CN107817682B - 一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法及系统如下：(1)在多组不同构型下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像；(2)记录每组构型下空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端的位姿数据；(3)将不同构型下空间机械臂的关节角度数据和末端位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，建立关于空间机械臂结构参数的非线性方程组；(4)采用数值迭代的算法对所建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数。该方法可以用于航天器发射入轨后，对空间机械臂的结构参数进行在轨标定，从而有效提高空间机械臂的控制精度。

Description

一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法及系统，属于空间机器人技术领域。
背景技术
对于空间机械臂，尤其是灵巧型操控机械臂，为了实现末端工具对目标物的准确操作，往往要求空间机械臂具有较高的控制精度。机械臂末端的控制精度与机械臂本身结构参数的测量精度是直接相关的。在地面条件下，借助于精确的地面测量装置，可以比较容易地实现对机械臂结构参数的精确测量。然而，空间机械臂在飞行器发射过程中会承受巨大的振动和冲击，同时，机械臂在轨空间环境与地面环境在重力等方面差异较大，不可避免地会引起机械臂结构参数发生变化。因此，为了保证空间机械臂在轨运行时的控制精度，在进行任务操作之前对其进行在轨标定显得尤为重要。
在地面条件下，借助于精密的地面测量装置，可以容易地实现对空间机械臂结构参数的精确测量，目前这方面的研究也比较成熟。然而，在轨空间环境下，由于无法使用外部精密测量仪器，使得空间机械臂的在轨标定变得困难。目前关于这方面研究的报道还很少。文献[1]报道了日本在“发现号”航天飞机进行的一项空间机械臂在轨标定试验。它利用手眼相机对特定标志物进行多次测量，通过计算获得一个标定矩阵，在轨迹规划过程中，将实际期望的末端位姿矩阵左乘标定矩阵，从而实现对机械臂连杆参数的修正补偿。文献[2]基于DH参数法建立空间机械臂的标定模型，然后采用线性化的方法建立了空间机械臂的线性化模型，然后利用手眼相机对特定标志物进行多次测量获得足够的标定模型数据，从而求得机械臂运动学参数的误差。
[1].Y.Horikawa,M.Nagatomo.On the results of the Manipulator FlightDemonstration for the JEM-Mission review and the results of the flightcalibration experiment[C].49th International Astronautical Congress.Sept28-Oct 2,1998,Melbourne,Australia.
[2].谭月胜，孙汉旭，贾庆轩，陈佶，张秋豪.空间机械臂的一种自标定方法[J].宇航学报，2006,27(3):740-744.
上述文献的技术方案的缺点主要体现在：(1)采用修正矩阵的方法只适用于空间机械臂工作在某个构型下，并不适用于所有构型的情况；(2)目前已有的方法都是采用线性化的方法，线性化方法的计算过程比较复杂，对于每个标定测例，都需要对非线性模型进行线性化处理，然后在进行数据处理；(3)线性化方法对空间机械臂的非线性模型进行线性化的过程，实际上是一个近似过程，因此必然会导致标定精度的降低。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法及系统，该方法直接基于空间机械臂的非线性运动学模型，采用数值迭代算法对空间机械臂的结构参数进行标定，该方法实施简单，可以有效提高空间机械臂的在轨标定精度。空间机械臂在轨标定示意图见图1所示。
本发明解决的技术方案为：一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法，包括步骤如下：
(1)在手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像；
(2)记录步骤(1)各个位姿状态下，空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿数据；
(3)将不同位姿状态下空间机械臂的关节角度测量值和末端在基准坐标系下的位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，即建立以空间机械臂结构参数作为变量的非线性方程组；
(4)采用数值迭代的算法对步骤(3)建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数。
所述的步骤(1)在手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像步骤如下：
(1.1)根据靶标的安装位置，设置n组手眼相机相对靶标的不同位姿，即n组空间机械臂构型作为标定测例，并对各标定测例进行编号，依次编号为1～n，n≥N/2，其中N为空间机械臂关节个数，每组标定测例下需保证靶标处于空间机械臂末端的手眼相机的视场内；
(1.2)控制空间机械臂进行运动，依次运动至1号标定测例至n号标定测例所对应的空间机械臂构型，在每组标定测例下利用空间机械臂末端手眼相机对靶标进行拍照，即完成成像。
