CN109129465A - 一种机器人手眼标定系统及其工作流程 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人标定技术领域，具体涉及一种机器人手眼标定系统及其工作流程，包括机器人(1)、标靶(2)、三维视觉测量系统(3)和控制系统(4)，所述标靶(2)设置于所述机器人(1)末端，所述三维视觉测量系统(3)用于测量所述标靶(2)的坐标，所述机器人(1)用于移动所述标靶(2)，并测量所述标靶(2)的坐标，所述机器人(1)和所述三维视觉测量系统(3)均与所述控制系统(4)电连接。该系统利用迭代权重分配的机制，为参与奇异值分解拟合的坐标点附加不同权重，从而减少了误差较大的坐标点对最终拟合结果的干扰，提高了标定精度。

Description

一种机器人手眼标定系统及其工作流程
技术领域
本发明属于机器人标定技术领域，具体涉及一种机器人手眼标定系统及其工作流程。
背景技术
在机器人集成应用中，往往需要与视觉设备联合工作，以实现自主抓取，分类以及跟踪等复杂工作。三维视觉传感器及其相应测量系统因获得的信息量丰富，以及高灵敏度、高精度、与工件无接触等优点，而越来越受到人们的重视和应用。而机器人与三维视觉测量系统之间的手眼标定，则是两者能够准确协作的重要环节。手眼标定是通过在机器人末端安装特定的标靶，分别获取当前标靶在机器人基坐标系下的坐标以及三维视觉测量坐标系下的坐标点，通过拟合算法求得机器人基坐标系与三维视觉测量坐标系之间的平移旋转矩阵，从而确定了机器人与三维视觉传感器之间的相对位置。
现有技术中，手眼标定方法都是利用奇异值分解法，对大量的坐标点进行拟合，这类方法的不足在于，各个坐标点在拟合过程中的权重默认是相等的，这样容易导致一些误差较大的坐标点无法被排除，从而降低整体的拟合精度。
综上可知，相关技术存在缺陷，不利于工业生产，亟待完善。
发明内容
本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种机器人手眼标定系统，利用迭代权重分配的机制，为参与奇异值分解拟合的坐标点附加不同权重，从而减少了误差较大的坐标点对最终拟合结果的干扰。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种机器人手眼标定系统，包括机器人、标靶、三维视觉测量系统和控制系统，所述标靶设置于所述机器人末端，所述三维视觉测量系统用于测量所述标靶的坐标，所述机器人用于移动所述标靶，并测量所述标靶的坐标，所述机器人和所述三维视觉测量系统均与所述控制系统电连接。该系统利用迭代权重分配的机制，为参与奇异值分解拟合的坐标点附加不同权重，从而减少了误差较大的坐标点对最终拟合结果的干扰。
作为本发明所述的机器人手眼标定系统的一种改进，所述机器人的基座与所述三维视觉测量系统基座的位置相对固定。这种设计使得系统的工作空间相对固定，提高了工作的稳定性。
本发明的目的之二在于：针对现有技术的不足，还提供一种机器人手眼标定系统的使用方法，使其工作稳定、高效，可靠性高。
为实现上述目的，本发明提供一种机器人手眼标定系统的工作流程，包括如下步骤：
S1、所述机器人通过TCP示教获得所述标靶相对于所述机器人的位置信息，并读取所述标靶相对于所述机器人基坐标系{B}下的坐标，并将信息传递给所述控制系统；
S2、所述三维视觉测量系统读取所述标靶相对于所述三维视觉测量系统基坐标系{S}下的坐标，并将信息传递给所述控制系统；
S3、所述控制系统控制所述机器人运动，所述机器人带动所述标靶移动，使得所述标靶的相对位置发生改变；
S4、依次执行步骤S1和步骤S2；
S5、依次执行步骤S3和步骤S4，重复n次，并获得所述标靶在所述机器人基坐标系{B}下的坐标Bp1，Bp2，Bp3...，Bpn，以及所述标靶在所述三维视觉测量系统基坐标系{S}下的坐标Sp1，Sp2，Sp3...，Spn。此时两组坐标点满足关系：
其中，分别是机器人手眼标定所需要标定的旋转矩阵和平移向量；
S6、对各个坐标点的初始权重(w1 w2 w3 ... wn)均赋值为1，对Bp1，Bp2，Bp3...，Bpn和Sp1，Sp2，Sp3...，Spn分别按下述等式求取重心和
S7、构造如下矩阵：
并对矩阵XWYT进行奇异值分解：X·W·YT＝U·Σ·VT，然后代入以下等式求得当前的旋转矩阵和平移向量
S8、检查各个坐标点在当前旋转矩阵和平移向量下的误差：
设计一误差阈值r，若发现有坐标点最大误差Δemax大于该误差阈值r，则进行下一步，否则，作为机器人手眼标定结果当前旋转矩阵和平移向量
S9、设计误差-权重函数：根据各个坐标点的误差对其权重进行重新分配；
