CN105798909B - 基于激光与视觉的机器人零位标定系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于激光与视觉的机器人零位标定系统与方法，所述系统由标定器和靶标组成，标定器包括一个镜头、一个摄像机、四个光源、四个激光器、一个控制器。镜头与摄像机直接相连，居于标定器的中央位置；四个激光器位于摄像机的上下左右四个侧面，与摄像机平行布置，四个激光器产生的四个激光束方向与摄像机的光轴平行并投向靶标；四个光源置于镜头的左上、右上、左下、右下四个侧面，四个光源与镜头平行布置，四个光源产生的发散光束投向靶标并照亮靶标，控制器获取靶标图像，并通过计算得到机器人零位的三个坐标值和三个转角值，共计六个自由度结果，不仅标定精度高，而且对机器人本体没有影响。

Description

基于激光与视觉的机器人零位标定系统与方法

技术领域

本发明涉及一种机器人零位标定系统与方法，具体地，是一种基于激光与视觉的机器人零位标定系统与方法。

背景技术

机器人是一种开环的运动学结构，通过角度测量装置(通常是增量式码盘)得到关节转动的角度值，通过机器人运动学模型得到当前机器人末端执行器的空间位姿。由于在机器人生产过程中机械制造与装配、编码器、运动控制等环节均不可避免地存在各种误差，在机器人的使用过程中的重力形变、热变形、间隙和磨损以及其他随机误差等，因此机器人末端的实际空间位姿与理想值相比通常存在较大偏差，从而影响机器人的运动精度。

通过对机器人进行标定，获取机器人准确的结构与位姿参数，可以将机器人的位姿误差大幅度降低，进而将机器人的绝对精度提高到重复精度的水平。近年来，各国学者提出了许多机器人标定的方法，主要有运动学回路法和轴线测量两种。运动学回路法是通过测量装置获取机器人末端的位姿，通过求解机器人的运动学方程获得机器人关节参数的方法。例如，天津大学、浙江大学、中国海洋大学等采用机器人末端按照摄像机的方法，在机器人处于某个姿态时采集空间特征点的图像信息，并通过数据处理获得该点的三维坐标数据，也就是建立起机器人处于任意姿态时，其关节变量到末端法兰盘坐标系位姿之间的准确映射关系。南京理工大学在机器末端固定激光器，在机器人工作空间内放置一个位置传感器位置敏感检测器PSD，使激光以多个位姿定位到位置传感器的中心，实现点约束。轴线测量法是将机器人的关节轴线抽象成一条空间中的直线，利用关节轴线间的几何关系求出模型中运动学参数的方法。与运动学回路法相比，轴线测量法标定过程简单，可操作性强，所以在对机器人标定的过程中被广泛采用。例如，沈阳自动化所、天津大学和华中科大利用激光跟踪仪和线性方程最小二乘解对机器人进行标定方法。

但是，目前各种现有的机器人标定方法都存在诸多问题：

(1)位姿测量位精度低：无论是双目立体视觉标定法，还是激光跟踪仪方法，都需要在机器人末端安装相应的测量部件，并配合以一定规律的运动控制与方法。因此，很难达到较高的空间位置测量精度；

(2)体积大、重量大：现有标定方法基本上是以激光和视觉为主，均为分离部件(摄像机、镜头、反射镜、激光器等)组装构成标定系统，具有体积大、重量大的问题；

(3)对机器人本体性能有影响：由于在机器人末端增加了额外的测量装置与部件，机器人运动模型的正反解会稍有变化，不利于机器人的应用。

因此，急需一种体积小、重量轻、高度集成的一体化通用机器人零位标定系统，使用简单方便、对机器人本体性能没有影响，既可以适合新机器人设计、又可以满足在役机器人需要。

发明内容

本发明针对目前检测普遍存在的精度低、体积大、对机器人本体性能有影响的现状，提出一种基于激光与视觉的机器人零位标定系统与方法，可实现机器人零位标定的小型化、集成化、通用化。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种基于激光与视觉的机器人零位标定系统，所述系统由标定器和靶标组成，标定器安置于机器人环境周围任一位置处的刚性基座之上，靶标粘贴于机器人本体末端与标定器相对应的某个平面处；所述标定器包括一个镜头、一个摄像机、四个光源、四个激光器、一个控制器；镜头与摄像机直接相连，居于标定器的中央位置，摄像机输出的视频信号送入控制器；四个激光器位于摄像机的上下左右四个侧面，与摄像机平行布置，四个激光器产生的四个激光束方向与摄像机的光轴平行并投向靶标；四个光源置于镜头的左上、右上、左下、右下四个侧面，四个光源与镜头平行布置，四个光源产生的发散光束投向靶标并照亮靶标；控制器置于摄像机的后方，负责控制光源与激光器的开与关，处理来自摄像机的视频信号。

