CN111376254A - 平面测距方法及系统和机械手调校平面的方法及系统 - Google Patents

平面测距方法及系统和机械手调校平面的方法及系统 Download PDF

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CN111376254A CN201811638463.5A CN201811638463A CN111376254A CN 111376254 A CN111376254 A CN 111376254A CN 201811638463 A CN201811638463 A CN 201811638463A CN 111376254 A CN111376254 A CN 111376254A
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    • B25J19/0095—Means or methods for testing manipulators

Abstract

本发明公开了一种平面测距方法及系统和机械手调校平面的方法及系统，其中平面测距方法包括S1、图像采集设备采集平面上标定块的图像，所述标定块中设置有两个标定标记；S2、计算所述图像中所述标定标记之间的像素距离；S3、根据直线方程计算所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离，所述直线方程为：
Figure DDA0001930613470000011
其中
Figure DDA0001930613470000012
为计算得到的所述图像采集设备垂直于所述平面的垂直距离，x为两个所述标定标记之间的像素距离，
Figure DDA0001930613470000013
和
Figure DDA0001930613470000014
为所述直线方程的最优参数。本发明通过平面测距方法获得图像采集设备位置与调校平面的位置关系，从而可用于机械手示教平台，示教无需手动测量，且标定误差非常小。

Description

平面测距方法及系统和机械手调校平面的方法及系统
技术领域
本发明涉及计算机视觉领域，特别涉及一种平面测距方法及系统和机械手调校平面的方法及系统。
背景技术
在机械手示教多个平台点位时，往往平台的高度都有一定误差，不能达到同一平面，就需要繁琐的手动测量及调节，费时费力，精度也不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中机械手示教多个平台点位时，需要繁琐的手动测量来使各平台处于同一平面的缺陷，提供一种平面测距方法及系统和机械手调校平面的方法及系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供一种平面测距方法，其特点是，包括：
S1、图像采集设备采集平面上标定块的图像，所述标定块中设置有两个标定标记；
S2、计算所述图像中所述标定标记之间的像素距离；
S3、根据直线方程计算所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离，所述直线方程为：
Figure BDA0001930613450000011
其中
Figure BDA0001930613450000012
为计算得到的所述图像采集设备垂直于所述平面的垂直距离，x为两个所述标定标记之间的像素距离，
Figure BDA0001930613450000013
和
Figure BDA0001930613450000014
为所述直线方程的最优参数。
较佳地，在步骤S3前，所述平面测距方法还包括：
S301、所述图像采集设备至少3次分别采集所述标定块的图像，每次采集中所述图像采集设备与所述标定块的垂直距离为已知且不相同，并获得每个垂直距离所对应的所述标定标记之间的像素距离；
S302、采用最小二乘法递归标定出所述直线方程的最优参数，其中最优参数
Figure BDA0001930613450000021
满足：
Figure BDA0001930613450000022
和最优参数
Figure BDA0001930613450000023
满足：
Figure BDA0001930613450000024
其中，yi为已知的第i个垂直距离，xi为yi对应的所述标定标记之间的像素距离，N为已知的垂直距离的总个数，且N≥3；
S303、建立所述直线方程，所述直线方程为：
Figure BDA0001930613450000025
较佳地，所述图像采集设备包括单目相机。
较佳地，所述标定标记包括具有中心特征的标记。
本发明还提供一种平面测距系统，其特点是，包括图像采集设备、计算单元和标定块；
所述图像采集设备用于采集标定块的图像，所述标定块放置于所述平面上，所述标定块中设置有两个标定标记；
所述计算单元用于计算所述图像中所述标定标记之间的像素距离；
所述计算单元还用于根据直线方程计算所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离，所述直线方程为：
Figure BDA0001930613450000026
其中
Figure BDA0001930613450000027
为计算得到的所述图像采集设备垂直于所述平面的垂直距离，x为两个所述标定标记之间的像素距离，
Figure BDA0001930613450000028
和
Figure BDA0001930613450000029
为所述直线方程的最优参数。
较佳地，所述平面测距系统还包括参数标定单元；
所述图像采集设备还用于至少3次分别采集所述标定块的图像，每次采集中所述图像采集设备与所述标定块的垂直距离为已知且不相同；
