CN106737859B - 基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法 - Google Patents

基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106737859B
CN106737859B CN201611070780.2A CN201611070780A CN106737859B CN 106737859 B CN106737859 B CN 106737859B CN 201611070780 A CN201611070780 A CN 201611070780A CN 106737859 B CN106737859 B CN 106737859B
Authority
CN
China
Prior art keywords
coordinate system
camera
plane
sensor
guide rail
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201611070780.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106737859A (zh
Inventor
刘凯
李龙
王志祥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu Rinbot Visual Technology Co ltd
Original Assignee
Jiangsu Rinbot Visual Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu Rinbot Visual Technology Co ltd filed Critical Jiangsu Rinbot Visual Technology Co ltd
Priority to CN201611070780.2A priority Critical patent/CN106737859B/zh
Publication of CN106737859A publication Critical patent/CN106737859A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106737859B publication Critical patent/CN106737859B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0095—Means or methods for testing manipulators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Abstract

本发明公开了基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法，包括焊缝跟踪传感器、焊接机器人、相机；该方法具体包括以下步骤：步骤一、线结构光传感器测量：所述焊缝跟踪传感器采用线结构光和相机方式进行测量，由线结构光对外发出一个激光平面，由相机对其测量；步骤二、坐标系系设定；步骤三、基于不动平面的线结构光外参标定：通过给定一个固定不变的参考平面，通过让焊接机器人分别沿导轨三个方向运动，获取不同位置下的激光线图像。本发明利用现场中的一个固定平面，进行多次测量，最终实现传感器坐标系与焊接机器人导轨坐标系之间的转换关系的精确标定。

Description

基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法
技术领域
本发明涉及焊接机器人的标定方法，特别涉及基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法。
背景技术
用于工业焊接的焊接机器人，在焊接过程中，通常通过手动控制焊接机器人以多种不同的姿态进行焊接工作。但是，由于需要通过人眼来判断来指导焊接机器人运动，标定精度不高，工作非常费时，工作效率低。现有技术中出现了将焊缝传感器安装于工业焊接现场的焊接机器人上，三坐标焊接机器人通常是在相互正交的导轨进行移动，想要正确引导焊接机器人的运动，还需要标定传感器坐标系与焊接机器人导轨坐标系之间的转换关系(外部参数)，即传感器的外部参数标定；而通常用的标定方法是通过平面靶标方法对相机进行标定，但是，焊缝跟踪传感器采用线结构光进行测量，一次只能实现一条直线的测量，无法实现面测量。
发明内容
本发明的目的是利用现场中的一个固定平面，进行多次测量，最终实现传感器坐标系与焊接机器人导轨坐标系之间的转换关系(外部参数)的精确标定。
本发明的目的是这样实现的：基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法，包括焊缝跟踪传感器、焊接机器人、相机；该方法具体包括以下步骤：
步骤一、线结构光传感器测量：所述焊缝跟踪传感器采用线结构光和相机方式进行测量，由线结构光对外发出一个激光平面，由相机对其测量；相机测量模型为：
Figure GDA0002394526170000021
求解激光线的在图像坐标系下的坐标，得
