CN111707189A - 基于双目视觉的激光位移传感器光束方向标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于双目视觉的激光位移传感器的光束方向标定方法，包括标定设备的布置以及标定方法。所述标定设备包括双目视觉系统、工业机器人、激光位移传感器测量系统给、标定板、斜面。首先利用手眼标定方法确定双目视觉系统与工业机器人基座的位姿关系，将测量系统固定在机器人末端，控制机器人将测量系统的光束打在斜面上，利用视差法原理获取光斑中心点位置，并利用手眼标定结果进行坐标转换得到末端坐标系下光斑中心点位置，最终利用最小二乘法拟合光束直线获取光束方向参数。该方法适用性及准确性高，价格低，可提高传感器位置精度，进一步提高了基于激光位移传感器测量大尺寸型面法向的精度。

Description

基于双目视觉的激光位移传感器光束方向标定方法

技术领域

本发明涉及一种激光位移传感器光束方向标定方法，特别是一种基于双目视觉的激光位移传感器光束方向标定方法。

背景技术

对于空间尺寸大、面形复杂的工件，对其进行表面加工需要对其进行表面法向测量，当前较为普遍应用的是基于非接触式激光位移传感器的表面测量方法，在测量前需要进行激光位移传感器的光束方向标定以保证准确性。当前光束方向标定一般采用平面拟合方法进行标定，但是这种标定方法需要机器人末端携带传感器进行各个方向的移动，步骤繁琐耗时，需要激光跟踪仪等复杂昂贵的设备，且在多方向移动过程中机器人关节会有回程误差，影响标定准确度，对于自由度较少的机器人这种方法无法实现标定。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种标定过程中机器人末端仅需朝一个方向移动即可，适用性高，标定过程简单省时，且准确性高的基于双目视觉的激光位移传感器光束方向标定方法。

本发明的基于双目视觉的激光位移传感器光束方向标定方法，包括以下步骤：

步骤一、安装标定设备：

在工业机器人的机器人末端执行器上通过夹具装夹激光位移传感器测量系统，所述的激光位移传感器测量系统由沿机器人末端执行器圆周方向均匀间隔装夹的多个激光位移传感器组成，在工业机器人的工作范围内放置一个固定板，在所述的固定板上固定有双目视觉系统和斜面，其中斜面在双目视觉系统的两个工业相机的公共视野范围内，激光位移传感器测量系统随着机器人末端执行器的移动将光束照射在斜面上并形成光斑，在斜面上的光斑能被双目视觉系统的两个工业相机同时采集到；

步骤二、对激光位移传感器光束方向参数进行标定，过程如下：

第一步，利用标准标定板及张正友标定法对双目视觉系统进行自标定，标定出两个工业相机之间的位姿关系以及相机的镜头畸变系数；

第二步，使机器人末端执行器夹持标准标定板，使机器人末端坐标系与标定板坐标系之间的位姿关系^TH_O固定不变，从双目视觉系统中获得标定板坐标系与双目视觉系统坐标系的位姿关系^CH_O，并利用手眼分离标定方法求得机器人基座的基座坐标系与双目视觉坐标系之间的位姿关系^CH_B；

第三步，从机器人控制系统获取机器人基座的基座坐标系与机器人末端坐标系的位姿关系^BH_T，经过^CH_T＝^CH_B ^BH_T坐标变换求得双目视觉系统坐标系与机器人末端坐标系的实时位姿关系^CH_T；

第四步，控制机器人末端执行器带动激光位移传感器测量系统移动，使光束打在斜面上，并形成清晰的光斑，且光斑在双目相机测量视野范围内，光斑个数为激光位移传感器数量；

第五步，双目视觉系统的两个工业相机获取斜面上的每一个光斑的图像，采用视差法测空间点坐标原理获取算法计算每一个光斑P的中心点在双目视觉坐标系下的三维坐标P_c＝(x_c，y_c，z_c)；

第六步，经过P_T＝^CH_T*P_c坐标转换求得光斑P的中心点在机器人末端坐标系下的三维坐标P_T＝(x_T，y_T，z_T)；

第七步，机器人末端执行器沿着机器人末端轴线方向移动，使光斑位置发生变化；

第八步，设定一条激光光束取光斑点数量阈值q，若每一条激光光束获取了q个在机器人末端坐标系下的光斑的中心点坐标P_T1、P_T2、…、P_Tq，则进行第九步，否则重复执行第五步到第八步；