所述计算单元还用于获得每个垂直距离所对应的所述标定标记之间的像素距离；
所述参数标定单元用于根据最小二乘法递归标定出所述直线方程的最优参数，其中最优参数
Figure BDA0001930613450000031
满足：
Figure BDA0001930613450000032
和最优参数
Figure BDA0001930613450000033
满足：
Figure BDA0001930613450000034
其中，yi为已知的第i个垂直距离，xi为yi对应的所述标定标记之间的像素距离，N为已知的垂直距离的个数，且N≥3；
所述参数标定单元还用于建立所述直线方程，所述直线方程为
Figure BDA0001930613450000035
Figure BDA0001930613450000036
较佳地，所述图像采集设备包括单目相机。
较佳地，所述标定标记包括具有中心特征的标记图形。
本发明还提供一种机械手调校平面的方法，其特点是，包括前述任一项所述的平面测距方法，所述图像采集设备安装于所述机械手中；
所述机械手调校平面的方法还包括：
判断所述平面测距方法计算到的所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离是否符合预设距离值，若否则移动所述机械手以使所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离符合所述预设距离值。
本发明还提供一种机械手调校平面的系统，其特点是，包括前述任一项所述的平面测距系统，所述图像采集设备安装于所述机械手中；
所述机械手调校平面的系统还包括判断单元和调整单元，所述判断单元用于判断所述平面测距系统计算到的所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离是否符合预设距离值，当判断结果为否时，调用调整单元；所述调整单元用于移动所述机械手以使所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离符合所述预设距离值。
本发明的积极进步效果在于：本发明根据图像采集设备如相机距离固定物平面的高度与固定物体的成像尺寸成线性关系，通过最小二乘法回归标定得到该线性方程的参数，从而在利用图像采集设备采集固定物平面信息后，获得像素距离信息，然后可利用该直线方程计算出图像采集设备距离固定物平面的距离。另外，由于该直线方程代表了图像采集设备位置与图像像素信息之间的关系，从而可用于机械手示教平台，这样每次机械手上的相机获得平台上标定物体的成像尺寸，再根据该关系就可计算出机械手的高度位姿，从而完成机械手对平台的标定，平台的标定无需手动测量，标定误差非常小，可保证不同平台能够处于同一平面。
附图说明
图1为本发明的实施例1的平面测距方法的流程图。
图2为本发明的实施例1的平面测距方法的图像采集示意图。
图3为本发明的实施例1的平面测距方法的标定块及标定标识件像素距离的示意图。
图4为本发明的实施例1的平面测距方法的实际距离与像素距离的折线图。
图5为本发明的实施例1的平面测距方法的测距误差的折线图。
图6为本发明的实施例2的平面测距系统的组成示意图。
图7为本发明的实施例4的机械手调校平面的系统的组成示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及的平面测距方法，包括以下步骤：
S10、图像采集设备采集平面上标定块的图像，所述标定块中设置有两个标定标记。
具体实施时，所述图像采集设备可优选单目相机；如图2所示，相机可位于平面上方并在距离标定块的垂直高度为H的位置来进行图像采集，当然相机可以垂直采集平面上标定块的图像，从而简化相机距离平面的高度与所述标定标记间像素距离的关系。
具体实施中，所述标定标记优选具有中心特征的标记，比如所述标定标记可采用如图3所示的圆形形状或圆形图案。
S20、计算所述图像中所述标定标记之间的像素距离。
这样在所述图像采集设备完成图像采集后，通过计算就可获得两个标定标记之间的像素距离，比如计算出所述标定标记的中心之间的像素距离x。
S30、根据直线方程计算所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离，所述直线方程为：
Figure BDA0001930613450000051
其中
Figure BDA0001930613450000052
为计算得到的所述图像采集设备垂直于所述平面的垂直距离，x为两个所述标定标记之间的像素距离，
Figure BDA0001930613450000053
和
Figure BDA0001930613450000054
为所述直线方程的最优参数。
这样，根据所述直线方程，通过采集得到的图像中的标定标记之间的像素距离，就可反向计算出图像采集设备距离平面的距离，从而实现平面测距，测距步骤简单，测距精度高。
为建立出所述直线方程，这时可基于相机距离平面的高度与固定物体成像尺寸的大小成线性关系，从而通过相机距离标定块的不同垂直距离来标定出该线性关系，因此在标定该线性关系时采用了以下步骤：
S301、所述图像采集设备至少3次分别采集所述标定块的图像，每次采集中所述图像采集设备与所述标定块的垂直距离为已知且不相同，并获得每个垂直距离所对应的所述标定标记之间的像素距离。当然，图像采集设备也可以进行垂直采集所述标定块的图像。
具体实施中，还可将相机在距离平面的整个距离测量范围中的最小高度值、最大高度值的采集包括进去，以减少两端处带入的误差，提高平面测距的精度。
S302、采用最小二乘法递归标定出所述直线方程的最优参数，其中最优参数
Figure BDA0001930613450000061
满足：