所述的步骤(2)记录步骤(1)各个位姿状态下，空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿数据方法如下：
(2.1)记录步骤(1.2)中每组标定测例下空间机械臂N个关节的角度测量数据
Figure BDA0001440323100000031
其中上标i表示标定测例的编号，1≤i≤n；
Figure BDA0001440323100000032
至
Figure BDA0001440323100000033
依次表示标定测例i下记录的N个关节的角度测量值；
(2.2)记录步骤(1.2)中每组标定测例下手眼相机测量得到的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿测量数据
Figure BDA0001440323100000034
其中
Figure BDA0001440323100000035
分别表示标定测例i下记录的空间机械臂末端的X轴、Y轴、Z轴的位置数据分量，
Figure BDA0001440323100000036
表示标定测例i下记录的空间机械臂末端在基准坐标系下的欧拉角，即姿态数据；
所述的步骤(3)将不同位姿状态下空间机械臂的关节角度测量值和末端在基准坐标系下的位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，即建立以空间机械臂结构参数作为变量的非线性方程组的方法如下：
(3.1)对于标定测例i，将步骤(2.1)中得到的
Figure BDA0001440323100000041
和步骤(2.2)中得到的
Figure BDA0001440323100000042
代入空间机械臂的正运动学方程，得到以空间机械臂空间机械臂结构参数即DH参数XDH为变量的一个非线性方程：
Figure BDA0001440323100000043
其中f(·,·)表示空间机械臂的正运动学方程；
(2)对标定测例1至标定测例n分别采用步骤(3.1)的方法，得到n个非线性方程，联立这n个非线性方程就得到如下的非线性方程组：
Figure BDA0001440323100000044
所述的步骤(4)采用数值迭代的算法对步骤(3)建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数的方法如下：
(4.1)将式(2)改写为如下形式：
F(XDH)＝0 (3)
其中：
Figure BDA0001440323100000045
(4.2)以空间机械臂进行结构设计时的理论DH参数作为XDH的初值XDH(0)；
(4.3)采用数值迭代的算法进行迭代计算，迭代公式如下：
XDH(k+1)＝G(XDH(k))
其中k≥0为迭代步数，k的初值为0；G(·)为数值迭代的算法给出的式(3)对应的迭代函数；XDH(k)的初值为步骤(4.2)得到的XDH(0)；
(4.4)将步骤(4.3)得到的XDH(k+1)代入式(4)求得F(XDH(k+1))，如果||F(XDH(k+1))||小于设定的阈值，则迭代结束，进行步骤(4.5)；否则，k的值加1，重复步骤(4.3)，||·||表示矢量的模；
(4.5)步骤(4.4)迭代结束后，取XDH(k+1)作为XDH的最终解，即空间机械臂结构参数的标定结果。
本发明一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定系统，包括：控制模块、记录模块、建立模块和求解模块；
控制模块，在手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像；
记录模块，记录手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿数据；
建立模块，将不同位姿状态下空间机械臂的关节角度测量值和末端在基准坐标系下的位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，即建立以空间机械臂结构参数作为变量的非线性方程组，送至求解模块；
求解模块，采用数值迭代的算法对建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数。
控制模块在手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像步骤如下：
(1.1)根据靶标的安装位置，设置n组手眼相机相对靶标的不同位姿，即n组空间机械臂构型作为标定测例，并对各标定测例进行编号，依次编号为1～n，n≥N/2，其中N为空间机械臂关节个数，每组标定测例下需保证靶标处于空间机械臂末端的手眼相机的视场内；
(1.2)控制空间机械臂进行运动，依次运动至1号标定测例至n号标定测例所对应的空间机械臂构型，在每组标定测例下利用空间机械臂末端手眼相机对靶标进行拍照，即完成成像。
记录模块，记录手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿数据方法如下：
(2.1)记录步骤(1.2)中每组标定测例下空间机械臂N个关节的角度测量数据
Figure BDA0001440323100000061
其中上标i表示标定测例的编号，1≤i≤n；
Figure BDA0001440323100000062
至
Figure BDA0001440323100000063
依次表示标定测例i下记录的N个关节的角度测量值；
(2.2)记录步骤(1.2)中每组标定测例下手眼相机测量得到的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿测量数据
Figure BDA0001440323100000064
其中
Figure BDA0001440323100000065
