射点之间的转换矩阵为
Figure 523623DEST_PATH_IMAGE030
。则全局的坐标转换矩阵如下
Figure 476536DEST_PATH_IMAGE032
              (4) ；
步骤八：根据以下公式计算目标点三维坐标
                  (5) 。

Claims (1)

1. 一种基于激光和单目的机器人手眼协同定位方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：确定机械臂的机械结构，构建机械臂各模块的坐标系，并建立D-H参数表； 
步骤二：根据激光发射器在机械臂上的安装位置,确定激光发射器相对于机械臂的末端执行器的位置转换矩阵                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤三：当激光束被投射于目标物上时，设投射点为A，用摄像机对投射点进行捕获，并计算投射点在图像中的坐标G(X G, Y G)；
步骤四：计算光心-目标连线与光轴的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 551250DEST_PATH_IMAGE004
可通过下式评估：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
                                (1)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为图帧中心到投射点在图帧中位置的像素个数，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为每个像素对应的弧度，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为弧度误差；
步骤五：根据
Figure 911693DEST_PATH_IMAGE004
计算激光发射点到投射点A的距离，由于摄像机安装时的光轴平行于激光束，故光束平行于光轴，只需要计算这个点沿纵轴方向的距离，即可算出要计算激光发射点到投射点的距离；计算方式如下：
                       (2)
其中，为光轴与激光束之间的距离；
步骤六：以D-H方法建立机器人系统的转换矩阵，根据D-H参数表可得机械臂相邻各模块之间的转换矩阵依次为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
,
Figure DEST_PATH_IMAGE022
, …, 
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，则从基座到末端执行器间的坐标转换矩阵如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
  ；                           (3)
   步骤七：计算全局坐标转换矩阵；基座相对于全局坐标系的位置转换矩阵为已知，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE028
；根据步骤二可得激光发射器相对于机械臂的末端执行器的位置转换矩阵为
Figure 296275DEST_PATH_IMAGE002
；根据公式（2）可得发射点到投射点之间的转换矩阵为
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；则全局的坐标转换矩阵如下
Figure DEST_PATH_IMAGE032
               (4) ；
步骤八：根据以下公式计算目标点三维坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE034
                     (5) 。
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