Figure BDA0001930613450000062
和最优参数
Figure BDA0001930613450000063
满足：
Figure BDA0001930613450000064
其中，yi为已知的第i个垂直距离，xi为yi对应的所述标定标记之间的像素距离，N为已知的垂直距离的总个数，且N≥3；
S303、建立所述直线方程，所述直线方程为
Figure BDA0001930613450000065
为便于理解上述标定所述直线方程的过程，下面举例进行说明。
相机的整个测距范围为105mm～125mm，每间隔2mm采集一个数据，供采集到11个数据，不同实际距离和对应的所述标定标记之间的像素距离如下表。
Figure BDA0001930613450000066
将上述数据画成的折线图如图4所示，由图4可知，该折线图近似直线，也表明了采集的距离与像素距离成线性关系。
经上述最小二乘法递归后得到，
Figure BDA0001930613450000067
因此所述直线方程为：
Figure BDA0001930613450000068
然后根据步骤S30，计算得到的高度误差如下表所示。
Figure BDA0001930613450000069
Figure BDA0001930613450000071
由此可知，利用上述步骤所获得的平面测距的误差不大于0.5mm，上述测距误差的折线图如图5所示。
实施例2
如图6所示，本实施例涉及的平面测距系统1，包括图像采集设备11、计算单元12和标定块13，其中图像采集设备11用于采集标定块13的图像，标定块13放置于所述平面上，标定块13中设置有两个标定标记，计算单元12用于计算所述图像中所述标定标记之间的像素距离，计算单元12还用于根据直线方程计算图像采集设备11与所述平面之间的垂直距离，所述直线方程为：
Figure BDA0001930613450000072
其中
Figure BDA0001930613450000073
为计算得到的图像采集设备11垂直于所述平面的垂直距离，x为两个所述标定标记之间的像素距离，
Figure BDA0001930613450000074
和
Figure BDA0001930613450000075
为所述直线方程的最优参数。
本实施例中，图像采集设备11可优选单目相机，相机还可位于平面上方并在距离标定块13的垂直高度某一位置来进行图像采集，当然相机可以进行垂直采集平面上标定块的图像，从而简化相机距离平面的高度与所述标定标记之间的像素距离的关系。还有，所述标定标记可优选具有中心特征的标记，比如圆形形状或圆形图案等标记。
本实施例中，为建立出所述直线方程，这时可基于图像采集设备11距离平面的高度与固定物体成像尺寸的大小成线性关系，从而通过图像采集设备11距离标定块13的不同垂直距离来标定出该线性关系。具体地，平面测距系统1还包括参数标定单元14，图像采集设备11还用于至少3次分别采集标定块13的图像，每次采集中图像采集设备11与标定块13的垂直距离为已知且不相同，计算单元12还用于获得每个垂直距离所对应的所述标定标记之间的像素距离，参数标定单元14用于根据最小二乘法递归标定出所述直线方程的最优参数，其中最优参数
Figure BDA0001930613450000081
满足：
Figure BDA0001930613450000082
和最优参数
Figure BDA0001930613450000083
满足：
Figure BDA0001930613450000084
其中，yi为已知的第i个垂直距离，xi为yi对应的所述标定标记之间的像素距离，N为已知的垂直距离的个数，且N≥3；
参数标定单元14还用于建立所述直线方程，所述直线方程为：
Figure BDA0001930613450000085
Figure BDA0001930613450000086
这样，根据建立处理的所述直线方程，通过采集得到的所述标定标记之间的像素距离，就可反向计算出图像采集设备11距离平面的距离，从而实现平面测距，测距步骤简单，测距精度高。
实施例3
本实施例涉及的机械手调校平面的方法，包括实施例1中所述的平面测距方法，其中所述图像采集设备安装于所述机械手中。
具体实施时，所述机械手调校平面的方法还包括步骤：判断所述平面测距方法计算到的所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离是否符合预设距离值，若否则移动所述机械手以使所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离符合所述预设距离值。
本实施例中，通过所述平面测距方法获得机械手与需要调校平面的位置信息，从而可用于机械手示教平台，这样每次机械手上的相机(即所述图像采集设备)获得平台上标定物体的成像尺寸，再根据测距计算出的机械手的高度位姿，来完成机械手相对平台的标定，标定无需手动测量，标定误差非常小，可保证不同平台能够处于同一平面。
为便于理解，下面举例说明机械手如何调校平面。
假设在工位中，机械手(即机械手中的相机)需调校到离工位平面的高度为H1处(即离平面上的标定块的高度为H1)，这时利用实施例1中所述的平面测距方法，经计算后得到的高度为H2，从而得到H2与H1之间的差DH，这时若DH大于预设误差值，则移动机械手来调校工位平面，即机械手只要移动DH的Z轴距离即可回到高度H1处，从而完成平面调校。
实施例4