分别表示标定测例i下记录的空间机械臂末端的X轴、Y轴、Z轴的位置数据分量，
Figure BDA0001440323100000066
表示标定测例i下记录的空间机械臂末端在基准坐标系下的欧拉角，即姿态数据；
建立模块将不同位姿状态下空间机械臂的关节角度测量值和末端在基准坐标系下的位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，即建立以空间机械臂结构参数作为变量的非线性方程组的方法如下：
(3.1)对于标定测例i，将步骤(2.1)中得到的
Figure BDA0001440323100000067
和步骤(2.2)中得到的
Figure BDA0001440323100000068
代入空间机械臂的正运动学方程，得到以空间机械臂空间机械臂结构参数即DH参数XDH为变量的一个非线性方程：
Figure BDA0001440323100000069
其中f(·,·)表示空间机械臂的正运动学方程；
(2)对标定测例1至标定测例n分别采用步骤(3.1)的方法，得到n个非线性方程，联立这n个非线性方程就得到如下的非线性方程组：
Figure BDA0001440323100000071
求解模块采用数值迭代的算法对建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数的方法如下：
(4.1)将式(2)改写为如下形式：
F(XDH)＝0 (3)
其中：
Figure BDA0001440323100000072
(4.2)以空间机械臂进行结构设计时的理论DH参数作为XDH的初值XDH(0)；
(4.3)采用数值迭代的算法进行迭代计算，迭代公式如下：
XDH(k+1)＝G(XDH(k))
其中k≥0为迭代步数，k的初值为0；G(·)为数值迭代的算法给出的式(3)对应的迭代函数；XDH(k)的初值为步骤(4.2)得到的XDH(0)；
(4.4)将步骤(4.3)得到的XDH(k+1)代入式(4)求得F(XDH(k+1))，如果||F(XDH(k+1))||小于设定的阈值，则迭代结束，进行步骤(4.5)；否则，k的值加1，重复步骤(4.3)，||·||表示矢量的模；
(4.5)步骤(4.4)迭代结束后，取XDH(k+1)作为XDH的最终解，即空间机械臂结构参数的标定结果。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的实施不需要增加任何硬件设备，空间机械臂在轨标定使用的靶标共用手眼相机在轨参数标定所使用的靶标即可；
(2)本发明直接基于空间机械臂的非线性运动学方程进行求解，不需要在各个工作点进行线性化处理，因此计算过程简单，易于实施；
(3)本发明直接基于空间机械臂的非线性运动学方程进行求解，不需要线性化这一近似处理过程，因此标定结果精度更高；
(4)本发明的计算过程在地面实现即可，利用记录的各个标定测量下的关节角度数据和末端位姿数据，在地面采用MATLAB等商业计算工具进行数据处理，得到标定结果后通过遥控指令上注星上软件即可，因此不增加星上处理器的计算量。
附图说明
图1空间机械臂在轨标定示意图；
图2本发明基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法流程图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法及系统如下：(1)在多组不同构型下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像；(2)记录每组构型下空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端的位姿数据；(3)将不同构型下空间机械臂的关节角度数据和末端位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，建立关于空间机械臂结构参数的非线性方程组；(4)采用数值迭代的算法对所建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数。该方法可以用于航天器发射入轨后，对空间机械臂的结构参数进行在轨标定，从而有效提高空间机械臂的控制精度。
如图1所示，空间机械臂的一端与基座连接，基座固定安装在安装底板上，空间机械臂包括多个连杆，多个连杆串联，相邻两个连杆通过关节连接，相邻两个连杆之间形成的角度为关节角；空间机械臂的另一端即末端安装有手眼相机，靶标固定安装在安装底板上。靶标上面标记有具有特定形状的图案，便于手眼相机进行视觉测量。
建立基准坐标系O-XYZ，原点位于空间机械臂的一端与基座连接的交点处，X轴垂直于安装底板朝上，Y轴平行于安装底板朝右，Z轴为沿第一个关节轴线的方向，X轴、Y轴、Z轴满足右手定则；
实施例1：
以某七自由度关节式空间机械臂为例，其进行结构设计时的理论结构参数值见表1，假设发射后其在轨真实的结构参数见表2。这里空间机械臂的结构参数采用DH参数表示法，每个连杆由4个参数表示：ai表示连杆长度，di表示两连杆距离，αi表示连杆扭角，θi表示关节角度，这里i≥1表示第i个连杆。对于关节式空间机械臂，每个连杆的3个参数ai、di、αi为固定值，需要通过标定获得，而另外一个参数θi为变化量，可以直接通过测量获得，不需要进行标定。假设手眼相机的位置测量误差为0.1mm，姿态测量精度为0.1度。
表1 七自由度空间机械臂发射前DH参数值
连杆 a<sub>i</sub>(mm) d<sub>i</sub>(mm) α<sub>i</sub>(deg) θ<sub>i</sub>(deg)
1 0 0 0 θ<sub>1</sub>
2 0 150 -90 θ<sub>2</sub>
