CN109227551B - 一种视觉定位机器人手眼坐标转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视觉定位机器人手眼坐标转换方法，其特征是：在机械臂底盘的回转平台上设置随着回转平台的转动而转动的视觉传感器云台，视觉传感器云台是具有水平旋转转轴和竖直旋转转轴的双轴旋转结构，利用设置在视觉传感器云台上的视觉传感器获得检测数据，针对检测数据通过视觉坐标系和运动学坐标系之间的坐标转换，由机器人驱动机械臂运动至所述目标，实现定位；本发明有效降低了因坐标获取和转换带来的误差，能广泛应用于各种视觉定位型的机器人的坐标转换处理。

Description

一种视觉定位机器人手眼坐标转换方法

技术领域

本发明涉及坐标转换方法，更具体地说是一种视觉定位机器人手眼坐标转换方法，包括获取坐标，并将坐标转换为可用形式。

背景技术

在视觉定位运动的过程中，存在坐标系之间的转换，传统的方法是根据几个坐标系之间的几何关系，推导出由视觉到运动学的坐标转化。这种方法在实际使用中存在的局限性包括：由视觉参考点到运动学参考点的准确转换关系往往无法由测量精确获得，机器人的安装常常无法保证视觉坐标系和运动学坐标系构成完全的平移关系，使得在后续几何转化时，由平移变换得到的运动学坐标系下的坐标并不十分准确，还需要加上相应的旋转变换。因此，传统的坐标获取与转换方法精度通常达不到要求，并且误差呈现不规律、各个方向大小不一致的现象。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种视觉定位机器人手眼坐标转换方法，降低因坐标获取和转换带来的误差，有效地应用于各种视觉定位型的机器人的坐标转换处理。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明视觉定位机器人手眼坐标转换方法的特点是：

在机械臂底盘的回转平台上设置视觉传感器云台，所述视觉传感器云台随着回转平台的转动而转动；所述视觉传感器云台自身具有水平旋转和竖直旋转的两个自由度，形成具有水平旋转转轴和竖直旋转转轴的双轴旋转结构，在所述视觉传感器云台上设置视觉传感器，利用所述视觉传感器获得检测数据，包括用于检测目标到视觉传感器的直线距离d的激光距离传感器、用于检测视觉传感器的水平转角α的水平角度传感器，以及用于检测视觉传感器的竖直转角β的竖向角度传感器；

利用所述视觉传感器针对目标进行检测，获得包括水平转角α、竖直转角β以及目标到视觉传感器的直线距离d的检测数据，利用检测数据并通过视觉坐标系C_eye和运动学坐标系C_k之间的坐标转换，由机器人驱动机械臂运动至所述目标，实现定位；

所述坐标转换是将当前位姿坐标系C_middle设置为中间转化量，通过计算标定出视觉坐标系C_eye、运动学坐标系C_k和当前位姿坐标系C_middle之间的关系，以此实现由视觉坐标系C_eye到运动学坐标系C_k的转换；

所述视觉坐标系C_eye构建为：以所述双轴旋转结构的双轴旋转中心为视觉坐标系原点，Z轴沿水平转轴向上，且向上为正向；X轴和Y轴是在垂直于Z轴的平面上任意选取，且符合右手螺旋定则；所述视觉传感器的水平转角α是指视觉传感器相对于视觉坐标系C_eye的X轴的水平转角，所述视觉传感器的竖直转角β是指视觉传感器相对于视觉坐标系C_eye的Y轴的竖直转角；

所述运动学坐标系C_k构建为：运动学坐标系原点位于机械臂底盘转轴上，高度和机械臂第一轴的高度相同；Z轴沿着机械臂底盘转轴竖直向上，X轴和Y轴是在垂直于Z轴的平面上任意设定，且符合右手螺旋定则；

所述当前位姿坐标系C_middle构建为：与所述运动学C_k具有相同的坐标原点和Z轴方向，X轴顺着机械臂的延伸方向，三轴符合右手螺旋定则；在机器人运动过程中，Z轴方向和原点保持不变，X轴垂直于Z轴且随着机械臂运动始终指向机械臂的延伸方向。

本发明视觉定位机器人手眼坐标转换方法的特点也在于：所述坐标转换按如下过程进行：

步骤1：将所述水平转角α、竖直转角β以及目标到视觉传感器的直线距离d按式(1)转化为视觉坐标系C_eye下的坐标(x1,y1,z1)；

式(1)中：

β1＝β+arctan(d2/d)