Figure GDA0002394526170000022
由于激光线在激光器平面上，设为Pcurr＝(x，y，z)′，根据图2的几何关系，有
Figure GDA0002394526170000023
解得
Figure GDA0002394526170000024
步骤二、坐标系系设定：O-XCYCZC表示焊缝跟踪传感器的相机坐标系，O-XWYWZW表示导轨坐标系，导轨运动方向为导轨坐标系坐标轴方向；所述焊接机器人沿着导轨做平移运动，所述相机坐标系原点与导轨坐标系原点之间的位置偏差即为导轨的平移矢量，令初始状态下的相机坐标系原点与导轨坐标系原点重合，初始状态下的相机坐标系为基础相机坐标系O-XCbassYCbassZCbass，经过导轨平移后的相机坐标系为当前相机坐标系O-XCcurrYCcurrZCcurr；相机坐标系与导轨坐标系之间的转换矩阵化简为旋转矩阵，记为RW2C；传感器外部参数标定即为旋转矩阵RW2C的标定；
步骤三、基于不动平面的线结构光外参标定：通过给定一个固定不变的参考平面，通过让焊接机器人分别沿导轨三个方向运动，获取不同位置下的激光线图像；线结构光测量计算步骤为：
设焊接机器人第i次移动位移为
Figure GDA0002394526170000031
时，传感器获取得到的激光线图像点为
Figure GDA0002394526170000032
通过公式(4)能够获得相机坐标系的三维坐标；
此时，传感器在基础相机坐标系下的移动矢量为
Figure GDA0002394526170000033
则在基础相机坐标系下，激光线的空间坐标为点表示为
Pbase，i＝PCCurr，i+Ti＝PCCurr，i+mirx+niry+lirz
由于参考平面不变，因而在基础相机坐标系下获得的一系列激光线应在同一个平面上；
设参考平面在基础相机坐标系下的平面方程为
(Ap，Bp，Cp)Pbase＝1 (6)
有
Figure GDA0002394526170000034
令
Figure GDA0002394526170000035
即
Figure GDA0002394526170000036
则式(9)能够写为
Apxcurr+Bpycurr+Cpzcurr+Dpm+Epn+Fpl＝1 (10)
通过拟合(AP，BP，CP，DP，EP，FP)，得到参考平面在基础相机坐标系下的法向矢量；
同时利用式(10)，并加入约束
Figure GDA0002394526170000041
即求解出RW2C。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过给定一个固定不变的参考平面，通过让焊接机器人分别沿导轨的三个方向进行运动，获取不同位置下的激光线图像，最终求解出传感器外部参数RW2C，标定精度高，从而缩短工作时间，提高工作效率。
附图说明
图1为本发明的相机成像模型图。
图2为线结构光成像原理图。
图3为基于参考平面外参标定模型数据获取流程图。
具体实施方式
如图1-3所示，基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法，包括焊缝跟踪传感器、焊接机器人、相机；该方法具体包括以下步骤：
步骤一、线结构光传感器测量：所述焊缝跟踪传感器采用线结构光和相机方式进行测量，由线结构光对外发出一个激光平面，由相机对其测量；
相机测量模型为：
Figure GDA0002394526170000042
求解激光线的在图像坐标系下的坐标，得
Figure GDA0002394526170000043
由于激光线在激光器平面上，设为Pcurr＝(x，y，z)′，根据图2的几何关系，有
Figure GDA0002394526170000044
解得
Figure GDA0002394526170000051
步骤二、坐标系系设定：O-XCYCZC表示焊缝跟踪传感器的相机坐标系，O-XWYWZW表示导轨坐标系，导轨运动方向为导轨坐标系坐标轴方向；所述焊接机器人沿着导轨做平移运动，所述相机坐标系原点与导轨坐标系原点之间的位置偏差即为导轨的平移矢量，令初始状态下的相机坐标系原点与导轨坐标系原点重合，初始状态下的相机坐标系为基础相机坐标系O-XCbassYCbassZCbass，经过导轨平移后的相机坐标系为当前相机坐标系O-XCcurrYCcurrZCcurr；相机坐标系与导轨坐标系之间的转换矩阵化简为旋转矩阵，记为RW2C；传感器外部参数标定即为旋转矩阵RW2C的标定；
步骤三、基于不动平面的线结构光外参标定：通过给定一个固定不变的参考平面，通过让焊接机器人分别沿导轨三个方向运动，获取不同位置下的激光线图像；线结构光测量计算步骤为：
设焊接机器人第i次移动位移为
Figure GDA0002394526170000052
时，传感器获取得到的激光线图像点为
Figure GDA0002394526170000053
通过公式(4)能够获得相机坐标系的三维坐标；
此时，传感器在基础相机坐标系下的移动矢量为
Figure GDA0002394526170000054
则在基础相机坐标系下，激光线的空间坐标为点表示为
Pbase，i＝PCCurr，i+Ti＝PCCurr，i+mirx+niry+lirz
由于参考平面不变，因而在基础相机坐标系下获得的一系列激光线应在同一个平面上；
设参考平面在基础相机坐标系下的平面方程为
(Ap，Bp，Cp)Pbase＝1 (6)