本发明所述系统：当机器人末端进入零位且稳定之后，在控制器的统一控制之下，首先打开四个光源，照亮机器人末端的靶标，同时打开四个激光器在靶标表面产生四个光斑。然后摄像机获取靶标区域的图像，送入控制器进行处理，通过计算得到机器人末端的空间位置与姿态信号，从而实现零位标定。

优选地，所述光源采用LED光源，用于照亮靶标。每个光源在靶标上的照射面积应大于1/4靶标面积，光源的照射角度依据标定器到靶标的距离和靶标尺寸而定

优选地，所述激光器是具有聚焦准直功能的激光模组，能够发出准直而细小的激光束，在靶标表面形成小而圆的光斑。更优选地，所述激光器不是一直打开的。在每次标定过程中，激光器打开一次，摄像机获取一幅靶标图像；然后激光器关闭，摄像机再次获取一幅靶标图像；通过两幅靶标图像的处理，可以有效抑制环境光对测量结果的影响。

优选地，所述靶标采用双层结构：上层为正方形的漫反射板，可以采用深色漫反射材料制作，尺寸应该保证四个激光器发出的激光束能够可靠照射在靶标之上；下层为高稳定的工业双面不干胶，一面与漫反射板粘接，另一面与机器人本体末端的某个平面粘接。

更优选地，所述靶标在上层漫反射板的表面粘贴有若干反射标志。其中包括一个圆形标志和四个正方形标志。

所述圆形标志置于靶标中心位置，用于靶标的中心坐标测量之用。本发明的圆形标志采用逆反射材料制作，可以有效抵抗环境光的影响。本发明的圆形标志的尺寸可以依据定位精度选择。

所述四个正方形标志分别置于靶标的上下左右位置，并与标定器的四个激光器相对应，采用浅色漫反射材料制作，尺寸应该保证大于激光器发出的激光束直径，并且考虑机器人可能产生的零位偏移。

优选地，所述标定器进一步包括一个外壳和一个插座，所述镜头、摄像机、光源、激光器、控制器均安装在外壳内部，所有器件的电源均由外部电源通过插座提供能量，控制器的最终结果也通过插座输出。

根据本发明的第二方面，提供一种基于激光与视觉的机器人零位标定方法，可以同时获得三个方向坐标值和三个转轴的角度值，共计六个自由度的测量结果。所述标定方法，具体如下：

当机器人末端到达零位并且稳定之后，控制器打开四个光源，照亮靶标，摄像机采集第一幅靶标图像；

控制器对第一幅靶标图像进行处理，获得靶标中心位置的圆形标志中心点坐标值作为机器人末端零位的两个坐标值；控制器同时获得靶标上下左右位置的四个正方形标志的中心点坐标，分别计算两个相对的正方形标志中心点与坐标轴的夹角，取两个夹角的平均值作为机器人末端零位的旋转角度值；

控制器打开四个激光器，在靶标表面形成四个激光光斑，摄像机再次采集第二幅靶标图像；

控制器将第二幅靶标图像与第一幅图像相减，获得含有四个激光光斑的差分图像；控制器分别利用上下左右四个激光光斑在摄像机像平面的位置计算得到四个光斑距离标定器的距离值，取这四个距离值的平均值作为机器人末段零位的第三轴的坐标值；

控制器取上述四个距离值中的上下两个距离值之差，除以这两个激光光斑的间距，再计算反正切，由此得到的角度值作为机器人末端零位的俯仰角度值；

控制器取上述四个距离值中的左右两个距离值之差，除以两个激光光斑的间距，再计算反正切，由此得到的角度值作为机器人末端零位的偏摆角度值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明系统整体结构设计合理，整个系统体积小、重量轻、高度集成，且通过控制器整体控制，使用简单方便、对机器人本体性能没有影响，既可以适合新机器人设计、又可以满足在役机器人需要。

本发明的机器人零位标定系统采用标定器和靶标获取所需信息，通过计算得到机器人零位的三个坐标值和三个转角值，共计六个自由度结果，不仅标定精度高，而且对机器人本体没有影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一较优实施例中机器人零位标定系统组成示意图；