3 0 900 -90 θ<sub>3</sub>
4 0 130 90 θ<sub>4</sub>
5 0 900 90 θ<sub>5</sub>
6 0 0 90 θ<sub>6</sub>
7 0 0 -90 θ<sub>7</sub>
表2 七自由度空间机械臂DH参数在轨真实值
Figure BDA0001440323100000091
Figure BDA0001440323100000101
如图2所示，本发明的具体步骤如下：
(1)在手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，即不同空间机械臂构型下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像；
首先，根据靶标的安装位置，设计n组空间机械臂构型作为标定测例，编号为1-n，n≥N/2，其中N为空间机械臂关节个数，每组标定测例下需保证靶标处于空间机械臂末端的手眼相机的视场内。对于七自由度空间机械臂，N＝7，因此n≥3.5，为了提供标定精度，应尽量设计多组标定测例，这里取n＝18；
然后，控制空间机械臂进行运动，依次运动至1号标定测例至n号标定测例所对应的构型，在每组标定测例下利用末端手眼相机对靶标进行拍照测量；
(2)记录每组构型下空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端的位姿数据；
首先，记录每组标定测例下空间机械臂7个关节的角度测量数据
Figure BDA0001440323100000102
其中i表示标定测例的编号，1≤i≤18；
Figure BDA0001440323100000103
至
Figure BDA0001440323100000104
依次表示标定测量i下记录的关节1至7的角度测量数据；
然后，记录每组标定测例下手眼相机测量得到的空间机械臂末端的位姿测量数据
Figure BDA0001440323100000105
其中
Figure BDA0001440323100000106
分别表示标定测例i下记录的空间机械臂末端的X轴、Y轴、Z轴的位置数据分量，
Figure BDA0001440323100000107
表示标定测例i下记录的空间机械臂末端在基准坐标系下的欧拉角，即姿态数据。这里欧拉角采用的是3-1-2转序的欧拉角表示方法。
(3)将不同构型下空间机械臂的关节角度数据和末端位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，建立关于空间机械臂结构参数的非线性方程组；
首先，对于标定测例i，将步骤(2)中得到的
Figure BDA0001440323100000111
和
Figure BDA0001440323100000112
代入空间机械臂的正运动学方程，可以得到以空间机械臂DH参数XDH为变量的一个非线性方程：
Figure BDA0001440323100000113
其中f(·,·)表示空间机械臂的正运动学方程。对于七自由度关节式空间机械臂，每个连杆的结构参数用4个DH参数表示，其中3个参数为待标定量，因此共包含21个标定量，即XDH＝[a1 d1 α1 a2 d2 α2…a7 d7 α7]。
然后，对标定测例1至标定测例18分别采用进行上述方法，可以得到18个非线性方程，联立这18个非线性方程就得到如下的非线性方程组：
Figure BDA0001440323100000114
(4)采用数值迭代的算法对步骤(3)建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数。。
首先，将式(2)右边的物理量移动到等式左边，可以得到如下形式：
F(XDH)＝0 (3)
其中：
Figure BDA0001440323100000115
以空间机械臂进行结构设计时的理论DH参数作为XDH的初值XDH(0)，见表1所示，采用数值解法进行迭代计算：
XDH(k+1)＝G(XDH(k)) (5)
其中k≥0为迭代步数，k的初值为0。G(·)为数值解法给出的式(3)的迭代函数，这里采用的是Levenberg-Marquardt数值算法。
然后，将步骤(3)得到的XDH(k+1)代入式(4)求得F(XDH(k+1))，如果F(XDH(k+1))小于设定的阈值，则迭代结束；否则，k的值加1，重复式(5)的迭代过程直至满足F(XDH(k+1))小于设定的阈值，||·||表示矢量的模。设定的阈值的取值范围为大于0小于0.01，这里取0.001
迭代结束后，取XDH(k+1)作为XDH的最终解，标定结束。
表3 七自由度空间机械臂DH参数标定值
关节 a<sub>i</sub>(mm) d<sub>i</sub>(mm) α<sub>i</sub>(deg) θ<sub>i</sub>(deg)
1 0 0 0 θ<sub>1</sub>
2 0.5607 150.4816 -89.9601 θ<sub>2</sub>
3 -0.5238 900.6843 -89.9085 θ<sub>3</sub>
4 1.8410 130.2343 89.4158 θ<sub>4</sub>
5 -1.9197 900.7779 90.6591 θ<sub>5</sub>
6 0.1270 0.3743 89.8111 θ<sub>6</sub>
7 0.5060 0 -89.7366 θ<sub>7</sub>
本发明一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定系统，包括：控制模块、记录模块、建立模块和求解模块；
控制模块，在手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像；
