CN110276799B - 一种坐标标定方法、标定系统及机械臂 - Google Patents

一种坐标标定方法、标定系统及机械臂 Download PDF

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Abstract

本发明适用于智能控制技术领域，提供了一种坐标标定方法、标定系统及机械臂，其中，该坐标标定方法包括通过机械臂上的摄像头采集目标图像；接收摄像头控制器计算的所述目标图像中所述标定板位姿的偏差结果；获取所述机械臂的基座坐标，根据所述基座坐标和所述偏差结果计算所述机械臂运动的目标位置和姿态；获取所述目标图像中预设的至少三个的标定点的位置坐标；根据所述目标位置和姿态以及所述位置坐标计算所述工作台在机械臂所在坐标系下的坐标，以完成所述机械臂和所述工作台位置坐标的标定。通过本发明实施例可以自动进行机械臂与工作台之间的坐标标定，标定精度高，适用性和灵活性强；采用视觉方法非接触标定，不存在机械磨损问题。

Description

一种坐标标定方法、标定系统及机械臂
技术领域
本发明涉及智能控制领域，尤其涉及一种坐标标定方法、标定系统及机械臂。
背景技术
随着机械臂越来越广泛应用在工业生产制造中，机械臂与其操作工作台也越来越多地处于不同的平台，比如操作工作台处于流水线运动状态或者机械臂位于滑轨运动，在这种情况下，机械臂在工作台上完成高精度的动作必然需要精确标定机械臂与工作台之间的坐标，一般指在机械臂基座坐标系下工作台平面的坐标。
目前机械臂与工作台之间的坐标标定方法主要包括两种：一种是采用尖锐的标定工具，将机械臂移动至工作台上的三个点，并用人眼进行对准，获得相应的坐标点，从而确定工作台的坐标平面。另一种是采用标定模具及其阵列，通过控制机械臂将模具放入对应的孔或者槽中获得相应的坐标点，从而确定工作台的坐标平面。第一种方法的误差主要来自两个方面，其一是机械臂固定尖锐标定工具(如锥子)时存在较大的误差，既无法保证标定工具与机械臂Z轴重合，也无法保证标定工具的尖端与机械臂TCP(工具坐标点)重合，其二是人眼对准误差大，一致性差，操作繁琐。第二种方法较第一种方法精度有所提高，但是其精度依赖标定模具及其阵列，标定模具及其阵列不但加工周期长，并且存在磨损，标定过程同样费时费力，操作繁琐。在机械臂和工作台处于同平台时(机械臂基座与工作台不存在相对运动)尚可以使用，但在存在相对运动，处于需要频繁标定的情况下，这种方法不再适用。
发明内容
鉴于此，本发明实施例提供了一种坐标标定方法、标定系统及机械臂，该方法通过视觉方法与机械臂结合，实现非接触式的坐标自动精确标定，提高了标定精度与效率。
本发明实施例的第一方面提供了一种坐标标定方法，所述坐标标定方法包括：
通过机械臂上的摄像头采集目标图像，其中，所述目标图像中包括标定板，所述标定板安装在工作台的指定位置上；
接收摄像头控制器计算的所述目标图像中所述标定板位姿的偏差结果；
获取所述机械臂的基座坐标，根据所述基座坐标和所述偏差结果计算所述机械臂运动的目标位置和姿态；
获取所述目标图像中预设的至少三个的标定点的位置坐标，所述位置坐标为所述标定点在所述摄像头坐标系中的坐标；
根据所述目标位置和姿态以及所述位置坐标计算所述工作台在机械臂所在坐标系下的坐标，以完成所述机械臂和所述工作台位置坐标的标定。
可选地，在本申请提供的另一实施例中在所述通过机械臂上的摄像头采集目标图像之前还包括：
控制所述机械臂移动至预定位置，所述预定位置根据所述工作台所在位置进行设定。
可选地，在本申请提供的另一实施例中所述通过机械臂上的摄像头采集目标图像包括：
控制所述机械臂从所述预定位置开始移动；
检测所述机械臂移动过程中所述摄像头捕获的视野中是否包含所述标定板，若包含，则控制所述摄像头采集当前视野中的图像，得到所述目标图像。