将视觉坐标系C_eye的坐标原点记为O；

将激光传感器的实际出射点记为P1；将激光传感器的理想出射点记为点P2；

将激光传感器的几何中心点记为点P3；将目标点记为P4；

激光传感器的实际出射点P1和激光传感器的理想出射点P2之间的空间距离能够分解到视觉坐标系C_eye的Y轴和Z轴上，且视觉坐标系C_eye的Y轴上的分量为d1，视觉坐标系C_eye的Z轴上的分量标为d2；激光传感器的理想出射点P2到竖直旋转转轴的距离为d3；激光传感器的空间几何中心点P3距坐标原点为O的距离为d4；视觉坐标系C_eye的坐标原点为O到目标点P4的距离为d5；视觉传感器云台的水平旋转转轴相对视觉坐标系视觉坐标系C_eye的X轴的转角记为水平转角α；视觉传感器云台的竖直旋转转轴相对视觉坐标系C_eye的X轴的竖直转角为β；

在定义d1、d2、d3和d4时，保证视觉传感器云台在零位位置，实际使用并不需要保证云台在零位位置；所述零位位置是指保证激光出射线与视觉坐标系C_eye的X轴平行，视觉传感器云台的竖向转轴与视觉坐标系C_eye的Y轴平行。

激光传感器的理想出射点P2是实际出射点P1所在平面S的几何中心，所述平面S是与激光传感器信号出射方向垂直的平面；

步骤2、将视觉坐标系C_eye中的坐标(x1,y1,z1)转换为当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x3,y3,z3)：

将在坐标(x1,y1,z1)与坐标(x3,y3,z3)之间的转换过程分解为固定平移变换和误差矫正变换，其中，固定平移变换是指两个坐标系原点偏移的平移变换，误差校正变换是指视觉传感器云台安装误差的误差校正变换，对于所述平移变换和误差校正变换按如下方式实现：

在空间取四个不在同一平面上的设定目标点，以手动的方式将机械臂的末端依次引导至指向四个设定目标点；通过运动学正解，一一对应获得四个设定点在当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x3i,y3i,z3i),i＝1,2,3,4，构成矩阵B，这一过程中，保持机械臂底盘转角不变，是指在机械臂和视觉传感器云台定位同一个点时，机械臂底盘转角是相同的；

转动视觉传感器云台，调整水平转角α和竖直转角β，使所述激光距离传感器的激光依次照射到设定目标点上，并一一对应获得四个设定点在当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x1i,y1i,z1i),i＝1,2,3,4，构成矩阵A，如下：

利用矩阵A和矩阵B计算获得矩阵A和矩阵B之间的转换关系T：TA＝B，即T＝BA^-1，定义T的形式为：

则，针对视觉坐标系C_eye下的坐标(x1,y1,z1)，由式(2)计算获得当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x3,y3,z3)：

步骤3、将当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x3,y3,z3)根据式(3)的计算转换为运动学坐标系C_k下坐标(x2,y2,z2)：

式(3)中，γ0为底盘转角，所述底盘转角γ0为当前位姿坐标系C_middle的X轴和运动学坐标系C_k的X轴之间的平面夹角。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

若是将视觉传感器云台安装在不随底盘运动的位置上，推算过程会比较简单，但是由于实际需要，视觉传感器云台的安装位置会随着机械臂底盘的回转平台而运动，因此推算过程要相对复杂，迄今没有相关文献的公开报导，这是第一种情况；本发明引入当前位姿坐标系C_middle对第一种情况进行处理，使得本发明方法能有效针对视觉传感器云台和运动系统转化关系比较复杂时的情形；

现有方法中通常不考虑视觉传感器云台的安装误差，将视觉传感器云台的安装视为竖直向上，并依此建立坐标系；但实际应用中，视觉传感器云台的安装必然存在误差，并且由于传感器出射的激光指向目标为较远的点，这显然又进一步放大了误差，这是第二种情况；本发明方法将由视觉参考坐标系C_k到当前位姿坐标系C_middle的转化过程进行分解，使得本发明方法对于有无安装误差的情况都可以处理，鲁棒性强。经过实验验证，本发明方法对于实际工程有很好的效果。

附图说明

图1为本发明中回转平台俯视示意图；

图2为本发明中视觉传感器云台的空间模型图；

图中标号：1回转平台，2固定支撑装置，3视觉坐标系，4视觉传感器云台，5中心区域，6运动学坐标系；11为激光传感器的实际出射点，12为激光传感器的理想出射点，13表示激光传感器的理想出射点到竖直旋转转轴的距离，14为激光传感器空间几何中心，15表示激光传感器的空间几何中心点距坐标原点的距离，16表示视觉坐标系C_eye的坐标原点到目标点P4的距离，17为视觉传感器云台的水平旋转转轴相对视觉坐标系视觉坐标系C_eye的X轴的转角，18为视觉传感器云台的竖直旋转转轴相对视觉坐标系C_eye的X轴的竖直转角，19为激光传感器的定位目标点。

具体实施方式

本实施例中视觉定位机器人手眼坐标转换方法是：

参见图1，在固定支撑装置2的中心区域5的位置处设置机械臂底盘的回转平台1，在回转平台1上设置视觉传感器云台4，视觉传感器云台4随着回转平台1的转动而转动；视觉传感器云台4自身具有水平旋转和竖直旋转的两个自由度，形成具有水平旋转转轴和竖直旋转转轴的双轴旋转结构，在视觉传感器云台4上设置视觉传感器，利用视觉传感器获得检测数据，包括用于检测目标到视觉传感器的直线距离d的激光距离传感器、用于检测视觉传感器的水平转角α的水平角度传感器，以及用于检测视觉传感器的竖直转角β的竖向角度传感器。

利用视觉传感器针对目标进行检测，获得包括水平转角α、竖直转角β以及目标到视觉传感器的直线距离d的检测数据，利用检测数据并通过视觉坐标系和运动学坐标系之间的坐标转换，由机器人驱动机械臂运动至目标，实现定位。

如图1所示，本实施例中坐标转换是将当前位姿坐标系设置为中间转化量，通过计算标定出视觉坐标系3、运动学坐标系6和当前位姿坐标系之间的关系，以此实现由视觉坐标系3到运动学坐标系6的转换；将当前位姿坐标系记为C_middle，将视觉坐标系3记为C_eye，将运动学坐标系6记为C_k；所示的运动学坐标系6与当前位姿坐标系C_middle的初始位置重合。

具体实施中，各坐标系分别构建为：

视觉坐标系C_eye构建为：以双轴旋转结构的双轴旋转中心为视觉坐标系原点，Z轴沿水平转轴向上，且向上为正向；X轴和Y轴是在垂直于Z轴的平面上任意选取，且符合右手螺旋定则；视觉传感器的水平转角α是指视觉传感器相对于视觉坐标系C_eye的X轴的水平转角，视觉传感器的竖直转角β是指视觉传感器相对于视觉坐标系C_eye的Y轴的竖直转角。

运动学坐标系C_k构建为：运动学坐标系原点位于机械臂底盘转轴上，高度和机械臂第一轴的高度相同；Z轴沿着机械臂底盘转轴竖直向上，X轴和Y轴是在垂直于Z轴的平面上任意设定，且符合右手螺旋定则。

当前位姿坐标系C_middle构建为：与运动学坐标C_k具有相同的坐标原点和Z轴方向，X轴顺着机械臂的延伸方向，三轴符合右手螺旋定则；在机器人运动过程中，Z轴方向和原点保持不变，X轴垂直于Z轴且随着机械臂运动始终指向机械臂的延伸方向。

具体实施中，坐标转换按如下过程进行：

步骤1：将水平转角α、竖直转角β以及目标到视觉传感器的直线距离d按式(1)转化为视觉坐标系C_eye下的坐标(x1,y1,z1)；

式(1)中：

β1＝β+arctan(d2/d)

如图2所示：

将视觉坐标系C_eye的坐标原点记为O；

将激光传感器的实际出射点11记为P1；将激光传感器的理想出射点12记为点P2；

将激光传感器的几何中心点14记为点P3；将目标点19记为P4；

激光传感器的实际出射点P1和激光传感器的理想出射点P2之间的空间距离能够分解到视觉坐标系C_eye的Y轴和Z轴上，且视觉坐标系C_eye的Y轴上的分量为d1，视觉坐标系C_eye的Z轴上的分量标为d2；激光传感器的理想出射点P2到竖直旋转转轴的距离13为d3；激光传感器的空间几何中心点P3距坐标原点为O的距离15为d4；视觉坐标系C_eye的坐标原点为O到目标点P4的距离16为d5；视觉传感器云台的水平旋转转轴相对视觉坐标系视觉坐标系C_eye的X轴的转角17记为水平转角α；视觉传感器云台的竖直旋转转轴相对视觉坐标系C_eye的X轴的竖直转角18为β；激光传感器的理想出射点P2是实际出射点P1所在平面S的几何中心，平面S是与激光传感器信号出射方向垂直的平面。

参量d1、d3、d3和d4是视觉传感器云台参量，根据实际视觉传感器云台的机械图获得，或者通过在视觉云台上使用游标卡尺等工具测量得到，为了便于准确描述和理解，在定义d1、d3、d3和d4时，保证视觉传感器云台在零位位置，实际使用并不需要保证云台在零位位置，零位位置是指：使激光出射的轴线与视觉坐标系C_eye的X轴平行，视觉传感器云台的竖直旋转转轴与视觉坐标系C_eye的Y轴平行。

但由于视觉传感器云台的机械结构并不完全契合于球坐标系，因此借助d1、d3、d3和d4转化为标准球坐标，再将其转化为直角坐标。

步骤2、将视觉坐标系C_eye中的坐标(x1,y1,z1)转换为当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x3,y3,z3)：

将在坐标(x1,y1,z1)与坐标(x3,y3,z3)之间的转换过程分解为固定平移变换和误差矫正变换，其中，固定平移变换是指两个坐标系原点偏移的平移变换，误差校正变换是指视觉传感器云台安装误差的误差校正变换，对于平移变换和误差校正变换按如下方式实现：

在空间取四个不在同一平面上的设定目标点，以手动的方式将机械臂的末端依次引导至指向四个设定目标点；通过运动学正解，一一对应获得四个设定点在当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x3i,y3i,z3i),i＝1,2,3,4，构成矩阵B，这一过程中，保持机械臂底盘转角不变，是指在机械臂和视觉传感器云台定位同一个点时，机械臂底盘转角是相同的；

转动视觉传感器云台，调整水平转角α和竖直转角β，使激光距离传感器的激光依次照射到设定目标点上，并一一对应获得四个设定点在当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x1i,y1i,z1i),i＝1,2,3,4，构成矩阵A，如下：

利用矩阵A和矩阵B计算获得矩阵A和矩阵B之间的转换关系T：TA＝B，即T＝BA^-1，定义T的形式为：

计算T的过程可通过matlab实现，计算出A^-1，再用B左乘A^-1即得到T的结果。

则，针对视觉坐标系C_eye下的坐标(x1,y1,z1)，由式(2)计算获得当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x3,y3,z3)：

步骤3、将当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x3,y3,z3)根据式(3)的计算转换为运动学坐标系C_k下坐标(x2,y2,z2)：

式(3)中，γ0为底盘转角，底盘转角γ0为当前位姿坐标系C_middle的X轴和运动学坐标系C_k的X轴之间的平面夹角；至此，完成已知数据到可用坐标的转化。

具体实施中：

对于视觉坐标系C_eye和运动学坐标C_k的X轴和Y轴的选取并没有严格限定，可以在符合右手螺旋定则的情况下任意选取。但为了计算直观方便，选择具有辨识性的方向作为X轴，包括：将视觉坐标系C_eye的X轴方向选取为机械臂的延伸方向，将运动学坐标C_k的X轴选取机器人的前进方向；

机器人底盘平面需要尽量和回转平台平行，否则，机器人的末端执行器的位姿会和预设存在差别；为了解决这一点，对于移动式的机器人，需要安装水平倾角传感器，并将水平倾角纳入计算过程，保证转换精度。

本发明是一种视觉定位机器人手眼坐标转换方法，使用“眼睛”确定定位目标，然后驱动自身或机械臂运动至目标点，实现定位功能，可以有效地应用于各种视觉定位型的机器人的坐标转换处理。

Claims (1)

1.一种视觉定位机器人手眼坐标转换方法，其特征是：

在机械臂底盘的回转平台(1)上设置视觉传感器云台(4)，所述视觉传感器云台(4)随着回转平台(1)的转动而转动；所述视觉传感器云台(4)自身具有水平旋转和竖直旋转的两个自由度，形成具有水平旋转转轴和竖直旋转转轴的双轴旋转结构，在所述视觉传感器云台(4)上设置视觉传感器，利用所述视觉传感器获得检测数据，包括用于检测目标到视觉传感器的直线距离d的激光距离传感器、用于检测视觉传感器的水平转角α的水平角度传感器，以及用于检测视觉传感器的竖直转角β的竖向角度传感器；

利用所述视觉传感器针对目标进行检测，获得包括水平转角α、竖直转角β以及目标到视觉传感器的直线距离d的检测数据，利用检测数据并通过视觉坐标系C_eye和运动学坐标系C_k之间的坐标转换，由机器人驱动机械臂运动至所述目标，实现定位；

所述坐标转换是将当前位姿坐标系C_middle设置为中间转化量，通过计算标定出视觉坐标系C_eye、运动学坐标系C_k和当前位姿坐标系C_middle之间的关系，以此实现由视觉坐标系C_eye到运动学坐标系C_k的转换；

所述视觉坐标系C_eye构建为：以所述双轴旋转结构的双轴旋转中心为视觉坐标系原点，Z轴沿水平旋转转轴向上，且向上为正向；X轴和Y轴是在垂直于Z轴的平面上任意选取，且符合右手螺旋定则；所述视觉传感器的水平转角α是指视觉传感器相对于视觉坐标系C_eye的X轴的水平转角，所述视觉传感器的竖直转角β是指视觉传感器相对于视觉坐标系C_eye的Y轴的竖直转角；

所述运动学坐标系C_k构建为：运动学坐标系原点位于机械臂底盘转轴上，高度和机械臂第一轴的高度相同；Z轴沿着机械臂底盘转轴竖直向上，X轴和Y轴是在垂直于Z轴的平面上任意设定，且符合右手螺旋定则；

所述当前位姿坐标系C_middle构建为：与所述运动学C_k具有相同的坐标原点和Z轴方向，X轴顺着机械臂的延伸方向，三轴符合右手螺旋定则；在机器人运动过程中，Z轴方向和原点保持不变，X轴垂直于Z轴且随着机械臂运动始终指向机械臂的延伸方向；

所述坐标转换按如下过程进行：

步骤1：将所述水平转角α、竖直转角β以及目标到视觉传感器的直线距离d按式(1)转化为视觉坐标系C_eye下的坐标(x1,y1,z1)；

式(1)中：

β1＝β+arctan(d2/d)

将视觉坐标系C_eye的坐标原点记为O；

将激光传感器的实际出射点(11)记为P1；将激光传感器的理想出射点(12)记为点P2；

将激光传感器的几何中心点(14)记为点P3；将目标点(19)记为P4；

激光传感器的实际出射点P1和激光传感器的理想出射点P2之间的空间距离能够分解到视觉坐标系C_eye的Y轴和Z轴上，且视觉坐标系C_eye的Y轴上的分量为d1，视觉坐标系C_eye的Z轴上的分量标为d2；激光传感器的理想出射点P2到竖直旋转转轴的距离(13)为d3；激光传感器的空间几何中心点P3距坐标原点为O的距离(15)为d4；视觉坐标系C_eye的坐标原点为O到目标点P4的距离(16)为d5；视觉传感器云台的水平旋转转轴相对视觉坐标系C_eye的X轴的转角(17)记为水平转角α；视觉传感器云台的竖直旋转转轴相对视觉坐标系C_eye的Y轴的竖直转角(18)为β；

在定义d1、d2、d3和d4时，保证视觉传感器云台在零位位置，实际使用并不需要保证云台在零位位置；所述零位位置是指保证激光出射线与视觉坐标系C_eye的X轴平行，视觉传感器云台的竖向转轴与视觉坐标系C_eye的Y轴平行；

激光传感器的理想出射点P2是实际出射点P1所在平面S的几何中心，所述平面S是与激光传感器信号出射方向垂直的平面；

步骤2、将视觉坐标系C_eye中的坐标(x1,y1,z1)转换为当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x3,y3,z3)：

将在坐标(x1,y1,z1)与坐标(x3,y3,z3)之间的转换过程分解为固定平移变换和误差矫正变换，其中，固定平移变换是指两个坐标系原点偏移的平移变换，误差校正变换是指视觉传感器云台安装误差的误差校正变换，对于所述平移变换和误差校正变换按如下方式实现：

在空间取四个不在同一平面上的设定目标点，以手动的方式将机械臂的末端依次引导至指向四个设定目标点；通过运动学正解，一一对应获得四个设定点在当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x3i,y3i,z3i),i＝1,2,3,4，构成矩阵B，这一过程中，保持机械臂底盘转角不变，是指在机械臂和视觉传感器云台定位同一个点时，机械臂底盘转角是相同的；

转动视觉传感器云台，调整水平转角α和竖直转角β，使所述激光距离传感器的激光依次照射到设定目标点上，并一一对应获得四个设定点在当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x1i,y1i,z1i),i＝1,2,3,4，构成矩阵A，如下：

利用矩阵A和矩阵B计算获得矩阵A和矩阵B之间的转换关系T：TA＝B，即T＝BA^-1，定义T的形式为：

则，针对视觉坐标系C_eye下的坐标(x1,y1,z1)，由式(2)计算获得当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x3,y3,z3)：

步骤3、将当前位姿坐标系C_middle下的坐标(x3,y3,z3)根据式(3)的计算转换为运动学坐标系C_k下坐标(x2,y2,z2)：

式(3)中，γ0为底盘转角，所述底盘转角γ0为当前位姿坐标系C_middle的X轴和运动学坐标系C_k的X轴之间的平面夹角。

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