记录模块，记录手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿数据；
建立模块，将不同位姿状态下空间机械臂的关节角度测量值和末端在基准坐标系下的位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，即建立以空间机械臂结构参数作为变量的非线性方程组，送至求解模块；
求解模块，采用数值迭代的算法对建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数。
控制模块在手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像步骤如下：
(1.1)根据靶标的安装位置，设置n组手眼相机相对靶标的不同位姿，即n组空间机械臂构型作为标定测例，并对各标定测例进行编号，依次编号为1～n，n≥N/2，其中N为空间机械臂关节个数，每组标定测例下需保证靶标处于空间机械臂末端的手眼相机的视场内；
(1.2)控制空间机械臂进行运动，依次运动至1号标定测例至n号标定测例所对应的空间机械臂构型，在每组标定测例下利用空间机械臂末端手眼相机对靶标进行拍照，即完成成像。
记录模块，记录手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿数据方法如下：
(2.1)记录步骤(1.2)中每组标定测例下空间机械臂N个关节的角度测量数据
Figure BDA0001440323100000131
其中上标i表示标定测例的编号，1≤i≤n；
Figure BDA0001440323100000132
至
Figure BDA0001440323100000133
依次表示标定测例i下记录的N个关节的角度测量值；
(2.2)记录步骤(1.2)中每组标定测例下手眼相机测量得到的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿测量数据
Figure BDA0001440323100000134
其中
Figure BDA0001440323100000135
分别表示标定测例i下记录的空间机械臂末端的X轴、Y轴、Z轴的位置数据分量，
Figure BDA0001440323100000136
表示标定测例i下记录的空间机械臂末端在基准坐标系下的欧拉角，即姿态数据；
建立模块将不同位姿状态下空间机械臂的关节角度测量值和末端在基准坐标系下的位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，即建立以空间机械臂结构参数作为变量的非线性方程组的方法如下：
(3.1)对于标定测例i，将步骤(2.1)中得到的
Figure BDA0001440323100000141
和步骤(2.2)中得到的
Figure BDA0001440323100000142
代入空间机械臂的正运动学方程，得到以空间机械臂空间机械臂结构参数即DH参数XDH为变量的一个非线性方程：
Figure BDA0001440323100000143
其中f(·,·)表示空间机械臂的正运动学方程；
(2)对标定测例1至标定测例n分别采用步骤(3.1)的方法，得到n个非线性方程，联立这n个非线性方程就得到如下的非线性方程组：
Figure BDA0001440323100000144
求解模块采用数值迭代的算法对建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数的方法如下：
(4.1)将式(2)改写为如下形式：
F(XDH)＝0 (3)
其中：
Figure BDA0001440323100000145
(4.2)以空间机械臂进行结构设计时的理论DH参数作为XDH的初值XDH(0)；
(4.3)采用数值迭代的算法进行迭代计算，迭代公式如下：
XDH(k+1)＝G(XDH(k))
其中k≥0为迭代步数，k的初值为0；G(·)为数值迭代的算法给出的式(3)对应的迭代函数；XDH(k)的初值为步骤(4.2)得到的XDH(0)；
(4.4)将步骤(4.3)得到的XDH(k+1)代入式(4)求得F(XDH(k+1))，如果||F(XDH(k+1))||小于设定的阈值，则迭代结束，进行步骤(4.5)；否则，k的值加1，重复步骤(4.3)，||·||表示矢量的模；
(4.5)步骤(4.4)迭代结束后，取XDH(k+1)作为XDH的最终解，即空间机械臂结构参数的标定结果。
采用本发明得到的七自由度空间机械臂的在轨DH参数标定结果见表3，对比表2所示的机械臂真实在轨DH参数可知，采用本发明得到的DH参数的标定误差很小，ai和di的误差小于0.1mm，αi的误差小于0.1度，并且这个误差很大程度上是由于手眼相机的测量误差引起的。由标定结果可以看到，本发明所提出的标定方法和系统具有较高的精度。

Claims (10)

1.一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法，其特征在于：包括
(1)在手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像；
(2)记录步骤(1)各个位姿状态下，空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿数据；
(3)将不同位姿状态下空间机械臂的关节角度测量值和末端在基准坐标系下的位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，即建立以空间机械臂结构参数作为变量的非线性方程组；