如图7所示，本实施例涉及的机械手调校平面的系统，包括实施例2中所述的平面测距系统1，图像采集设备11安装于所述机械手中；所述机械手调校平面的系统还包括判断单元2和调整单元3，判断单元2用于判断平面测距系统1计算到的图像采集设备11与所述平面之间的垂直距离是否符合预设距离值，当判断结果为否时，调用调整单元3；调整单元3用于移动所述机械手以使图像采集设备11与所述平面之间的垂直距离符合所述预设距离值。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种平面测距方法，其特征在于，包括：
S1、图像采集设备采集平面上标定块的图像，所述标定块中设置有两个标定标记；
S2、计算所述图像中所述标定标记之间的像素距离；
S3、根据直线方程计算所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离，所述直线方程为：
Figure FDA0001930613440000011
其中
Figure FDA0001930613440000012
为计算得到的所述图像采集设备垂直于所述平面的垂直距离，x为两个所述标定标记之间的像素距离，
Figure FDA0001930613440000013
和
Figure FDA0001930613440000014
为所述直线方程的最优参数。
2.如权利要求1所述的平面测距方法，其特征在于，在步骤S3前，所述平面测距方法还包括：
S301、所述图像采集设备至少3次分别采集所述标定块的图像，每次采集中所述图像采集设备与所述标定块的垂直距离为已知且不相同，并获得每个垂直距离所对应的所述标定标记之间的像素距离；
S302、采用最小二乘法递归标定出所述直线方程的最优参数，其中最优参数
Figure FDA0001930613440000015
满足：
Figure FDA0001930613440000016
和最优参数
Figure FDA0001930613440000017
满足：
Figure FDA0001930613440000018
其中，yi为已知的第i个垂直距离，xi为yi对应的所述标定标记之间的像素距离，N为已知的垂直距离的总个数，且N≥3；
S303、建立所述直线方程，所述直线方程为：
Figure FDA0001930613440000019
3.如权利要求1所述的平面测距方法，其特征在于，所述图像采集设备包括单目相机。
4.如权利要求1所述的平面测距方法，其特征在于，所述标定标记包括具有中心特征的标记。
5.一种平面测距系统，其特征在于，包括图像采集设备、计算单元和标定块；
所述图像采集设备用于采集标定块的图像，所述标定块放置于所述平面上，所述标定块中设置有两个标定标记；
所述计算单元用于计算所述图像中所述标定标记之间的像素距离；
所述计算单元还用于根据直线方程计算所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离，所述直线方程为：
Figure FDA0001930613440000021
其中
Figure FDA0001930613440000022
为计算得到的所述图像采集设备垂直于所述平面的垂直距离，x为两个所述标定标记之间的像素距离，
Figure FDA0001930613440000023
和
Figure FDA0001930613440000024
为所述直线方程的最优参数。
6.如权利要求5所述的平面测距系统，其特征在于，所述平面测距系统还包括参数标定单元；
所述图像采集设备还用于至少3次分别采集所述标定块的图像，每次采集中所述图像采集设备与所述标定块的垂直距离为已知且不相同；
所述计算单元还用于获得每个垂直距离所对应的所述标定标记之间的像素距离；
所述参数标定单元用于根据最小二乘法递归标定出所述直线方程的最优参数，其中最优参数
Figure FDA0001930613440000025
满足：
Figure FDA0001930613440000026
和最优参数
Figure FDA0001930613440000027
满足：
Figure FDA0001930613440000028
其中，yi为已知的第i个垂直距离，xi为yi对应的所述标定标记之间的像素距离，N为已知的垂直距离的个数，且N≥3；
所述参数标定单元还用于建立所述直线方程，所述直线方程为
Figure FDA0001930613440000029
Figure FDA0001930613440000031
7.如权利要求5所述的平面测距系统，其特征在于，所述图像采集设备包括单目相机。
8.如权利要求5所述的平面测距系统，其特征在于，所述标定标记包括具有中心特征的标记图形。
9.一种机械手调校平面的方法，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一项所述的平面测距方法，所述图像采集设备安装于所述机械手中；
所述机械手调校平面的方法还包括：
判断所述平面测距方法计算到的所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离是否符合预设距离值，若否则移动所述机械手以使所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离符合所述预设距离值。
10.一种机械手调校平面的系统，其特征在于，包括如权利要求5至8中任一项所述的平面测距系统，所述图像采集设备安装于所述机械手中；
所述机械手调校平面的系统还包括判断单元和调整单元，所述判断单元用于判断所述平面测距系统计算到的所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离是否符合预设距离值，当判断结果为否时，调用调整单元；所述调整单元用于移动所述机械手以使所述图像采集设备与所述平面之间的垂直距离符合所述预设距离值。
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