有
Figure GDA0002394526170000061
令
Figure GDA0002394526170000062
即
Figure GDA0002394526170000063
则式(9)能够写为
Apxcurr+Bpycurr+Cpzcurr+Dpm+Epn+Fpl＝1 (10)
通过拟合(AP，BP，CP，DP，EP，Ep)，得到参考平面在基础相机坐标系下的法向矢量；同时利用式(10)，并加入约束
Figure GDA0002394526170000064
即求解出RW2C。
本发明的工作原理阐述如下，首先采用固定平面作为测量目标；然后利用现场机器人的多次移动，进行多次测量；最后利用固定参考平面的约束，将多次测量的结果得到非线性方程，最终获得相机坐标系和导轨坐标系的转换矩阵。
图3示出了基于参考平面外参标定模型数据获取流程图，是整个过程的测量流程。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法，其特征在于包括焊缝跟踪传感器、焊接机器人、相机；该方法具体包括以下步骤：
步骤一、线结构光传感器测量：所述焊缝跟踪传感器采用线结构光和相机方式进行测量，由线结构光对外发出一个激光平面，由相机对其测量；相机测量模型为：
Figure FDA0002394526160000011
中：
u,v：图像测量坐标，下同
ax ay u0 v0：相机内参，下同
xd yd：图像实际坐标，下同
求解激光线的在图像坐标系下的坐标，得
Figure FDA0002394526160000012
由于激光线在激光器平面上，设为Pcurr＝(x，y，z)′，有
Figure FDA0002394526160000013
式中：
β：常量，下同
A B C：光平面参数，下同
f:相机焦距，下同
解得
Figure FDA0002394526160000021
步骤二、坐标系系设定：O-XCYCZC表示焊缝跟踪传感器的相机坐标系，O-XWYWZW表示导轨坐标系，导轨运动方向为导轨坐标系坐标轴方向；所述焊接机器人沿着导轨做平移运动，所述相机坐标系原点与导轨坐标系原点之间的位置偏差即为导轨的平移矢量，令初始状态下的相机坐标系原点与导轨坐标系原点重合，初始状态下的相机坐标系为基础相机坐标系O-XCbassYCbassZCbass，经过导轨平移后的相机坐标系为当前相机坐标系O-XCcurrYCcurrZCcurr；相机坐标系与导轨坐标系之间的转换矩阵化简为旋转矩阵，记为RW2C；传感器外部参数标定即为旋转矩阵RW2C的标定；
步骤三、基于不动平面的线结构光外参标定：通过给定一个固定不变的参考平面，通过让焊接机器人分别沿导轨三个方向运动，获取不同位置下的激光线图像；线结构光测量计算步骤为：
设焊接机器人第i次移动位移为
Figure FDA0002394526160000022
时，传感器获取得到的激光线图像点为
Figure FDA0002394526160000023
通过公式(4)能够获得相机坐标系的三维坐标；
此时，传感器在基础相机坐标系下的移动矢量为
Figure FDA0002394526160000024
式中：
RW2C：世界坐标系到相机坐标系的姿态转换矩阵
RT W2C：RW2C的转置矩阵，RT W2CRW2C＝RW2CRT W2C＝I
rx ry rz：为RW2C的三个列向量
则在基础相机坐标系下，激光线的空间坐标为点表示为
Pbase，i＝PCCurr，i+Ti＝PCCurr，i+mirx+niry+lirz
由于参考平面不变，因而在基础相机坐标系下获得的一系列激光线应在同一个平面上；
设参考平面在基础相机坐标系下的平面方程为
(Ap，Bp，Cp)Pbase＝1 (6)
式中：
AP BP CP：为参考平面的法向矢量
Pbase：为参考平面上一点
有
Figure FDA0002394526160000031
令
Figure FDA0002394526160000032
即
Figure FDA0002394526160000033
则式(9)能够写为
Apxcurr+Bpycurr+Cpzcurr+Dpm+Epn+Fpl＝1 (10)
通过拟合(AP，BP，CP，DP，EP，Fp)，得到参考平面在基础相机坐标系下的法向矢量；
同时利用式(10)，并加入约束
Figure FDA0002394526160000034
即求解出RW2C。
CN201611070780.2A 2016-11-29 2016-11-29 基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法 Active CN106737859B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611070780.2A CN106737859B (zh) 2016-11-29 2016-11-29 基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201611070780.2A CN106737859B (zh) 2016-11-29 2016-11-29 基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106737859A CN106737859A (zh) 2017-05-31