(4)采用数值迭代的算法对步骤(3)建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法，其特征在于：所述的步骤(1)在手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像步骤如下：
(1.1)根据靶标的安装位置，设置n组手眼相机相对靶标的不同位姿，即n组空间机械臂构型作为标定测例，并对各标定测例进行编号，依次编号为1～n，n≥N/2，其中N为空间机械臂关节个数，每组标定测例下需保证靶标处于空间机械臂末端的手眼相机的视场内；
(1.2)控制空间机械臂进行运动，依次运动至1号标定测例至n号标定测例所对应的空间机械臂构型，在每组标定测例下利用空间机械臂末端手眼相机对靶标进行拍照，即完成成像。
3.根据权利要求2所述的一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法，其特征在于：所述的步骤(2)记录步骤(1)各个位姿状态下，空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿数据方法如下：
(2.1)记录步骤(1.2)中每组标定测例下空间机械臂N个关节的角度测量数据
Figure FDA0002626241470000021
其中上标i表示标定测例的编号，1≤i≤n；
Figure FDA0002626241470000022
至
Figure FDA0002626241470000023
依次表示标定测例i下记录的N个关节的角度测量值；
(2.2)记录步骤(1.2)中每组标定测例下手眼相机测量得到的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿测量数据
Figure FDA0002626241470000024
其中
Figure FDA0002626241470000025
分别表示标定测例i下记录的空间机械臂末端的X轴、Y轴、Z轴的位置数据分量，
Figure FDA0002626241470000026
表示标定测例i下记录的空间机械臂末端在基准坐标系下的欧拉角，即姿态数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法，其特征在于：所述的步骤(3)将不同位姿状态下空间机械臂的关节角度测量值和末端在基准坐标系下的位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，即建立以空间机械臂结构参数作为变量的非线性方程组的方法如下：
(3.1)对于标定测例i，将步骤(2.1)中得到的
Figure FDA0002626241470000027
和步骤(2.2)中得到的
Figure FDA0002626241470000028
代入空间机械臂的正运动学方程，得到以空间机械臂空间机械臂结构参数即DH参数XDH为变量的一个非线性方程：
Figure FDA0002626241470000029
其中f(·,·)表示空间机械臂的正运动学方程；
(2)对标定测例1至标定测例n分别采用步骤(3.1)的方法，得到n个非线性方程，联立这n个非线性方程就得到如下的非线性方程组：
Figure FDA00026262414700000210
5.根据权利要求1所述的一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法，其特征在于：所述的步骤(4)采用数值迭代的算法对步骤(3)建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数的方法如下：
(4.1)将式(2)改写为如下形式：
F(XDH)＝0 (3)
其中：
Figure FDA0002626241470000031
(4.2)以空间机械臂进行结构设计时的理论DH参数作为XDH的初值XDH(0)；
(4.3)采用数值迭代的算法进行迭代计算，迭代公式如下：
XDH(k+1)＝G(XDH(k))
其中k≥0为迭代步数，k的初值为0；G(·)为数值迭代的算法给出的式(3)对应的迭代函数；XDH(k)的初值为步骤(4.2)得到的XDH(0)；
(4.4)将步骤(4.3)得到的XDH(k+1)代入式(4)求得F(XDH(k+1))，如果||F(XDH(k+1))||小于设定的阈值，则迭代结束，进行步骤(4.5)；否则，k的值加1，重复步骤(4.3)，||·||表示矢量的模；
(4.5)步骤(4.4)迭代结束后，取XDH(k+1)作为XDH的最终解，即空间机械臂结构参数的标定结果。
6.一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定系统，其特征在于包括：控制模块、记录模块、建立模块和求解模块；
控制模块，在手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像；
记录模块，记录手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿数据；
建立模块，将不同位姿状态下空间机械臂的关节角度测量值和末端在基准坐标系下的位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，即建立以空间机械臂结构参数作为变量的非线性方程组，送至求解模块；
求解模块，采用数值迭代的算法对建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数。
7.根据权利要求6所述的一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定系统，其特征在于：控制模块在手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，利用空间机械臂末端安装的手眼相机对靶标进行成像步骤如下：
(1.1)根据靶标的安装位置，设置n组手眼相机相对靶标的不同位姿，即n组空间机械臂构型作为标定测例，并对各标定测例进行编号，依次编号为1～n，n≥N/2，其中N为空间机械臂关节个数，每组标定测例下需保证靶标处于空间机械臂末端的手眼相机的视场内；
(1.2)控制空间机械臂进行运动，依次运动至1号标定测例至n号标定测例所对应的空间机械臂构型，在每组标定测例下利用空间机械臂末端手眼相机对靶标进行拍照，即完成成像。
8.根据权利要求7所述的一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定系统，其特征在于：所述的记录模块，记录手眼相机相对靶标的不同位姿状态下，空间机械臂各关节的角度测量值以及手眼相机测量的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿数据方法如下：
(2.1)记录步骤(1.2)中每组标定测例下空间机械臂N个关节的角度测量数据
Figure FDA0002626241470000041
其中上标i表示标定测例的编号，1≤i≤n；
Figure FDA0002626241470000042
至
Figure FDA0002626241470000043
依次表示标定测例i下记录的N个关节的角度测量值；
(2.2)记录步骤(1.2)中每组标定测例下手眼相机测量得到的空间机械臂末端在基准坐标系下的位姿测量数据
Figure FDA0002626241470000051
其中
Figure FDA0002626241470000052
分别表示标定测例i下记录的空间机械臂末端的X轴、Y轴、Z轴的位置数据分量，
Figure FDA0002626241470000053
表示标定测例i下记录的空间机械臂末端在基准坐标系下的欧拉角，即姿态数据。
9.根据权利要求8所述的一种基于手眼相机的空间机械臂在轨标定系统，其特征在于：建立模块将不同位姿状态下空间机械臂的关节角度测量值和末端在基准坐标系下的位姿数据代入空间机械臂正运动学方程，即建立以空间机械臂结构参数作为变量的非线性方程组的方法如下：
(3.1)对于标定测例i，将步骤(2.1)中得到的
Figure FDA0002626241470000054
和步骤(2.2)中得到的
Figure FDA0002626241470000055
代入空间机械臂的正运动学方程，得到以空间机械臂空间机械臂结构参数即DH参数XDH为变量的一个非线性方程：
Figure FDA0002626241470000056
其中f(·,·)表示空间机械臂的正运动学方程；
(2)对标定测例1至标定测例n分别采用步骤(3.1)的方法，得到n个非线性方程，联立这n个非线性方程就得到如下的非线性方程组：
Figure FDA0002626241470000057
10.根据权利要求9所述的基于手眼相机的空间机械臂在轨标定方法，其特征在于：求解模块采用数值迭代的算法对建立的非线性方程组进行求解，获得空间机械臂的结构参数的方法如下：
(4.1)将式(2)改写为如下形式：
F(XDH)＝0 (3)
其中：
Figure FDA0002626241470000061
(4.2)以空间机械臂进行结构设计时的理论DH参数作为XDH的初值XDH(0)；
(4.3)采用数值迭代的算法进行迭代计算，迭代公式如下：
XDH(k+1)＝G(XDH(k))
其中k≥0为迭代步数，k的初值为0；G(·)为数值迭代的算法给出的式(3)对应的迭代函数；XDH(k)的初值为步骤(4.2)得到的XDH(0)；
(4.4)将步骤(4.3)得到的XDH(k+1)代入式(4)求得F(XDH(k+1))，如果||F(XDH(k+1))||小于设定的阈值，则迭代结束，进行步骤(4.5)；否则，k的值加1，重复步骤(4.3)，||·||表示矢量的模；
(4.5)步骤(4.4)迭代结束后，取XDH(k+1)作为XDH的最终解，即空间机械臂结构参数的标定结果。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107993227B (zh) * 2017-12-15 2020-07-24 深圳先进技术研究院 一种获取3d腹腔镜手眼矩阵的方法和装置
CN108427282A (zh) * 2018-03-30 2018-08-21 华中科技大学 一种基于示教学习的机器人逆运动学求解方法
CN109077822B (zh) * 2018-06-22 2020-11-03 雅客智慧（北京）科技有限公司 一种基于视觉测量的牙科种植手机标定系统及方法
CN108908291B (zh) * 2018-06-29 2020-07-14 北京空间飞行器总体设计部 一种在轨维修的多臂空间机器人
CN109059768B (zh) * 2018-08-31 2020-10-23 扬州大学 一种容器内置零件检测系统的位姿标定方法
CN110660108B (zh) * 2019-09-11 2022-12-27 北京控制工程研究所 一种交会对接测量相机和对接抓捕机构的联合标定方法
CN111590566B (zh) * 2020-05-12 2021-07-13 北京控制工程研究所 一种适用于全构型的空间机械臂运动学参数在轨标定方法
CN112792814B (zh) * 2021-01-21 2022-06-10 珞石（北京）科技有限公司 基于视觉标志的机械臂零点标定方法
CN114184581B (zh) * 2021-10-25 2024-05-07 北京理工大学 基于oct系统的图像优化方法、装置、电子设备及存储介质