第九步，利用每条光束上已获得的q个光斑的中心点坐标P_T1、P_T2、…、P_Tq，结合最小二乘法拟合光束在机器人末端坐标系上的空间直线方程，求取光束方向向量n＝(i，j，k)；若同时标定m个激光位移传感器，则共获取m*q个光斑的中心点坐标，并求取m个光束方向向量。

本发明的有益效果是：在标定过程中无需多角度移动机器人末端，且无需激光跟踪仪等昂贵的外部设备，标定费用低，精度高且标定过程简单可通过预先编程实现自动化标定。

附图说明

图1为本发明的标定方法流程图；

图2是本发明的标定方法布置示意图；

图3是本发明的坐标转换示意图；

图4是本发明的光斑坐标空间直线拟合示意图。

具体实施方式

以下参照附图并通过具体实施例对本发明作进一步的说明：

如附图所示，本发明的基于双目视觉的激光位移传感器光束方向标定方法，包括以下步骤：

步骤一、安装标定设备：

在工业机器人1的机器人末端执行器5上通过夹具装夹激光位移传感器测量系统3。所述的激光位移传感器测量系统3可以由沿机器人末端执行器5圆周方向均匀间隔装夹的多个(如：可以为三个)激光位移传感器组成。在工业机器人1的工作范围内放置一个固定板，在所述的固定板上固定有双目视觉系统2和斜面7。其中斜面7在双目视觉系统2的两个工业相机的公共视野范围内。激光位移传感器测量系统3随着机器人末端执行器5的移动将光束4照射在斜面7上并形成光斑6。在斜面7上的光斑6能被双目视觉系统2的两个工业相机同时采集到。

步骤二、对激光位移传感器光束方向参数进行标定，过程如下：

第一步，利用现有的标准标定板10及现有的张正友标定法对双目视觉系统2进行自标定(参见张正友标定法原理：张正友标定法为现有相机标定方法，所使用的标定板也为现有)，标定出两个工业相机之间的位姿关系以及相机的镜头畸变系数。

第二步，使机器人末端执行器5夹持标准标定板10，使机器人末端坐标系O_T-X_TY_TZ_T12与标定板坐标系O_O-X_OY_OZ_O 11之间的位姿关系^TH_O 9固定不变，从双目视觉系统2中获得标定板坐标系O_O-X_OY_OZ_O 11(标定板坐标系11建立方法是公知的，一般采用标定板正中心为坐标系原点)与双目视觉系统坐标系O_C-X_CY_CZ_C 14(优选的，本实施例推荐采用左相机光心处为原点，光轴方向为Z轴，图像横向向右为X轴，Y轴由右手定则确定)的位姿关系^CH_O 13，并利用现有的手眼分离标定方法(Eye-to-Hand)求得机器人基座8的基座坐标系O_B-X_BY_BZ_B 17与双目视觉坐标系O_C-X_CY_CZ_C 14之间的位姿关系^CH_B 16。

第三步，从机器人控制系统获取机器人基座8的基座坐标系O_B-X_BY_BZ_B 17与机器人末端坐标系O_T-X_TY_TZ_T 12的位姿关系^BH_T 15，经过^CH_T＝^CH_B ^BH_T坐标变换求得双目视觉系统坐标系O_C-X_CY_CZ_C 14与机器人末端坐标系O_T-X_TY_TZ_T 12的实时位姿关系^CH_T。

第四步，控制机器人末端执行器5带动激光位移传感器测量系统3移动，使光束4打在斜面7上，并形成清晰的光斑，且光斑在双目相机测量视野范围内，光斑个数为传感器数量。

第五步，双目视觉系统2的两个工业相机获取斜面上的每一个光斑的图像，采用现有的视差法测空间点坐标原理获取算法计算每一个光斑P的中心点在双目视觉坐标系O_C-X_CY_CZ_C 14下的三维坐标P_c＝(x_c，y_c，z_c)。

第六步，经过P_T＝^CH_T*P_c坐标转换求得光斑P的中心点在机器人末端坐标系O_T-X_TY_TZ_T 12下的三维坐标P_T＝(x_T，y_T，z_T)。

第七步，机器人末端执行器5沿着机器人末端轴线方向移动，使光斑位置发生变化。如图4所示以三个激光位移传感器为例，ΔZ₁、ΔZ₂分别是机器人末端沿轴向第1次和第2次移动的距离，末端每移动ΔZ_i即第i次移动的距离，双目视觉系统2即可获取每条光束上的一个光斑的中心点位置。