CN106737859B true CN106737859B (zh) 2020-08-21

Family

ID=58902459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611070780.2A Active CN106737859B (zh) 2016-11-29 2016-11-29 基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106737859B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107876970B (zh) * 2017-12-13 2020-01-10 浙江工业大学 一种机器人多层多道焊接焊缝三维检测及焊缝拐点识别方法
CN108733066B (zh) * 2018-05-07 2021-05-07 中国人民解放军国防科技大学 一种基于吊舱姿态反馈的目标跟踪控制方法
CN109985846B (zh) * 2019-01-11 2022-07-08 贵州电网有限责任公司 一种变电站带电水冲洗机器人的激光雷达标定方法
CN111558758B (zh) * 2020-05-21 2021-10-26 宁夏天地奔牛实业集团有限公司 一种矿用链轮链窝表面自动堆焊方法
WO2021237520A1 (zh) * 2020-05-27 2021-12-02 华为技术有限公司 外参标定方法、装置、设备及存储介质
CN112179291B (zh) * 2020-09-23 2022-03-29 中国科学院光电技术研究所 一种自旋转扫描式线结构光三维测量装置标定方法
CN114524028B (zh) * 2022-02-18 2023-02-28 中国航空制造技术研究院 一种爬行机器人运动参数标定及调姿方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102794763B (zh) * 2012-08-31 2014-09-24 江南大学 基于线结构光视觉传感器引导的焊接机器人系统标定方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106737859A (zh) 2017-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106737859B (zh) 基于不变平面的传感器与机器人的外部参数标定方法
CN111156925B (zh) 基于线结构光和工业机器人的大构件三维测量方法
Wang et al. A mobile robotic measurement system for large-scale complex components based on optical scanning and visual tracking
JP4021413B2 (ja) 計測装置
CN102607457B (zh) 基于惯性导航技术的大尺寸三维形貌测量装置及方法
JP7237483B2 (ja) ロボットシステムの制御方法、制御プログラム、記録媒体、制御装置、ロボットシステム、物品の製造方法
CN106457562B (zh) 用于校准机器人的方法和机器人系统
US9517560B2 (en) Robot system and calibration method of the robot system
CN110014426B (zh) 一种利用低精度深度相机高精度抓取形状对称工件的方法
US20160279800A1 (en) Robot, robot control device, and robotic system
CN107152911A (zh) 基于psd反馈的点激光传感器与机器人相对位置的标定方法
JP2015066603A (ja) ロボット校正装置及びロボット校正方法、並びにロボット装置及びロボット装置の制御方法
CN111504183B (zh) 线激光三维测量传感器与机器人相对位置的标定方法
CN109934878B (zh) 一种基于相机坐标系的线性标定系统及其方法
EP2070664A1 (en) Object processing system
CN109623822B (zh) 机器人手眼标定方法
CN109794963A (zh) 一种面向曲面构件的机器人快速定位方法
CN114643578B (zh) 一种提高机器人视觉引导精度的标定装置及方法
CN109764805A (zh) 一种基于激光扫描的机械臂定位装置与方法
CN111136661A (zh) 机器人位置标定方法、装置、系统及机器人系统
CN113681559B (zh) 一种基于标准圆柱的线激光扫描机器人手眼标定方法
CN106671081B (zh) 一种基于单目视觉的少自由度机器人运动学标定方法
CN110211175B (zh) 准直激光器光束空间位姿标定方法
CN113028990B (zh) 一种基于加权最小二乘的激光跟踪姿态测量系统及方法
CN116117785A (zh) 用于标定机器人的运动学参数的方法和装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant