CN111145272A - 一种机械手与相机手眼标定装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机械手与相机手眼标定装置和方法,其操作方便,省时省力,可确定机器人的手眼位置关系,且具有较高的标定精度;其包括底座、相机,所述底座上装有机械手,所述机械手末端旋转轴连接有吸盘标定治具,所述吸盘标定治具下方设有工作台,所述吸盘标定治具包括基座及装于所述基座底面的吸盘,所述基座上还装有辅助标定治具,所述辅助标定治具底面设有标记件。
Description
技术领域
本发明涉及机器人标定技术领域,具体为一种机械手与相机手眼标定装置和方法。
背景技术
工业机器人作为智能制造技术的关键设备,已经广泛应用于汽车、机械、电子、家电、石化、物流等各个行业进行工件搬运、上下料、分拣等操作。传统示教型机器人完成这些操作必须要经过精确的逐点示教,且只能针对固定摆放的单种工件,有很强的局限性。随着社会的发展和需求的多样化,工业领域对自动化产线的柔性化、智能化提出了更高的要求。近年来,机器视觉技术取得飞速发展,机器人中也开始采用视觉信息引导工业机器人自动抓取目标。工业机器人视觉引导技术可以实现制造与装配的全自动化,大幅提高生产效率,已成为当前的一个研究热点。在工业自动化生产中,如3C,IC贴装,太阳能光伏生产制造等需要精度很高的定位,人工操作很难满足其要求,所以需要将机器人和机器视觉技术结合,需采用工业相机模仿人的眼睛来对产品零部件进行识别定位。而机器人和相机有各自的坐标系统,也就是说需要获取两者之间的对应关系才能将机器人和机器视觉技术完美结合,因此机器人和相机之间坐标的标定技术非常关键,直接决定了机器人视觉设备能够满足应用的需求。一般机器人和视觉系统的相机存在两种位置关系,其一是Eye-in-hand,即相机固定在机器人的一个手臂上;其二是Eye-to-hand,即将相机安装在机器人工作范围之内的固定位置。
针对Eye-to-hand方式,目前主要采用(1)机器人末端触碰靶标方法:将靶标固定在相机可看到的地方,用机械手末端触碰靶标获取靶标的机械手坐标系位置,然后用相机获取靶标的图像位置,从而建立机械手坐标系与相机坐标系之间的映射关系;但这种方法高度依赖人眼观察机械手末端位置,带有很大的主观性影响,无法保证精度;且高精度的靶标标定板制作价格也很昂贵;而且该过程操作繁琐,获取较多点的对应关系需要大量的人工操作。(2)机械手末端固定细针扎孔方法:机械手末端固定细针在实际操作台面已经贴好的纸上扎孔,待扎完一定数量的孔洞并记录各个孔洞对应机械手坐标后再控制相机拍照获取各孔洞的图像像素坐标,从而建立机械手坐标系与相机坐标系之间的转换关系;但是这种方法需要保证细针尖与机械手轴心同心,对于机械安装的精度要求较高;且因为要扎孔必须要求实际操作台面必须要有对应的孔洞方可,若是台面或者传送带不允许扎孔则该种标定方法实际应用场景很受限;且该种方法扎出的点形状任意不规则,图像算法找质心也是不准确的;以及该种方法每次标定时需要拆装吸盘治具且需要重新调平校准吸盘,实际标定的精度不高且很耗时。(3)简单的机器人平移旋转方法:一般通过人工操作将机械手上的靶标移动到相机视野内,通过简单的在局部范围内的平移多次并记录图像识别结果和对应的机械手位置,并最后旋转一圈记录开始旋转时靶标与轴心的像素差最终参与换算来建立机械手坐标系和相机坐标系之间的转换关系;但该方法中,机械手平移和旋转操作大多依赖人工,当需要较多点来提高精度时,操作非常繁琐;且该方法中为了方便旋转靶标要高于工作台面,这会造成标定时相机的工作距离与实际工作时的工作距离不同必会带来相机视场的改变,会引入误差,且该距离需要通过人眼去观察设置,非常耗时且很难精确;且该方法为了避免移动靶标时机械手遮挡相机拍照,靶标需伸出机械手末端较远距离方可,这样由于机械安装误差以及承载靶标本身机构件的重力以及平整度原因会造成靶标面与工作台面不平行,容易引入不可控的标定误差;以及该方法也在换算转换矩阵的过程中引入了2次算法误差,包括抓靶算法误差以及拟合圆算法误差。
因此,目前常用的几种标定方法均无法获得较高的标定精度,且目前的标定方法操作繁琐耗时,无法做到生产现场所需的“一键标定”。
发明内容
针对上述问题,本发明提供了一种机械手与相机手眼标定装置和方法,其操作方便,省时省力,可确定机器人的手眼位置关系,且具有较高的标定精度。
其技术方案是这样的:一种机械手与相机手眼标定装置,其包括底座、相机,所述底座上装有机械手,所述机械手末端旋转轴连接有吸盘标定治具,所述吸盘标定治具下方设有工作台,所述吸盘标定治具包括基座及装于所述基座底面的吸盘,所述基座上还装有辅助标定治具,所述辅助标定治具底面设有标记件。
其进一步特征在于:
所述相机装于机架上,所述机架上装有挡板,位于所述相机拍摄视野内的所述挡板上开有拍摄孔;
所述标记件采用标记笔,所述标记笔装于所述辅助标定治具底面,所述标记笔的笔尖端凸出于所述吸盘底部水平面;所述工作台为方桌型结构,所述相机设置于所述机械手上方,使得所述相机的光轴以及所述旋转轴均与所述工作台台面垂直;
所述标记件采用mark圆,所述mark圆为黑色圆,且设置于所述辅助标定治具底面,所述mark圆的安装高度与所述吸盘底部水平面高度相同;所述相机设置于所述工作台下方,所述工作台为平板结构,位于所述相机拍摄视野内的所述工作台上开有通槽,使得所述相机的光轴以及所述旋转轴均与所述工作台台面垂直。
一种机械手与相机手眼标定方法,其特征在于:其包括以下步骤:
S1、通过机械手末端旋转轴带动标记件旋转,相机采集所述标记件旋转至不同位置处作出的标记的图像,并记录各位置处的机械手坐标;
S2、对所述相机采集的图像进行拟合,获取每个图像的像素坐标,也就是所述机械手末端所述旋转轴的轴心在所述相机坐标系的像素坐标;
S3、根据机械手坐标和图像的像素坐标的对应关系,利用最小二乘法,求出机械手坐标和图像坐标之间的仿射变换矩阵,从而实现手眼标定。
其进一步特征在于:
本发明的有益效果是,其操作方便,省时省力,通过设置的机械手与相机手眼标定装置,建立机械手与相机坐标一一对应的关系,确定机器人的“手眼”位置关系,从而实现手眼标定,且具有较高的标定精度。
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,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为本发明实施例一的结构示意图;
图2为本发明实施例一吸盘标定治具的结构示意图;
图3为本发明实施例一工作台的结构示意图;
图4为本发明实施例一机械手画圆示意图;
图5为本发明实施例一工作流程图;
图6为本发明实施例二的结构示意图;
图7为本发明实施例二吸盘标定治具的结构示意图;
图8为本发明实施例二工作台的结构示意图;
图9为本发明实施例二机械手旋转mark圆示意图;
图10为本发明实施例二工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,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。
应理解,下述方法实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后,各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定,而不应对各实施例的实施过程构成任何限定。
为方便说明,将针对相机在工作台平面上方以及相机在工作台平面下方分别阐述说明。
实施例一
如图1~图5所示,一种机械手与相机手眼标定装置,其包括底座1、相机2,底座1上装有机械手3,机械手3可采用不同品牌的机械手3,如Toshiba,Epson,Yamaha,三菱,ABB,OMRON,FANUC等,皆可适用;机械手3末端旋转轴4连接有吸盘标定治具5,吸盘标定治具5下方设有工作台7,吸盘标定治具5包括基座8及装于基座8底面的吸盘6,基座8上还装有辅助标定治具9,辅助标定治具9底面设有标记件。
相机2装于机架10上,机架10上装有挡板11,位于相机2拍摄视野内的挡板11上开有拍摄孔;标记件采用标记笔13,标记笔13装于辅助标定治具9底面,辅助标定治具9用来固定夹持画圆的标记笔13,标记笔13的笔尖端凸出于吸盘6底部水平面;工作台7为方桌型结构,相机2设置于机械手3上方,使得相机2的光轴以及旋转轴4均与工作台7台面垂直,且工作台7台面上放有用于画圆的薄白纸。
一种机械手与相机手眼标定方法,其包括以下步骤:
S1、调试好相机2光轴以及旋转轴4均与工作台7台面垂直,并安装好吸盘标定治具5后,通过机械手3末端旋转轴4带动标记笔13旋转,在相机2视野内的白纸纸面上自转画圆,待画好圆后,相机2采集标记笔13旋转至不同位置(至少9个位置处)作出的圆的图像,并记录各位置处的机械手坐标;
S2、对相机2在九个位置存取的圆的图像进行拟合,获取每个图像的像素坐标,也就是机械手3末端旋转轴4的轴心在相机2坐标系的像素坐标;即对于相机2在上方标记笔方式,先用Canny边缘检测算法提取机械手3在各个位置处自转时通过标记笔13画出的圆的轮廓,再采用RANSAC随机抽样一致算法拟合最优的圆,再用Levenberg-Marquardt算法基于梯度下降,逼近最优的圆并获取圆心,即可拟合获取机械手在各个位置处自转时通过标记笔画出的圆的圆心像素坐标;其中,在每个位置机械手3末端旋转轴4带动标记笔13自转一圈画一个圆,则该圆圆心像素坐标即对应机械手3末端旋转轴4的轴心在相机2坐标系的像素坐标,且在每个位置的机械手3末端旋转轴4轴心的机械手坐标系的坐标可以实时反馈读出,这样就建立了机械手与相机坐标一一对应的关系,图4中51~59中的十字交叉点分别表示9个不同位置的圆心;
S3、根据机械手坐标和图像的像素坐标的对应关系,利用最小二乘法,求出机械手坐标和图像坐标之间的仿射变换矩阵,从而实现手眼标定;
特别地,该种标定方式中标记笔13可等效替换为激光器或其他可以在工作台7台面的薄白纸上作出标记的工具,所有符合此标定思想的方法均应囊括在本发明保护范围之内。
实施例二
如图6~图10所示,一种机械手与相机手眼标定装置,其包括底座1、相机2,底座1上装有机械手3,机械手3可采用不同品牌的机械手3,如Toshiba,Epson,Yamaha,三菱,ABB,OMRON,FANUC等,皆可适用;机械手3末端旋转轴4连接有吸盘标定治具5,吸盘标定治具5下方设有工作台7,相机2设置于工作台7下方,吸盘标定治具5包括基座8及装于基座8底面的吸盘6,基座8上还装有辅助标定治具9,辅助标定治具9底面设有标记件。
相机2装于机架10上,机架10上装有挡板11,位于相机2拍摄视野内的挡板11上开有拍摄孔12;标记件采用mark圆14,mark圆14为黑色圆,且设置于辅助标定治具9底面,mark圆14的安装高度与吸盘6底部水平面高度相同;工作台7为平板结构,位于相机2拍摄视野内的工作台7上开有通槽15,使得相机2的光轴以及旋转轴4均与工作台7台面垂直。
一种机械手与相机手眼标定方法,其包括以下步骤:
