CN111716335A - 用于激光3d视觉与六轴机械手的标定模型和标定方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型和标定方法，运用于机器视觉引导技术领域，标定模型装配于六轴机械手的工作头位置供3D相机扫描，标定模型呈圆型块状，标定模型包括中心部、中间部和外沿部，其中中心部，具有圆凸台，且圆凸台的圆点处具有第一凹槽，第一凹槽上设有可安装与拆卸的尖刺结构；中间部，在圆凸台的外周具有呈圆环形的第二凹槽；外沿部，在标定模块的圆形块状两侧具有切边，实现激光3D相机与六轴机械手的绝对值引导标定，标定模型结构简易，能通过终端计算的方式实现机械手Rtcp的标定，以及提升机械手柔性空间的扫描范围。

Description

用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型和标定方法

技术领域

本申请涉及机器视觉引导技术领域，特别涉及为一种用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型和标定方法。

背景技术

激光3D视觉需实现引导机械手动作的前提是将激光3D相机中的坐标系与机械手的世界坐标系统接合于一起才可以进行精准的机械手引导。

目前市面上已有的引导技术分为两大类：

1.相对值引导：即示教模板法

2.绝对值引导：无需进行示教只需要执行机构读取视觉系统所给出的点位信息即可按照项目需求实现其功能。

相对值引导技术中：需要执行机构事先进行一次示教动作，并且完全符合项目工艺需求的前提条件下作为一个模板才可以让视觉进一步实施。此方法兼容性低，并且示教耗时会根据项目需求的不同而造成难度不同和时间不确定性。同时在特定场合，如超高精度场合、点位复杂数量极其之多的情况下，示教是无法进行实施的并且不会被客户所接受。

绝对值引导技术：可以在执行机构不发生位移的情况下，让3D视觉相机中的坐标系与执行机构的坐标系一次性统一在一起，3D视觉所获取的图像中的点位数据即执行机构中的坐标系数据。这种操作方法固定并且兼容性非常好，实际项目需求中如果需要进行修改就可以直接在图像中进行修改即可，无需进行第二次标定。

但是目前针对市面上的3D视觉与六轴机械手所使用的绝对值引导标定技术存在一些缺陷如下述：

1.想要达到超高精度的标定必须将整个标定框架制作得非常的复杂，成本巨大。

2.标定方法仅限于TCP标定而无法实现Rtcp的标定功能；其中，TCP功能即产品不动，六轴机械手携带执行头对产品进行工艺执行动作，Rtcp即六轴机械手抓取产品，执行头在外部进行固定，此时由六轴机械手抓取到产品对着外部固定的执行头来实现整个项目工艺动作。

3.无法将机械手的柔性姿态空间优势发挥到最大，同时还局限了3D相机扫描产品的角度，一旦涉及到产品需要多位面执行的情况就无法实现整个工艺动作。

发明内容

本申请提供一种用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型和标定方法，实现激光3D相机与六轴机械手的绝对值引导标定，标定模型结构简易，能通过终端计算的方式实现机械手Rtcp的标定，以及提升机械手柔性空间的扫描范围。

本申请为解决技术问题采用如下技术手段：

本申请提出一种用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型，所述标定模型装配于六轴机械手的工作头位置供3D相机扫描，所述标定模型呈圆型块状，所述标定模型包括：

中心部，具有圆凸台，且所述圆凸台的圆点处具有第一凹槽，所述第一凹槽上设有可安装与拆卸的尖刺结构；

中间部，在所述圆凸台的外周具有呈圆环形的第二凹槽；

外沿部，在所述标定模块的圆形块状两侧具有切边。

进一步地，所述标定模型的上顶面和下底面平行。

进一步地，所述圆凸台的圆点处具有的第一凹槽包括通孔。

本申请还提供一种用于激光3D视觉与六轴机械手的标定方法，将上述的标定模型安装于六轴机械手的工作头位置后，3D相机的标定方法包括：

3D相机扫描六轴机械手的工作头位置的标定模型的第一凹槽，以获取原点数据；

将所述原点数据映射于3D相机内部的世界坐标系中；

以所述原点数据为基准，对所述六轴机械手进行多次扫描，以在所述世界坐标系中形成六轴机械手的各点云数据。

进一步地，在所述世界坐标系中形成六轴机械手的各点云数据的步骤之后，包括：

用户将尖刺结构安装于所述第一凹槽上，所述3D相机扫描尖刺结构与外部产品，在所述世界坐标系上形成外部产品与六轴机械手的位置关系。

进一步地，所述将所述原点数据映射于3D相机内部的世界坐标系中的步骤，包括：

采用点位转换算法将所述原点数据映射于3D相机内部的世界坐标系中。

进一步地，所述点位转换算法为：

其中，

中的X、Y、Z为六轴机械手的原有坐标体系，其中的1为六轴机械手的工作头安装标定模块的第一凹槽的所述原点数据；

中的X_A、Y_A、Z_A为3D相机中的世界坐标系；

为机械手的手眼转换矩阵。

进一步地，所述以原点数据为基准，对所述六轴机械手进行多次扫描，以在所述世界坐标系中形成六轴机械手的各点云数据的步骤包括：

采用组件转换算法对所述六轴机械手的各点云数据转换至世界坐标系中。

进一步地，所述组件转换算法为：

其中，

中为机械手的手眼转换矩阵。

进一步地，所述

为由3D相机预训练确定，所述预训练方式包括：

3D相机随机定位六轴机械手上的至少三个点位；

将三个点位的数据进行手眼转换得到手眼转换矩阵；

其中，1～2～3为所述3D相机随机确定的六轴机械手上的三个点位。

本申请提供了用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型和标定方法，具有以下有益效果：

本申请提出一种用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型，标定模型装配于六轴机械手的工作头位置供3D相机扫描，标定模型呈圆型块状，标定模型包括中心部、中间部和外沿部，其中中心部，具有圆凸台，且圆凸台的圆点处具有第一凹槽，第一凹槽上设有可安装与拆卸的尖刺结构；中间部，在圆凸台的外周具有呈圆环形的第二凹槽；外沿部，在标定模块的圆形块状两侧具有切边，实现激光3D相机与六轴机械手的绝对值引导标定，标定模型结构简易，能通过终端计算的方式实现机械手Rtcp的标定，以及提升机械手柔性空间的扫描范围。