图2是本发明一较优实施例中标定器组成原理示意图；

图3是本发明一较优实施例中靶标组成示意图；

图4为本发明一较优实施例中标定系统坐标系示意图；

图5为本发明的xy坐标与旋转角α测量原理示意图；

图6为本发明的z坐标、俯仰角β、偏摆角γ测量原理示意图；

图中，1为标定器，2为靶标，3为机器人本体，4为镜头，5为光源，6为激光器，7为摄像机，8为控制器，9为外壳，10为插座，11为漫反射板，12为不干胶，13为圆形标志，14为正方形标志。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一较优实施例的机器人零位标定系统，所述系统由标定器1和靶标2组成。标定器1安置于机器人本体3环境周围任一位置处的刚性基座之上，靶标2对应地粘贴于机器人本体3末端与标定器1相对应的某个平面处。

所述标定器1由一个镜头4、一个摄像机7、四个光源5、四个激光器6、一个控制器8、一个外壳9和一个插座10组成，如图2所示。镜头4与摄像机7直接相连，居于标定器1的中央位置，摄像机7的电源来自控制器8，摄像机7输出的视频信号送入控制器8；四个激光器6位于摄像机7的上下左右四个侧面，与摄像机7平行布置，四个激光器6产生的四个激光束方向与摄像机7的光轴平行并投向靶标2，四个激光器6由控制器8控制开与关；四个光源5置于镜头4的左上、右上、左下、右下四个侧面，四个光源5与镜头4平行布置，四个光源5产生的发散光束投向靶标2并照亮靶标2，四个光源5的电源来自控制器8并由控制器8控制开与关；控制器8置于摄像机7的后方，负责控制光源5与激光器6的开与关，处理来自摄像机7的视频信号。上述全部器件均安装在外壳9内部，所有器件的电源均有外部电源通过插座10提供能量，控制器8的最终结果也通过插座10输出。

当机器人末端进入零位且稳定之后，在控制器8的统一控制之下，首先打开四个光源5，照亮机器人末端的靶标2，同时打开四个激光器6在靶标2表面产生四个光斑。然后摄像机7获取靶标2区域的图像，送入控制器8进行处理，通过计算得到机器人末端的空间位置与姿态信号，从而实现零位标定。

在一实施例中：所述摄像机7采用工业摄像机，用于获取靶标2的图像。摄像机7的像素数依据测量精度而定。

在一实施例中：所述镜头4采用工业镜头，用于将靶标2成像到摄像机7的成像面上。镜头4的视角依据标定器1到靶标2的距离和靶标2的尺寸而定。假设标定器1到靶标2的距离为500mm，靶标2的尺寸为100mm，则镜头4的视角应不小于：

θ＝2*arctan(0.5*100/500)＝12°

在一实施例中：所述光源5采用LED光源，用于照亮靶标2。每个光源5在靶标2上的照射面积应大于1/4靶标2的面积，光源5的照射角度依据标定器1到靶标2的距离和靶标2的尺寸而定。假设标定器1到靶标2的距离为500mm，靶标2的尺寸为100mm，则光源5的视角应不小于：

θ＝2*arctan(0.5*0.5*100/500)＝6°

在一实施例中：所述激光器6是具有聚焦准直功能的激光模组，能够发出准直而细小的激光束，在靶标2表面形成小而圆的光斑。

所述激光器6不是一直打开的。在每次标定过程中，激光器6打开一次，摄像机7获取一幅靶标图像；然后激光器6关闭，摄像机7再次获取一幅靶标图像；通过两幅靶标图像的处理，可以有效抑制环境光对测量结果的影响。

如图3所示，在一优选实施例中，所述靶标2采用双层结构：上层为正方形的漫反射板11，可以采用深色漫反射材料制作，例如亚光陶瓷材料或者亚光亚克力材料，尺寸应该保证四个激光器6发出的激光束能够可靠照射在靶标2之上；下层为高稳定的工业双面不干胶12，一面与漫反射板11粘接，另一面与机器人本体3末端的某个平面粘接。

所述靶标2在上层漫反射板11的表面粘贴有若干反射标志。其中包括一个圆形标志13和四个正方形标志14。

所述圆形标志13置于靶标2的中心位置，用于靶标2中心位置坐标测量之用。本发明的圆形标志13采用逆反射材料制作，可以有效抵抗环境光的影响。本发明的圆形标志13的尺寸可以依据定位精度选择，应该保证圆形标志13在摄像机7上的成像不少于10个像素。