S10、依次重复执行步骤S6、步骤S7和步骤S8，直至满足步骤S8的误差阈值r为止。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：针对现有机器人手眼标定技术中，参与拟合旋转矩阵和平移向量的各个坐标点权重相等导致无法排除误差较大点干扰的情况。提取一个基于迭代权重分配的机器人手眼标定方法，根据每一次迭代所得标定结果的各个坐标点误差，利用误差-权重函数：调整各个坐标点的权重，使误差较大的点权重减少，并通过多次迭代，使各个坐标点的误差在一个合理的误差阈值范围内，从而减少了测量过程之中一些误差较大坐标点的干扰。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中的结构示意图；
其中：1-机器人；2-标靶；3-三维视觉测量系统；4-控制系统；{B}-标靶相对于机器人基坐标系；{S}-标靶相对于三维视觉测量系统基坐标系。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，一种机器人手眼标定系统，包括机器人1、标靶2、三维视觉测量系统3和控制系统4，标靶2设置于机器人1末端，三维视觉测量系统3用于测量标靶2的坐标，机器人1用于移动标靶2，并测量标靶2的坐标，机器人1和三维视觉测量系统3均与控制系统4电连接。该系统利用迭代权重分配的机制，为参与奇异值分解拟合的坐标点附加不同权重，从而减少了误差较大的坐标点对最终拟合结果的干扰。
优选的，机器人1的基座与三维视觉测量系统3基座的位置相对固定。这种设计使得系统的工作空间相对固定，提高了工作的稳定性。
实施例2
如图1所示，一种实施例1机器人手眼标定系统的工作流程，包括如下步骤：
S1、机器人1通过TCP示教获得标靶2相对于机器人1的位置信息，并读取标靶2相对于机器人1基坐标系{B}下的坐标，并将信息传递给控制系统4；
S2、三维视觉测量系统3读取标靶2相对于三维视觉测量系统3基坐标系{S}下的坐标，并将信息传递给控制系统4；
S3、控制系统4控制机器人1运动，机器人1带动标靶2移动，使得标靶2的相对位置发生改变；
S4、依次执行步骤S1和步骤S2；
S5、依次执行步骤S3和步骤S4，重复n次，并获得标靶2在机器人1基坐标系{B}下的坐标Bp1，Bp2，Bp3...，Bpn，以及标靶2在三维视觉测量系统3基坐标系{S}下的坐标Sp1，Sp2，Sp3...，Spn。此时两组坐标点满足关系：
其中，分别是机器人手眼标定所需要标定的旋转矩阵和平移向量；
S6、对各个坐标点的初始权重(w1 w2 w3 ... wn)均赋值为1，对Bp1，Bp2，Bp3...，Bpn和Sp1，Sp2，Sp3...，Spn分别按下述等式求取重心和
S7、构造如下矩阵：
并对矩阵XWYT进行奇异值分解：X·W·YT＝U·Σ·VT，然后代入以下等式求得当前的旋转矩阵和平移向量
S8、检查各个坐标点在当前旋转矩阵和平移向量下的误差：
设计一误差阈值r，若发现有坐标点最大误差Δemax大于该误差阈值r，则进行下一步，否则，作为机器人手眼标定结果当前旋转矩阵和平移向量
S9、设计误差-权重函数：根据各个坐标点的误差对其权重进行重新分配；
S10、依次重复执行步骤S6、步骤S7和步骤S8，直至满足步骤S8的误差阈值r为止。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种机器人手眼标定系统，其特征在于：包括机器人(1)、标靶(2)、三维视觉测量系统(3)和控制系统(4)，所述标靶(2)设置于所述机器人(1)末端，所述三维视觉测量系统(3)用于测量所述标靶(2)的坐标，所述机器人(1)用于移动所述标靶(2)，并测量所述标靶(2)的坐标，所述机器人(1)和所述三维视觉测量系统(3)均与所述控制系统(4)电连接。
2.如权利要求1所述的机器人手眼标定系统，其特征在于：所述机器人(1)的基座与所述三维视觉测量系统(3)基座的位置相对固定。
3.一种所述机器人手眼标定系统及其工作流程，包括如下步骤：
S1、所述机器人(1)通过TCP示教获得所述标靶(2)相对于所述机器人(1)的位置信息，并读取所述标靶(2)相对于所述机器人(1)基坐标系{B}下的坐标，并将信息传递给所述控制系统(4)；
S2、所述三维视觉测量系统(3)读取所述标靶(2)相对于所述三维视觉测量系统(3)基坐标系{S}下的坐标，并将信息传递给所述控制系统(4)；
S3、所述控制系统(4)控制所述机器人(1)运动，所述机器人(1)带动所述标靶(2)移动，使得所述标靶(2)的相对位置发生改变；
S4、依次执行步骤S1和步骤S2；
S5、依次执行步骤S3和步骤S4，重复n次，并获得所述标靶(2)在所述机器人(1)基坐标系{B}下的坐标Bp1，Bp2，Bp3...，Bpn，以及所述标靶(2)在所述三维视觉测量系统(3)基坐标系{S}下的坐标Sp1，Sp2，Sp3...，Spn。此时两组坐标点满足关系：
其中，分别是机器人手眼标定所需要标定的旋转矩阵和平移向量；
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