可选地，在本申请提供的另一实施例中在所述获取所述目标图像中预设的至少三个的标定点的位置坐标之前包括：
判断所述偏差结果是否小于预设偏差阈值；
若否，则重复调整所述摄像头的拍摄位置后再次获取目标图像，并计算再次获取的目标图片中所述标定板位姿的偏差结果。
可选地，在本申请提供的另一实施例中所述标定板为指定颜色的标定板；
所述标定板中的图案为非中心对称图案，且可从标定板中提取至少三个不共线的标定点。
本发明实施例的第二方面提供了一种坐标标定系统，所述坐标标定系统包括上位机、机械臂控制器、机械臂、摄像头控制器以及摄像头，所述上位机分别与所述机械臂控制器和所述摄像头控制器相连接，以进行通信：
所述摄像头安装在所述机械臂上，所述控制器用于控制所述机械臂进行运动；所述摄像头控制器用于控制所述摄像头进行目标图像的采集；
所述坐标定位系统运行时：通过机械臂上的摄像头采集目标图像，其中，所述目标图像中包括标定板，所述标定板安装在工作台的指定位置上；
上位机接收摄像头控制器计算的所述目标图像中所述标定板位姿的偏差结果；
上位机获取所述机械臂的基座坐标，根据所述基座坐标和所述偏差结果计算所述机械臂运动的目标位置和姿态；还用于获取所述目标图像中预设的至少三个的标定点的位置坐标，所述位置坐标为所述标定点在所述摄像头坐标系中的坐标；
所述上位机根据所述目标位置和姿态以及所述位置坐标计算所述工作台在机械臂所在坐标系下的坐标，以完成所述机械臂和所述工作台位置坐标的标定。
可选地，在本申请提供的另一实施例中所述坐标标定系统还包括：
控制所述机械臂移动至预定位置，所述预定位置根据所述工作台所在位置进行设定。
可选地，在本申请提供的另一实施例中所述通过机械臂上的摄像头采集目标图像包括：
控制所述机械臂从所述预定位置开始移动；
检测所述机械臂移动过程中所述摄像头捕获的视野中是否包含所述标定板，若包含，则控制所述摄像头采集当前视野中的图像，得到所述目标图像。
可选地，在本申请提供的另一实施例中所述标定板为指定颜色的标定板；
所述标定板中的图案为非中心对称图案，且可从标定板中提取至少三个不共线的标定点。
本发明实施例的第三方面提供了一种机械臂，所述机械臂与工作台进行坐标标定时，实现上述坐标标定方法中任一项所述方法的步骤。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：在本实施例中，首先通过机械臂上的摄像头采集目标图像，接收摄像头控制器计算的所述目标图像中所述标定板位姿的偏差结果；然后获取所述机械臂的基座坐标，根据所述基座坐标和所述偏差结果计算所述机械臂运动的目标位置和姿态；再获取所述目标图像中预设的至少三个的标定点的位置坐标，所述位置坐标为所述标定点在所述摄像头坐标系中的坐标；最后根据所述目标位置和姿态以及所述位置坐标计算所述工作台在机械臂所在坐标系下的坐标，以完成所述机械臂和所述工作台位置坐标的标定。与现有技术相比，通过本发明实施例可以自动进行机械臂与工作台之间的坐标标定，无需人工操作；标定精度高，一致性好；适用性和灵活性强；采用视觉方法，非接触标定，不存在机械磨损问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种坐标标定方法的流程示意图；
图2为本发明实施例一提供的坐标标定方法中机械臂和工作台系统连接示意图；
图3为本发明实施例提供的标定板的样式示意图；
图4为本发明实施例提供的另一标定板的样式示意图；
图5为本发明实施例提供的另一标定板的样式示意图；
图6为本发明实施例二提供的坐标标定系统的结构示意图。
其中：1-机械臂基座，2-机械臂，3-摄像头，4-工作台，5-标定板。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