所述四个正方形标志14分别置于靶标的上下左右的位置，并与标定器1的四个激光器6相对应。本发明的四个正方形标志14采用浅色漫反射材料制作，例如亚光陶瓷材料或者亚光亚克力材料。本发明的四个正方形标志14的尺寸应该保证大于激光器6发出的激光束直径，并且考虑机器人本体末端可能产生的零位偏移。例如，假设激光光斑尺寸为1mm，机器人本体末端零位偏移约±5mm，余量为2mm，则正方形标志14的尺寸应不小于2*5+1+2*2＝15mm。

在一优选实施例中，控制器8为高性能集成控制器，既可以控制四个激光器6和四个LED光源5的开与关，又可以采集摄像机7输出的视频信号并进行处理，通过计算得到机器人的实际零位。

所述外壳9和插座10均采用高等级工业防护技术错防尘、防水、防爆处理。

基于上述的系统结构，本发明提出一种机器人零位标定方法，可以同时获得三个方向坐标值和三个转轴的角度值，共计六个自由度的测量结果。测量系统的坐标系如图4所示，具体方法如下：

当机器人末端3到达零位并且稳定之后，控制器8打开四个LED光源5，照亮靶标2，摄像机7采集第一幅靶标图像；

控制器8对第一幅靶标图像进行处理，获得圆形标志13的中心点坐标值作为机器人3末端零位的两个坐标值；

如图5所示，圆形标志13的中心点二维坐标为(x₀,y₀)，直接以(x₀,y₀)作为机器人3末端零位的x轴与y轴坐标值。

控制器8同时获得四个正方形标志14的中心点坐标，分别计算两个相对的正方形标志14中心点与坐标轴的夹角，取两个夹角的平均值作为机器人末端零位的旋转角度值；

如图5所示，四个正方形标志14的中心点坐标分别为(x_L,y_L)、(x_R,y_R)、(x_U,y_U)、(x_D,y_D)，则四个正方形标志14与两个坐标轴的夹角分别为：

α_X＝arctan[(y_L-y_R)/(x_L-x_R)]

α_Y＝arctan[(x_U-x_D)/(y_U-y_D)]

取两个夹角的平均值作为机器人末端零位的旋转角度值，即：

α＝(α_X+α_y)/2

控制器8打开四个激光器6，在靶标2表面形成四个激光光斑，摄像机7再次采集第二幅靶标图像；控制器8将第二幅靶标图像与第一幅靶标图像相减，获得含有四个激光光斑的差分图像；

控制器8分别利用上下左右四个激光光斑在摄像机7像平面的位置计算得到四个光斑距离标定器的距离值，取上述四个距离值的平均值作为机器人末段零位的第三轴的坐标值。

如图6所示，上下左右四个激光光斑在摄像机7像平面的位置计算得到四个光斑距离标定器的距离值为z_U、z_D、z_L、z_R，则机器人末端的z轴坐标为：

z＝(z_U+z_D+z_L+z_R)/4

控制器取上述四个距离值中的上下两个距离值之差，除以这两个激光光斑的间距，再计算反正切，由此得到的角度值作为机器人末端零位的俯仰角度值；

如图6所示，上下两个激光光斑在摄像机7像平面的位置计算得到两个光斑距离标定器的距离值为z_U和z_D，两个激光器的距离为D，则机器人末端的上下俯仰角为：

β＝arctan[(z_U-z_D)/D]

控制器取上述四个距离值中的左右两个距离值之差，除以两个激光光斑的间距，再计算反正切，由此得到的角度值作为机器人末端零位的偏摆角度值；

如图6所示，左右两个激光光斑在摄像机7像平面的位置计算得到两个光斑距离标定器的距离值为z_L和z_R，相对的两个激光器的距离为D，则机器人末端的左右偏摆角为：

γ＝arctan[(z_L–z_R)/D]

