CN110238851B - 一种移动机器人及其快速标定方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动机器人的快速标定方法，包括：预先在标定部件上标出N个标记点，N为不小于3的正整数；在移动机器人到达目标位置之后，控制移动机器人的机械臂摆出预设的目标姿势；控制相机对标定部件进行拍照，确定出每个标记点在相机坐标系下的像素坐标值；移动机械臂，使得机械臂上的预定位置点依次与N个标记点接触，并确定出接触时预定位置点在三维坐标系下的坐标值；根据确定出的N个像素坐标值以及N个三维坐标值计算出旋转矩阵以及平移向量以完成标定。应用本申请的方案，无需利用规格参数已知的标定板，并且能够更加快速地对移动机器人进行标定。本申请还公开了一种移动机器人及其快速标定系统，具有相应效果。

Description

一种移动机器人及其快速标定方法和系统

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别是涉及一种移动机器人及其快速标定方法和系统。

背景技术

随着机器人控制技术的不断进步，移动机器人在家居、仓库、工厂、餐厅等场合中发挥着越来越大的作用。移动机器人在抓取物体时，需要获知物体的位置，传统的方案中，通常是基于手眼系统来实现。

在利用手眼系统之前，需要进行标定，从而确定出相机位置与世界坐标系的对应关系。手眼系统中，摄像机可能是安装在机械手末端并跟随其一起运动，也可能是安装在机械臂外部的固定位置。而针对移动机器人，由于机器人的基坐标会随着机器人的移动而变化，使得标定过程非常复杂。例如一种传统的手眼标定过程中，需要控制机器人移动至不同的位置，分别对标定板进行拍照，再通过各个位置时机器人末端与标定板之间的位置关系，联立相关方程组以确定出相机坐标相对于机器人末端坐标的位置关系，并且标定板需要是一块规格参数已知的标定板。

综上所述，如何更加方便快速地对移动机器人进行标定，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种移动机器人及其快速标定方法和系统，以更加方便快速地对移动机器人进行标定。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种移动机器人的快速标定方法，包括：

预先在标定部件上标出N个标记点，N为不小于3的正整数；

在移动机器人到达目标位置之后，控制所述移动机器人的机械臂摆出预设的目标姿势；

控制相机对所述标定部件进行拍照，确定出每个所述标记点在相机坐标系下的像素坐标值

其中，

为第i标记点在相机坐标系下的像素坐标值，1≤i≤N；

移动所述机械臂，使得所述机械臂上的预定位置点依次与N个所述标记点接触，并确定出接触时所述预定位置点在三维坐标系下的坐标值

其中，

为所述预定位置点与第i标记点接触时在三维坐标系下的坐标值；

根据确定出的N个像素坐标值以及N个三维坐标值计算出旋转矩阵以及平移向量以完成标定。

优选的，所述预定位置点为杆状连接件的第一端的端点，所述杆状连接件的第二端与所述机械臂的机械爪的中心点连接。

优选的，所述预定位置点为所述机械臂的机械爪的末端位置点。

优选的，所述标定部件水平放置，且在移动所述机械臂，使得所述预定位置点依次与N个所述标记点接触时，所述机械爪以及所述杆状连接件均垂直于水平面；

相应的，所述确定出接触时所述预定位置点在三维坐标系下的坐标值

包括：

根据

确定出接触时所述预定位置点在三维坐标系下的坐标值

其中，

表示接触时所述机械爪的末端位置点在三维坐标系下的坐标值，l表示所述机械爪垂直于水平面时，所述机械爪的中心点与所述机械爪的末端位置点在三维坐标系下的X轴方向的距离。