本实施例中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的区域、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”为不同的类型。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种坐标标定方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：
S101：通过机械臂上的摄像头采集目标图像，其中，所述目标图像中包括标定板，所述标定板安装在工作台的指定位置上。
S102：接收摄像头控制器计算的所述目标图像中所述标定板位姿的偏差结果。
可选地，在所述通过机械臂上的摄像头采集目标图像之前还包括：
控制所述机械臂移动至预定位置，所述预定位置根据所述工作台所在位置进行设定。
可选地，所述通过机械臂上的摄像头采集目标图像包括：
控制所述机械臂从所述预定位置开始移动；
检测所述机械臂移动过程中所述摄像头捕获的视野中是否包含所述标定板，若包含，则控制所述摄像头采集当前视野中的图像，得到所述目标图像。
该步骤中通过设定机械臂的目标位置，也就是预先将机械臂放置在预定位置处，该预定位置由工作台和机械臂之前的工作关系进行设定，然后移动机械臂以使机械臂上的摄像头可以采集目标图像，所述目标图像中包括标定板，所述标定板安装在工作台的指定位置上。也就是说，移动机械臂使摄像头将目标图像(标定板)捕获至摄像头视野中，并采集图像，图2示出了机械臂与工作台之间的系统连接图。
S103：获取所述机械臂的基座坐标，根据所述基座坐标和所述偏差结果计算所述机械臂运动的目标位置和姿态。
S104：获取所述目标图像中预设的至少三个的标定点的位置坐标，所述位置坐标为所述标定点在所述摄像头坐标系中的坐标。
可选地，在所述获取所述目标图像中预设的至少三个的标定点的位置坐标之前包括：
判断所述偏差结果是否小于预设偏差阈值；
若否，则重复调整所述摄像头的拍摄位置后再次获取目标图像，并计算再次获取的目标图片中所述标定板位姿的偏差结果。
可选地，所述标定板为指定颜色的标定板；
所述标定板中的图案为非中心对称图案，且可从标定板中提取至少三个不共线的标定点。
具体的，根据捕获的目标图像获得图像中标定的板图像，并计算标定板的位移姿态的偏差结果，并将偏差发送至上位机；上位机根据偏差结果和已知的机械臂的基座坐标，计算得到机械臂运动的目标位置和目标姿态，其中目标位置为基座坐标系下的机械臂TCP坐标(Xi,Yi,Zi)，目标姿态为机械臂TCP姿态(Rxi,Ryi,Rzi)，i为大于零的整数，表示第i次调整。并将目标位置姿态信息发送至机械臂控制器；机械臂控制器根据目标位置姿态信息控制机械臂移动到目标位置，并调整姿态至目标姿态；重新采集图像，上述机械臂控制器与上述上位机和机械臂相连接以实现通信，所述上位机向所述机械臂控制器下发相关指令，以由所述机械臂控制器根据所述相关指令控制机械臂的运动。进一步地，若上述偏差结果大于预设偏差阈值；则重复调整所述摄像头的拍摄位置后再次获取目标图像，并计算再次获取的目标图片中所述标定板位姿的偏差结果。
本申请中标定板固定于工作台上，标定板颜色采用黑色、白色以及红绿蓝等纯色为主要颜色，图案采用非中心对称图案，以便于摄像图采集为原则，以可提取不共线的三点坐标为原则。本实施例中采用图3所示标定板，形状为黑色方形，图案为正方形和圆形的结合，选取a，b，c三点为坐标点。上述标定板也可以为其他形状，如图4、图5所示。
S105：根据所述目标位置和姿态以及所述位置坐标计算所述工作台在机械臂所在坐标系下的坐标，以完成所述机械臂和所述工作台位置坐标的标定。