由于本发明的机器人零位标定系统采用标定器和靶标获取所需信息，通过计算得到机器人零位的三个坐标值和三个转角值，共计六个自由度结果，不仅标定精度高，而且对机器人本体没有影响。该方法既可以适用于新机器人设计，也可以适用于在役机器人的附件安装，具有最佳的通用性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于激光与视觉的机器人零位标定系统，其特征在于：所述系统由标定器和靶标组成，标定器安置于机器人环境周围任一位置处的刚性基座之上，靶标粘贴于机器人本体末端与标定器相对应的某个平面处；所述标定器包括一个镜头、一个摄像机、四个光源、四个激光器、一个控制器；镜头与摄像机直接相连，居于标定器的中央位置，摄像机输出的视频信号送入控制器；四个激光器位于摄像机的上下左右四个侧面，与摄像机平行布置，四个激光器产生的四个激光束方向与摄像机的光轴平行并投向靶标；四个光源置于镜头的左上、右上、左下、右下四个侧面，四个光源与镜头平行布置，四个光源产生的发散光束投向靶标并照亮靶标；控制器置于摄像机的后方，负责控制光源与激光器的开与关，处理来自摄像机的视频信号；

当机器人末端进入零位且稳定之后，在控制器的统一控制之下，打开四个光源，照亮机器人末端的靶标，同时打开四个激光器在靶标表面产生四个光斑；摄像机获取靶标区域的图像，送入控制器进行处理，通过计算得到机器人末端的空间位置与姿态信号，从而实现零位标定。

2.根据权利要求1所述的基于激光与视觉的机器人零位标定系统，其特征在于：所述的光源采用LED光源，用于照亮靶标，而且每个光源在靶标上的照射面积大于1/4靶标面积。

3.根据权利要求1所述的基于激光与视觉的机器人零位标定系统，其特征在于：所述的激光器是具有聚焦准直功能的激光模组，能够发出准直而细小的激光束，在靶标表面形成小而圆的光斑。

4.根据权利要求3所述的基于激光与视觉的机器人零位标定系统，其特征在于：所述的激光器不是一直打开的，在每次标定过程中，激光器打开一次，摄像机获取一幅靶标图像；然后激光器关闭，摄像机再次获取一幅靶标图像；通过两幅靶标图像的处理，有效抑制环境光对测量结果的影响。

5.根据权利要求1所述的基于激光与视觉的机器人零位标定系统，其特征在于：所述的靶标采用双层结构，上层为正方形的漫反射板，尺寸保证四个激光器发出的激光束能够可靠照射在靶标之上；下层为高稳定的工业双面不干胶，一面与漫反射板粘接，另一面与机器人本体末端的某个平面粘接。

6.根据权利要求5所述的基于激光与视觉的机器人零位标定系统，其特征在于：所述的靶标在上层漫反射板的表面粘贴有若干反射标志，其中包括一个圆形标志和四个正方形标志：所述圆形标志置于靶标中心位置，用于靶标的中心坐标测量之用；所述四个正方形标志分别置于靶标的上下左右位置，并与标定器的四个激光器相对应。

7.根据权利要求6所述的基于激光与视觉的机器人零位标定系统，其特征在于：所述圆形标志采用逆反射材料制作，以有效抵抗环境光的影响；所述四个正方形标志采用浅色漫反射材料制作，尺寸大于激光器发出的激光束直径。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于激光与视觉的机器人零位标定系统，其特征在于：所述标定器进一步包括一个外壳和一个插座，所述镜头、摄像机、光源、激光器、控制器均安装在外壳内部，所有器件的电源均由外部电源通过插座提供能量，控制器的最终结果也通过插座输出。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述系统的基于激光与视觉的机器人零位标定方法，其特征在于：

当机器人末端到达零位并且稳定之后，控制器打开四个光源，照亮靶标，摄像机采集第一幅靶标图像；

控制器对第一幅靶标图像进行处理，获得靶标中心位置的圆形标志中心点坐标值作为机器人末端零位的两个坐标值；控制器同时获得靶标上下左右位置的四个正方形标志的中心点坐标，分别计算两个相对的正方形标志中心点与坐标轴的夹角，取两个夹角的平均值作为机器人末端零位的旋转角度值；

控制器打开四个激光器，在靶标表面形成四个激光光斑，摄像机再次采集第二幅靶标图像；

控制器将第二幅靶标图像与第一幅图像相减，获得含有四个激光光斑的差分图像；控制器分别利用上下左右四个激光光斑在摄像机像平面的位置计算得到四个光斑距离标定器的距离值，取这四个距离值的平均值作为机器人末段零位的第三轴的坐标值；

控制器取上述四个距离值中的上下两个距离值之差，除以这两个激光光斑的间距，再计算反正切，由此得到的角度值作为机器人末端零位的俯仰角度值；

控制器取上述四个距离值中的左右两个距离值之差，除以两个激光光斑的间距，再计算反正切，由此得到的角度值作为机器人末端零位的偏摆角度值。