优选的，N的取值为3；

且所述根据确定出的N个像素坐标值以及N个三维坐标值计算出旋转矩阵以及平移向量以完成标定，包括：

根据

以及

确定出旋转矩阵

以及平移向量

以完成标定。

一种移动机器人的快速标定系统，包括：

标记点设置模块，用于预先在标定部件上标出N个标记点，N为不小于3的正整数；

姿势控制模块，用于在移动机器人到达目标位置之后，控制所述移动机器人的机械臂摆出预设的目标姿势；

像素坐标值获取模块，用于控制相机对所述标定部件进行拍照，确定出每个所述标记点在相机坐标系下的像素坐标值

其中，

为第i标记点在相机坐标系下的像素坐标值，1≤i≤N；

接触点坐标值获取模块，用于移动所述机械臂，使得所述机械臂上的预定位置点依次与N个所述标记点接触，并确定出接触时所述预定位置点在三维坐标系下的坐标值

其中，

为所述预定位置点与第i标记点接触时在三维坐标系下的坐标值；

参数计算模块，用于根据确定出的N个像素坐标值以及N个三维坐标值计算出旋转矩阵以及平移向量以完成标定。

优选的，所述预定位置点为杆状连接件的第一端的端点，所述杆状连接件的第二端与所述机械臂的机械爪的中心点连接。

优选的，所述预定位置点为所述机械臂的机械爪的末端位置点。

优选的，所述标定部件水平放置，且在移动所述机械臂，使得所述预定位置点依次与N个所述标记点接触时，所述机械爪以及所述杆状连接件均垂直于水平面；相应的，所述接触点坐标值获取模块，具体用于：

移动所述机械臂，使得所述机械臂上的预定位置点依次与N个所述标记点接触，并根据

确定出接触时所述预定位置点在三维坐标系下的坐标值

其中，

表示接触时所述机械爪的末端位置点在三维坐标系下的坐标值，l表示所述机械爪垂直于水平面时，所述机械爪的中心点与所述机械爪的末端位置点在三维坐标系下的X轴方向的距离。

一种移动机器人，移动机器人在标定时实现上述任一项所述的移动机器人的快速标定方法的步骤。

本申请的方案中，由于标定时控制移动机器人的机械臂摆出预设的目标姿势，使得相机位置，机械臂位置以及机器人的基坐标这三者之间的相对位置是固定的，标定之后的机器人需要抓取物体时，再摆出目标姿势进行拍摄，便可以确定出待抓取物体相对于机器人的位置，从而实现物体的抓取。具体的，在控制移动机器人的机械臂摆出预设的目标姿势之后，控制相机对标定部件进行拍照，确定出每个标记点在相机坐标系下的像素坐标值

本申请也无需利用已知参数的专门的标定板，控制机械臂上的预定位置点依次与N个标记点接触之后，便可以根据接触时预定位置点在三维坐标系下的坐标值以及N个标记点各自的像素坐标值，计算出旋转矩阵以及平移向量。因此，本申请的方案无需利用规格参数已知的标定板，并且能够更加快速地对移动机器人进行标定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中一种移动机器人的快速标定方法的实施流程图；

图2为本发明中一种移动机器人的快速标定系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种移动机器人的快速标定方法，无需利用规格参数已知的标定板，并且能够更加快速地对移动机器人进行标定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明中一种移动机器人的快速标定方法的实施流程图，该移动机器人的快速标定方法可以包括以下步骤：

步骤S101：预先在标定部件上标出N个标记点，N为不小于3的正整数。

本申请不需要利用规格参数已知的标定板作为标定部件，本申请的标定部件可以是任意形式的部件，只要能够在标定部件上标出标记点即可。例如，可以将一张白纸作为标定部件，在该白纸上标记出N个记号点，即标记点。标出标记点的形式也可以是任意形式，例如画圆点，画叉等。当然，本申请的方案也可以利用传统的规格已知的标定板作为标定部件，例如可以采用传统的黑白方格标定板，在方格的顶点进行标记，有利于相机进行标记点的识别，即有利于提高识别的准确度。

在标记出N个标记点之后，可以执行步骤S102的操作。

步骤S102：在移动机器人到达目标位置之后，控制移动机器人的机械臂摆出预设的目标姿势。

目标位置可以是预先设置的位置，目标位置的设置，需要使得移动机器人处于目标位置时，机械臂摆出预设的目标姿势之后，相机能够拍到N个标记点，即每一个标记点都能够被相机界面显示出来。在满足这一条件下，目标位置可以任意设定。

目标姿势也可以根据实际需要进行设定，并且需要说明的是，由于机械臂摆出预设的目标姿势之后相机需要进行拍照，因此目标姿势通常会预设为便于相机拍照的姿势。

步骤S103：控制相机对标定部件进行拍照，确定出每个标记点在相机坐标系下的像素坐标值

其中，

为第i标记点在相机坐标系下的像素坐标值，1≤i≤N。

需要说明的是，本申请使用的相机是不含深度信息的相机，即相机拍出的是二维照片，本申请也只需要进行水平面的标定，即针对相机拍摄出的任意一个像素点，只需要确定出该像素点对应的三维坐标系下的X轴坐标以及Y轴坐标，至于三维坐标系下的Z轴坐标，可以根据其他方式确定。例如仓库中移动机器人需要搬运货架上的货物时，通过相机拍照，确定出货物在三维坐标系下的X轴坐标以及Y轴坐标，再通过对货架类型进行判断，直接获取存储的货架高度数据，进而也就可以得知货物在三维坐标系下的Z轴坐标。当然，在其他场合中，还可以有其他方式确定出物体在三维坐标系下的Z轴坐标，此处不展开说明。

控制相机对标定部件进行拍照，可以得出一张二维图像，不同的标记点在该图像上的位置不同，即可以得出每一个标记点在相机坐标系下的像素坐标值

其中，

为第i标记点在相机坐标系下的像素坐标值，1≤i≤N。

步骤S104：移动机械臂，使得机械臂上的预定位置点依次与N个标记点接触，并确定出接触时预定位置点在三维坐标系下的坐标值

其中，

为预定位置点与第i标记点接触时在三维坐标系下的坐标值。

预定位置点可以是机械臂外表面或者与机械臂连接的部件的外表面上的任意位置点。针对每一个标记点，本申请需要在预定位置点与该标记点接触时，获取此时的接触点的坐标，因此，需要通过一个已知三维坐标的点以及该点在此时与预定位置点之间的几何关系，确定出此时的预定位置点在三维坐标系下的坐标值

通常，该已知三维坐标的点可以是移动机器人的机械爪的末端位置点。

并且，由于需要利用几何关系进行计算，因此在选取预定位置点时，也应当选取便于计算的位置点作为预定位置点。

例如在一种具体实施方式中，可以直接将预定位置点设置为机械臂的机械爪的末端位置点，这样的设置方式，可以直接获取到预定位置点依次与N个标记点接触时，预定位置点在三维坐标系下的坐标值。

机械臂上的预定位置点依次与N个标记点接触，每次接触时，便确定出此时预定位置点在三维坐标系下的坐标值，该坐标值也就是当前接触的标记点在三维坐标系下的坐标值。N次接触之后，便可以得出N个三维坐标系下的坐标值。当然，本申请在执行步骤S104，获取预定位置点在三维坐标系下的坐标值时，无需考虑Z轴的坐标值。

步骤S105：根据确定出的N个像素坐标值以及N个三维坐标值计算出旋转矩阵以及平移向量以完成标定。

在确定出的N个像素坐标值以及N个三维坐标值之后，便可以联立方程组，计算出旋转矩阵以及平移向量以完成标定。

需要指出的是，在完成标定之后，移动机器人移动到任意位置进行物体抓取时，通过相机拍照确定待抓取物体的位置时，也需要机械臂摆出预设的目标姿势，再通过相机拍出的图像确定出三维坐标系下的待抓取物体的X轴坐标以及Y轴坐标。

本申请的方案中，由于标定时控制移动机器人的机械臂摆出预设的目标姿势，使得相机位置，机械臂位置以及机器人的基坐标这三者之间的相对位置是固定的，标定之后的机器人需要抓取物体时，再摆出目标姿势进行拍摄，便可以确定出待抓取物体相对于机器人的位置，从而实现物体的抓取。具体的，在控制移动机器人的机械臂摆出预设的目标姿势之后，控制相机对标定部件进行拍照，确定出每个标记点在相机坐标系下的像素坐标值

本申请也无需利用已知参数的专门的标定板，控制机械臂上的预定位置点依次与N个标记点接触之后，便可以根据接触时预定位置点在三维坐标系下的坐标值以及N个标记点各自的像素坐标值，计算出旋转矩阵以及平移向量。因此，本申请的方案无需利用规格参数已知的标定板，并且能够更加快速地对移动机器人进行标定。

在本发明的一种具体实施方式中，预定位置点为杆状连接件的第一端的端点，杆状连接件的第二端与机械臂的机械爪的中心点连接。

该种实施方式中，考虑到如果将机械爪的末端位置点直接设置为预定位置点，虽然在执行步骤S104时可以直接确定出预定位置点的坐标，利于计算，但是，由于形状限制，机械爪的末端未必能够直接接触到标记点，因此，该种实施方式中，使用一个杆状连接件的第一端作为预定位置点，该杆状连接件的另外一端与机械臂连接，具体的，该种实施方式中，将该杆状连接件的另外一端连接至机械臂的机械爪的中心点，例如可以采用粘接的方式。该种实施方式有利于避免出现接触不到情况，同时，基于机械爪的末端坐标计算机械爪的中心点的坐标的计算过程也并不复杂，进而可以再根据杆状连接件与机械爪的中心点之间的几何关系，实现预定位置点在三维坐标系下的坐标值的计算。

此外，其他实施方式中，也可以是其他形状的连接件，连接位置也可以是机械臂上的其他位置，只要能够根据几何关系计算出预定位置点在三维坐标系下的坐标值即可。

进一步的，当预定位置点为杆状连接件的第一端的端点，杆状连接件的第二端与机械臂的机械爪的中心点连接时，可以将标定部件水平放置，且在移动机械臂，使得预定位置点依次与N个标记点接触时，机械爪以及杆状连接件均垂直于水平面。

由于该种实施方式中，机械爪以及杆状连接件均垂直于水平面，因此机械爪的中心点的垂线上的任意一点的三维坐标，与机械爪的中心点的三维坐标之间，只存在Z轴上的数据差异，而X轴和Y轴的坐标均相同。即预定位置点在三维坐标系下的X轴和Y轴的坐标与机械爪的中心点是相同的，也就方便了计算。而当机械爪以及杆状连接件均垂直于水平面时，机械爪的中心点的Y轴坐标与机械爪的末端位置点的Y轴坐标也是相同的，只是在X轴坐标上存在距离差，该距离差可以使用游标卡尺等度量工具直接测量出。

因此，该种实施方式中，步骤S104中描述的确定出接触时预定位置点在三维坐标系下的坐标值

可以具体为：

根据

确定出接触时预定位置点在三维坐标系下的坐标值

其中，

表示接触时机械爪的末端位置点在三维坐标系下的坐标值，

可以直接获取到；l表示机械爪垂直于水平面时，机械爪的中心点与机械爪的末端位置点在三维坐标系下的X轴方向的距离，l可以通过游标卡尺等工具测量出。

在本发明的一种具体实施方式中，N的取值为3；

且根据确定出的N个像素坐标值以及N个三维坐标值计算出旋转矩阵以及平移向量以完成标定，可以具体为：

根据

以及

确定出旋转矩阵

以及平移向量

以完成标定。

考虑到标定的速度，该种实施方式中N取最小值3，有利于最快速地得出计算结果，即将各数据带入上述方程组中，求解出旋转矩阵

以及平移向量

的取值以完成标定。

当然，其他实施方式中N可以有其他取值，例如N的取值为5，再通过拟合等方式求解出旋转矩阵以及平移向量以完成标定，虽然增加了计算耗时，但结果更为准确。

相应于上面的方法实施例，本发明实施例还提供了一种移动机器人的快速标定系统，可与上文相互对应参照。

参见图2所示，为本发明中一种移动机器人的快速标定系统的结构示意图，包括：

标记点设置模块201，用于预先在标定部件上标出N个标记点，N为不小于3的正整数；

姿势控制模块202，用于在移动机器人到达目标位置之后，控制移动机器人的机械臂摆出预设的目标姿势；

像素坐标值获取模块203，用于控制相机对标定部件进行拍照，确定出每个标记点在相机坐标系下的像素坐标值

其中，

为第i标记点在相机坐标系下的像素坐标值，1≤i≤N；

接触点坐标值获取模块204，用于移动机械臂，使得机械臂上的预定位置点依次与N个标记点接触，并确定出接触时预定位置点在三维坐标系下的坐标值

其中，

为预定位置点与第i标记点接触时在三维坐标系下的坐标值；

参数计算模块205，用于根据确定出的N个像素坐标值以及N个三维坐标值计算出旋转矩阵以及平移向量以完成标定。

在本发明的一种具体实施方式中，预定位置点为杆状连接件的第一端的端点，杆状连接件的第二端与机械臂的机械爪的中心点连接。

在本发明的一种具体实施方式中，预定位置点为机械臂的机械爪的末端位置点。

在本发明的一种具体实施方式中，标定部件水平放置，且在移动机械臂，使得预定位置点依次与N个标记点接触时，机械爪以及杆状连接件均垂直于水平面；相应的，接触点坐标值获取模块204，具体用于：

移动机械臂，使得机械臂上的预定位置点依次与N个标记点接触，并根据

确定出接触时预定位置点在三维坐标系下的坐标值

其中，

表示接触时机械爪的末端位置点在三维坐标系下的坐标值，l表示机械爪垂直于水平面时，机械爪的中心点与机械爪的末端位置点在三维坐标系下的X轴方向的距离。

相应于上面的方法和系统实施例，本发明实施例还提供了一种移动机器人，移动机器人在标定时实现上述任一实施例中的移动机器人的快速标定方法的步骤，此处不重复说明。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种移动机器人的快速标定方法，其特征在于，包括：

预先在标定部件上标出N个标记点，N为不小于3的正整数；

在移动机器人到达目标位置之后，控制所述移动机器人的机械臂摆出预设的目标姿势；

控制相机对所述标定部件进行拍照，确定出每个所述标记点在相机坐标系下的像素坐标值

其中，

为第i标记点在相机坐标系下的像素坐标值，1≤i≤N；

移动所述机械臂，使得所述机械臂上的预定位置点依次与N个所述标记点接触，并确定出接触时所述预定位置点在三维坐标系下的坐标值

其中，

为所述预定位置点与第i标记点接触时在三维坐标系下的坐标值；

根据确定出的N个像素坐标值以及N个三维坐标值计算出旋转矩阵以及平移向量以完成标定；

当N的取值为3时，所述根据确定出的N个像素坐标值以及N个三维坐标值计算出旋转矩阵以及平移向量以完成标定，包括：

根据

以及

确定出旋转矩阵

以及平移向量

以完成标定。

2.根据权利要求1所述的移动机器人的快速标定方法，其特征在于，所述预定位置点为杆状连接件的第一端的端点，所述杆状连接件的第二端与所述机械臂的机械爪的中心点连接。

3.根据权利要求1所述的移动机器人的快速标定方法，其特征在于，所述预定位置点为所述机械臂的机械爪的末端位置点。

4.根据权利要求2所述的移动机器人的快速标定方法，其特征在于，所述标定部件水平放置，且在移动所述机械臂，使得所述预定位置点依次与N个所述标记点接触时，所述机械爪以及所述杆状连接件均垂直于水平面；

相应的，所述确定出接触时所述预定位置点在三维坐标系下的坐标值

包括：

根据

确定出接触时所述预定位置点在三维坐标系下的坐标值

其中，

表示接触时所述机械爪的末端位置点在三维坐标系下的坐标值，l表示所述机械爪垂直于水平面时，所述机械爪的中心点与所述机械爪的末端位置点在三维坐标系下的X轴方向的距离。

5.一种移动机器人的快速标定系统，其特征在于，包括：

标记点设置模块，用于预先在标定部件上标出N个标记点，N为不小于3的正整数；

姿势控制模块，用于在移动机器人到达目标位置之后，控制所述移动机器人的机械臂摆出预设的目标姿势；

像素坐标值获取模块，用于控制相机对所述标定部件进行拍照，确定出每个所述标记点在相机坐标系下的像素坐标值

其中，

为第i标记点在相机坐标系下的像素坐标值，1≤i≤N；

接触点坐标值获取模块，用于移动所述机械臂，使得所述机械臂上的预定位置点依次与N个所述标记点接触，并确定出接触时所述预定位置点在三维坐标系下的坐标值

其中，

为所述预定位置点与第i标记点接触时在三维坐标系下的坐标值；

参数计算模块，用于根据确定出的N个像素坐标值以及N个三维坐标值计算出旋转矩阵以及平移向量以完成标定；

当N的取值为3时，所述参数计算模块具体用于：

根据

以及

确定出旋转矩阵

以及平移向量

以完成标定。

6.根据权利要求5所述的移动机器人的快速标定系统，其特征在于，所述预定位置点为杆状连接件的第一端的端点，所述杆状连接件的第二端与所述机械臂的机械爪的中心点连接。

7.根据权利要求5所述的移动机器人的快速标定系统，其特征在于，所述预定位置点为所述机械臂的机械爪的末端位置点。

8.根据权利要求6所述的移动机器人的快速标定系统，其特征在于，所述标定部件水平放置，且在移动所述机械臂，使得所述预定位置点依次与N个所述标记点接触时，所述机械爪以及所述杆状连接件均垂直于水平面；相应的，所述接触点坐标值获取模块，具体用于：

移动所述机械臂，使得所述机械臂上的预定位置点依次与N个所述标记点接触，并根据

确定出接触时所述预定位置点在三维坐标系下的坐标值

其中，

表示接触时所述机械爪的末端位置点在三维坐标系下的坐标值，l表示所述机械爪垂直于水平面时，所述机械爪的中心点与所述机械爪的末端位置点在三维坐标系下的X轴方向的距离。

9.一种移动机器人，其特征在于，移动机器人在标定时实现如权利要求1至4任一项所述的移动机器人的快速标定方法的步骤。

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