S1、调试好相机2光轴以及旋转轴4均与工作台7台面垂直,并安装好吸盘标定治具5后,通过机械手3末端旋转轴4带动mark圆14自转一圈,相机2设置固定存图频率后,相机2采集存取mark圆14旋转一圈过程中不同位置(至少9个位置处)处作出的圆的图像,并记录各位置处的机械手坐标;
S2、对相机2在九个位置存取的圆的图像进行拟合,获取每个图像的像素坐标,也就是机械手3末端旋转轴4的轴心在相机2坐标系的像素坐标;即对于相机2在下方旋转mark圆方式,先采用Canny边缘检测算法提取机械手3在每个位置处旋转一圈过程中各9个mark圆的轮廓,再采用RANSAC随机抽样一致算法拟合9个最优的圆,再用Levenberg-Marquardt算法基于梯度下降,逼近9个最优的圆并获取9个圆心,再将拟合出的这9个mark圆圆心作为样本,通过与上述相同的拟合圆算法再次拟合计算,即可拟合获取机械手在各个位置处旋转mark圆时旋转中心的像素坐标;如图9所示,该图示出了在其中一个位置处对旋转轴4旋转一圈过程中不同位置处的mark圆14图像,91~99代表mark圆14在旋转一圈过程中所采集的图像,图中的十字交叉点为拟合后的旋转圆圆心位置点,按此步骤分别拟合出九个位置处的旋转圆的圆心像素坐标,具体地,先在机械手3旋转mark圆14的各位置处分别对存取的mark圆14进行算法抓圆拟合,求出旋转圆的圆心像素坐标即为机械手3末端轴心像素坐标且在每个位置的机械手3末端旋转轴4轴心的机械手坐标系的坐标可以实时反馈读出,这样就建立了机械手3-相机2坐标一一对应的关系;
S3、根据机械手坐标和图像的像素坐标的对应关系,利用最小二乘法,求出机械手坐标和图像坐标之间的仿射变换矩阵,从而实现手眼标定;
Claims (6)
1.一种机械手与相机手眼标定装置,其包括底座、相机,所述底座上装有机械手,其特征在于:所述机械手末端旋转轴连接有吸盘标定治具,所述吸盘标定治具下方设有工作台,所述吸盘标定治具包括基座及装于所述基座底面的吸盘,所述基座上还装有辅助标定治具,所述辅助标定治具底面设有标记件。
2.根据权利要求1所述的一种机械手与相机手眼标定装置,其特征在于:所述相机装于机架上,所述机架上装有挡板,位于所述相机拍摄视野内的所述挡板上开有拍摄孔。
3.根据权利要求2所述的一种机械手与相机手眼标定装置,其特征在于:所述标记件采用标记笔,所述标记笔装于所述辅助标定治具底面,所述标记笔的笔尖端凸出于所述吸盘底部水平面;所述工作台为方桌型结构,所述相机设置于所述机械手上方,使得所述相机的光轴以及所述旋转轴均与所述工作台台面垂直。
4.根据权利要求2所述的一种机械手与相机手眼标定装置,其特征在于:所述标记件采用mark圆,所述mark圆为黑色圆,且设置于所述辅助标定治具底面,所述mark圆的安装高度与所述吸盘底部水平面高度相同;所述相机设置于所述工作台下方,所述工作台为平板结构,位于所述相机拍摄视野内的所述工作台上开有通槽,使得所述相机的光轴以及所述旋转轴均与所述工作台台面垂直。
5.采用权利要求1~4任一所述的一种机械手与相机手眼标定装置的标定方法,其特征在于:其包括以下步骤:
S1、通过机械手末端旋转轴带动标记件旋转,相机采集所述标记件旋转至不同位置处作出的标记的图像,并记录各位置处的机械手坐标;
S2、对所述相机采集的图像进行拟合,获取每个图像的像素坐标,也就是所述机械手末端所述旋转轴的轴心在所述相机坐标系的像素坐标;
S3、根据机械手坐标和图像的像素坐标的对应关系,利用最小二乘法,求出机械手坐标和图像坐标之间的仿射变换矩阵,从而实现手眼标定。
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