第八步，设定一条激光光束取光斑点数量阈值q，若每一条激光光束获取了q个在机器人末端坐标系O_T-X_TY_TZ_T 12下的光斑的中心点坐标P_T1、P_T2、…、P_Tq(如图4所示，以三个激光位移传感器为例，P₃₂代表第3条激光束上第2个光斑中心点坐标)，则进行第九步，否则重复执行第五步到第八步；

第九步，利用每条光束上已获得的q个光斑的中心点坐标P_T1、P_T2、…、P_Tq，结合最小二乘法拟合光束在机器人末端坐标系O_T-X_TY_TZ_T 12上的空间直线方程，求取光束方向向量n＝(i，j，k)。若同时标定m个激光位移传感器，则共获取m*q个光斑的中心点坐标，并求取m个光束方向向量。在本示例中共求取3个光束方向向量。

完成以上步骤，即可完成整个标定过程，得到测量系统上每一个激光位移传感器的光束方向参数。该参数可作为机器人末端上安装的激光位移传感器的光束的真实方向参数，方向参数的精确计算可进一步提高基于激光位移传感器的大尺寸、复杂型面工件的表面法向测量精度。

Claims (1)

1.基于双目视觉的激光位移传感器光束方向标定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、安装标定设备：

在工业机器人的机器人末端执行器上通过夹具装夹激光位移传感器测量系统(3)，所述的激光位移传感器测量系统由沿机器人末端执行器(5)圆周方向均匀间隔装夹的多个激光位移传感器组成，在工业机器人(1)的工作范围内放置一个固定板，在所述的固定板上固定有双目视觉系统(2)和斜面(7)，其中斜面在双目视觉系统(2)的两个工业相机的公共视野范围内，激光位移传感器测量系统(3)随着机器人末端执行器的移动将光束(4)照射在斜面上并形成光斑(6)，在斜面上的光斑能被双目视觉系统的两个工业相机同时采集到；

步骤二、对激光位移传感器光束方向参数进行标定，过程如下：

第一步，利用标准标定板(10)及张正友标定法对双目视觉系统(2)进行自标定，标定出两个工业相机之间的位姿关系以及相机的镜头畸变系数；

第二步，使机器人末端执行器(5)夹持标准标定板(10)，使机器人末端坐标系与标定板坐标系之间的位姿关系^TH_O(9)固定不变，从双目视觉系统(2)中获得标定板坐标系(11)与双目视觉系统坐标系(14)的位姿关系^CH_O(13)，并利用手眼分离标定方法求得机器人基座的基座坐标系(17)与双目视觉坐标系(14)之间的位姿关系^CH_B(16)；

第三步，从机器人控制系统获取机器人基座(8)的基座坐标系与机器人末端坐标系(12)的位姿关系^BH_T(15)，经过^CH_T＝^CH_B ^BH_T坐标变换求得双目视觉系统坐标系与机器人末端坐标系的实时位姿关系^CH_T；

第四步，控制机器人末端执行器带动激光位移传感器测量系统移动，使光束打在斜面上，并形成清晰的光斑，且光斑在双目相机测量视野范围内，光斑个数为激光位移传感器数量；

第五步，双目视觉系统的两个工业相机获取斜面上的每一个光斑的图像，采用视差法测空间点坐标原理获取算法计算每一个光斑P的中心点在双目视觉坐标系(14)下的三维坐标P_c＝(x_c，y_c，z_c)；

第六步，经过P_T＝^CH_T*P_c坐标转换求得光斑P的中心点在机器人末端坐标系(12)下的三维坐标P_T＝(x_T，y_T，z_T)；

第七步，机器人末端执行器5沿着机器人末端轴线方向移动，使光斑位置发生变化；

第八步，设定一条激光光束取光斑点数量阈值q，若每一条激光光束获取了q个在机器人末端坐标系(12)下的光斑的中心点坐标P_T1、P_T2、…、P_Tq，则进行第九步，否则重复执行第五步到第八步；

第九步，利用每条光束上已获得的q个光斑的中心点坐标P_T1、P_T2、…、P_Tq，结合最小二乘法拟合光束在机器人末端坐标系上的空间直线方程，求取光束方向向量n＝(i，j，k)；若同时标定m个激光位移传感器，则共获取m*q个光斑的中心点坐标，并求取m个光束方向向量。

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