该步骤中上位机根据当前机械臂位姿信息和标定板三个坐标点在所采集图片中的坐标信息即可解算工作台平面在机械臂基座坐标下的平面坐标，完成机械臂与工作台之间的坐标标定。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：在本实施例中，首先通过机械臂上的摄像头采集目标图像，接收摄像头控制器计算的所述目标图像中所述标定板位姿的偏差结果；然后获取所述机械臂的基座坐标，根据所述基座坐标和所述偏差结果计算所述机械臂运动的目标位置和姿态；再获取所述目标图像中预设的至少三个的标定点的位置坐标，所述位置坐标为所述标定点在所述摄像头坐标系中的坐标；最后根据所述目标位置和姿态以及所述位置坐标计算所述工作台在机械臂所在坐标系下的坐标，以完成所述机械臂和所述工作台位置坐标的标定。与现有技术相比，通过本发明实施例可以自动进行机械臂与工作台之间的坐标标定，无需人工操作；标定精度高，一致性好；适用性和灵活性强；采用视觉方法，非接触标定，不存在机械磨损问题。
实施例二
图6为本发明实施例二提供的坐标标定系统示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
所述坐标标定系统包括上位机61、机械臂控制器62、机械臂63、摄像头控制器64以及摄像头65，所述上位机61分别与所述机械臂控制器62和所述摄像头控制器64相连接，以进行通信。上述各部分之间可以通过以太网等方式进行连接并通信。
所述摄像头65安装在所述机械臂63上，所述机械臂控制器62用于控制所述机械臂63进行运动；所述摄像头控制器64用于控制所述摄像头65进行目标图像的采集；
所述坐标定位系统运行时：通过机械臂63上的摄像头65采集目标图像，其中，所述目标图像中包括标定板，所述标定板安装在工作台的指定位置上；
上位机61接收摄像头控制器64计算的所述目标图像中所述标定板位姿的偏差结果；
上位机61获取所述机械臂63的基座坐标，根据所述基座坐标和所述偏差结果计算所述机械臂63运动的目标位置和姿态；还用于获取所述目标图像中预设的至少三个的标定点的位置坐标，所述位置坐标为所述标定点在所述摄像头坐标系中的坐标；
所述上位机61根据所述目标位置和姿态以及所述位置坐标计算所述工作台在机械臂61所在坐标系下的坐标，以完成所述机械臂61和所述工作台位置坐标的标定。
可选地，在本申请提供的另一实施例中所述坐标标定系统还包括：
控制所述机械臂移动至预定位置，所述预定位置根据所述工作台所在位置进行设定。
可选地，在本申请提供的另一实施例中所述通过机械臂上的摄像头采集目标图像包括：
控制所述机械臂从所述预定位置开始移动；
检测所述机械臂移动过程中所述摄像头捕获的视野中是否包含所述标定板，若包含，则控制所述摄像头采集当前视野中的图像，得到所述目标图像。
可选地，在本申请提供的另一实施例中所述标定板为指定颜色的标定板；
所述标定板中的图案为非中心对称图案，且可从标定板中提取至少三个不共线的标定点。
具体地，摄像头控制器64处理摄像头采集的图像，获得图像中标定板图像计算位移姿态的偏差。上位机61根据摄像头控制器64发送的偏差，采用控制算法，通过机械臂控制器62控制机械臂63的运动，直至标定板到达摄像头视野中的目标位置和姿态。机械臂控制器62根据上位机61的指令实现对机械臂63的位移和姿态控制。
所述的摄像头控制器64与摄像头65和上位机61相连，上位机61通过机械臂控制器62与机械臂63相连。如图2所示，摄像头65安装与机械臂63末端，视场方向与机械臂63末端Z轴平行，标定板固定于工作台上。标定板颜色采用黑色、白色以及红绿蓝等纯色为主要颜色，图案采用非中心对称图案，以便于摄像图采集为原则，以可提取不共线的三点坐标为原则。本例中采用图3所示标定板，形状为黑色方形，图案为正方形和圆形的结合，选取a，b，c三点为坐标点。此外还提供了图4、图5样式的标定板。根据上述标定方法对机械臂和工作台之间的坐标进行标定。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种坐标标定方法，其特征在于，所述坐标标定方法包括：