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102794763A (zh) * 2012-08-31 2012-11-28 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
CN103231375A (zh) * 2013-04-28 2013-08-07 苏州大学 基于距离误差模型的工业机器人标定方法
CN103759716A (zh) * 2014-01-14 2014-04-30 清华大学 基于机械臂末端单目视觉的动态目标位置和姿态测量方法
CN103955207A (zh) * 2014-04-24 2014-07-30 哈尔滨工业大学 一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统及方法
CN104331547A (zh) * 2014-10-23 2015-02-04 北京控制工程研究所 一种基于可操作性的空间机械臂结构参数优化方法
CN204295687U (zh) * 2014-11-20 2015-04-29 中国计量学院 一种基于机器视觉和超声波传感器的工件抓取装置
CN105157680A (zh) * 2015-08-28 2015-12-16 北京控制工程研究所 一种全局特征与局部特征结合的视觉测量系统及测量方法
CN105278454A (zh) * 2015-11-05 2016-01-27 合肥图迅电子科技有限公司 基于机械臂视觉定位系统的机器人手眼定位算法
CN105444672A (zh) * 2015-12-17 2016-03-30 华科精准（北京）医疗科技有限公司 激光测距仪和机械臂末端关系的正交平面标定方法及系统
CN107256568A (zh) * 2017-05-08 2017-10-17 西安交通大学 一种高精度机械臂手眼相机标定方法及标定系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040130695A1 (en) * 2003-01-08 2004-07-08 Vyacheslav Ananyev Kit for converting a photolithography machine for treating semiconductor wafers of certain diameter to a machine for treating semiconductor wafers of larger diameter

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102794763A (zh) * 2012-08-31 2012-11-28 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
CN103231375A (zh) * 2013-04-28 2013-08-07 苏州大学 基于距离误差模型的工业机器人标定方法
CN103759716A (zh) * 2014-01-14 2014-04-30 清华大学 基于机械臂末端单目视觉的动态目标位置和姿态测量方法
CN103955207A (zh) * 2014-04-24 2014-07-30 哈尔滨工业大学 一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统及方法
CN104331547A (zh) * 2014-10-23 2015-02-04 北京控制工程研究所 一种基于可操作性的空间机械臂结构参数优化方法
CN204295687U (zh) * 2014-11-20 2015-04-29 中国计量学院 一种基于机器视觉和超声波传感器的工件抓取装置
CN105157680A (zh) * 2015-08-28 2015-12-16 北京控制工程研究所 一种全局特征与局部特征结合的视觉测量系统及测量方法
CN105278454A (zh) * 2015-11-05 2016-01-27 合肥图迅电子科技有限公司 基于机械臂视觉定位系统的机器人手眼定位算法
CN105444672A (zh) * 2015-12-17 2016-03-30 华科精准（北京）医疗科技有限公司 激光测距仪和机械臂末端关系的正交平面标定方法及系统
CN107256568A (zh) * 2017-05-08 2017-10-17 西安交通大学 一种高精度机械臂手眼相机标定方法及标定系统

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Kinematic Analysis of a Novel 3-DOF Hybrid Mechanical Arm;Y B Li, Z L Jin;《2008 IEEE International Conference on Industrial Technology》;20081231;第1-5页 *
基于Sylvester方程变形的荔枝采摘机器人手眼标定方法;莫宇达，等;《农业工程学报》;20170228;第33卷(第4期);第47-54页 *
空间机械臂视觉相机内参标定技术研究;谭启蒙;《航天返回与遥感》;20131231;第34卷(第6期);第74-80页 *
面向非合作目标抓捕的机械臂轨迹规划方法;徐拴锋，等;《中国空间科学技术》;20140831(第4期);第8-15页 *

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