通过机械臂上的摄像头采集目标图像，其中，所述目标图像中包括标定板，所述标定板安装在工作台的指定位置上；
接收摄像头控制器计算的所述目标图像中所述标定板位姿的偏差结果；
获取所述机械臂的基座坐标，根据所述基座坐标和所述偏差结果计算所述机械臂运动的目标位置和姿态；
获取所述目标图像中预设的至少三个的标定点的位置坐标，所述位置坐标为所述标定点在所述摄像头坐标系中的坐标；
根据所述目标位置和姿态以及所述位置坐标计算所述工作台在机械臂所在坐标系下的坐标，以完成所述机械臂和所述工作台位置坐标的标定；
在所述获取所述目标图像中预设的至少三个的标定点的位置坐标之前包括：
判断所述偏差结果是否小于预设偏差阈值；
若否，则重复调整所述摄像头的拍摄位置后再次获取目标图像，并计算再次获取的目标图片中所述标定板位姿的偏差结果。
2.根据权利要求1所述的坐标标定方法，其特征在于，在所述通过机械臂上的摄像头采集目标图像之前还包括：
控制所述机械臂移动至预定位置，所述预定位置根据所述工作台所在位置进行设定。
3.根据权利要求2所述的坐标标定方法，其特征在于，所述通过机械臂上的摄像头采集目标图像包括：
控制所述机械臂从所述预定位置开始移动；
检测所述机械臂移动过程中所述摄像头捕获的视野中是否包含所述标定板，若包含，则控制所述摄像头采集当前视野中的图像，得到所述目标图像。
4.根据权利要求1所述的坐标标定方法，其特征在于，所述标定板为指定颜色的标定板；
所述标定板中的图案为非中心对称图案，且可从标定板中提取至少三个不共线的标定点。
5.一种利用权利要求1所述坐标标定方法的坐标标定系统，其特征在于，所述坐标标定系统包括上位机、机械臂控制器、机械臂、摄像头控制器以及摄像头，所述上位机分别与所述机械臂控制器和所述摄像头控制器相连接，以进行通信：
所述摄像头安装在所述机械臂上，所述控制器用于控制所述机械臂进行运动；所述摄像头控制器用于控制所述摄像头进行目标图像的采集；
所述坐标定位系统运行时：通过机械臂上的摄像头采集目标图像，其中，所述目标图像中包括标定板，所述标定板安装在工作台的指定位置上；
上位机接收摄像头控制器计算的所述目标图像中所述标定板位姿的偏差结果；
上位机获取所述机械臂的基座坐标，根据所述基座坐标和所述偏差结果计算所述机械臂运动的目标位置和姿态；还用于获取所述目标图像中预设的至少三个的标定点的位置坐标，所述位置坐标为所述标定点在所述摄像头坐标系中的坐标；
所述上位机根据所述目标位置和姿态以及所述位置坐标计算所述工作台在机械臂所在坐标系下的坐标，以完成所述机械臂和所述工作台位置坐标的标定。
6.根据权利要求5所述的坐标标定系统，其特征在于，所述坐标标定系统还包括：
控制所述机械臂移动至预定位置，所述预定位置根据所述工作台所在位置进行设定。
7.根据权利要求6所述的坐标标定系统，其特征在于，所述通过机械臂上的摄像头采集目标图像包括：
控制所述机械臂从所述预定位置开始移动；
检测所述机械臂移动过程中所述摄像头捕获的视野中是否包含所述标定板，若包含，则控制所述摄像头采集当前视野中的图像，得到所述目标图像。
8.根据权利要求5-7任一项所述的坐标标定系统，其特征在于，所述标定板为指定颜色的标定板；
所述标定板中的图案为非中心对称图案，且可从标定板中提取至少三个不共线的标定点。
9.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂与工作台进行坐标标定时，实现如权利要求1至4中任一项所述方法的步骤。
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