(1)本发明可以运用在所有与机械手相关的引导应用当中，只要符合3D相机可扫描到法兰盘位置的条件皆可使用此标定模型进行3D相机与六轴机械手的超高精度标定动作。

(2)本发明提出的标定模型与尖刺结构相搭配还可以实现精准的Rtcp功能，即机械手抓取产品进行移动式作业。外部的执行端固定，这样发挥了机械手的空间姿态优势，又可以使产品360°无死角执行和扫描。

(3)本发明提出的标定模型所实现的RTCP已运用到打磨行业，点胶涂漆行业。由于打磨行业的打磨头是高速转动，所以大多都是以在外部固定为基础进行作业。那RTCP引导功能刚好实现此3D视觉引导功能。在点胶涂漆行业中，针头的出胶时会受到重力和惯性的影响，导致所点胶的胶路出现异常，那么对于点胶针头来说最理想的方式就是将针头固定在外部，由机械手抓取着产品进行移动点胶，而此时机械手所执行的点位都是有3D视觉系统得出。

附图说明

图1为本申请用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型一个实施例的标定模型未安装尖刺结构视时的整体结构示意图；

图2为本申请用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型一个实施例的标定模型安装尖刺结构视时的整体结构示意图；

图3为本申请用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型一个实施例中的标定模型安装于机械手工作头时的结构示意图；

图4为本申请用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型一个实施例中的3D相机扫描标定模型时的原理示意图；

图5为本申请用于激光3D视觉与六轴机械手的标定方法一个实施例的流程示意图。

本申请为目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

下面将结合本申请的实施例中的附图，对本申请的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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”、“包含”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。在本申请的权利要求书、说明书以及说明书附图中的术语，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体/操作/对象与另一个实体/操作/对象区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体/操作/对象之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

参考附图1-4，为本申请一实施例中的用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型和标定方法的结构示意图；

一种用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型，其特征在于，标定模型装配于六轴机械手的工作头位置供3D相机扫描，标定模型呈圆型块状，标定模型包括：

中心部，具有圆凸台，且圆凸台的圆点处具有第一凹槽，第一凹槽上设有可安装与拆卸的尖刺结构；

中间部，在圆凸台的外周具有呈圆环形的第二凹槽；

外沿部，在标定模块的圆形块状两侧具有切边。

具体的，在六轴机械手的工作头上开设有标定凹槽，标定模型适配的嵌入于标定凹槽上，用户可以通过标定模块外沿部的切边将标定模型安装或拆卸于标定凹槽。

另外，标定模型的厚度范围为3mm～5mm，优选5mm；标定模型呈圆形块状的半径范围为7mm～15mm，优选10mm。

在具体实施的过程中，3D相机扫描标定模型的第一凹槽以确定六轴机械臂终点工作头的一个原点数据，随后3D相机根据该原点数据为基准对六轴机械臂随后的点云数据进行扫描，从而将六轴机械手成型在3D相机中的世界坐标系上，实现激光3D视觉与六轴机械手的标定过程(如附图1所示)。

在一个实施例中，标定模型的上顶面和下底面平行，标定模型的上顶面和下底面通过磨床加工的平行容错差值在±0.01mm，将标定模型装配至六轴机械手的工作头之后，标定模型的最表面的第二凹槽就会与机械手法兰盘的最好精度的坐标系(工具坐标系)重合，即标定模型的一个点与六轴机械手的原坐标系的工作头位置的坐标点重合。

在一个实施例中，将上述的圆凸台圆点处具有的第一凹槽设置成通孔，以减少标定模型耗材。

参考附图5，为本申请提供的用于激光3D视觉与六轴机械手的标定方法的流程示意图，将上述的标定模型安装于六轴机械手的工作头位置后，3D相机的标定方法包括：

S1，3D相机扫描六轴机械手的工作头位置的标定模型的第一凹槽，以获取原点数据；

S2，将原点数据映射于3D相机内部的世界坐标系中；

S3，以原点数据为基准，对六轴机械手进行多次扫描，以在世界坐标系中形成六轴机械手的各点云数据。

具体的，

在标定模型与六轴机械手的第六轴工作头(或称法兰盘)安装好后，六轴机械手移动到相机扫描视野内，可以将标定模型中的圆孔扫描出三维点云图，如图3所示，进而获取原点数据，可获得模型装配到第六轴法兰盘后在相机里面的位置。

通过自主研发的算法，在基于以上条件下进行多次扫描。同时获得六轴机械手和3D相机的内部的坐标数据，即可实现机械手与相机的超高精度的标定。

经过了超高精度标定后，可对一次性扫描不完的产品进行多次扫描，扫描完成后可实现自动的多位面图像拼接功能，发挥了机械手的多姿态调整和产品的360°无死角扫描并且实现引导功能。

标定模型在已经装配好在第六轴法兰盘中心并且进行高精度标定完成以后，将高精度配合的尖刺结构安装在模型的第一凹槽(或通孔)内，然后使用针尖(六轴机械手的工作头原点)来寻找外部执行端(产品)的端点。来实现RTCP功能，以实现该标定模型与尖刺结构相搭配的Rtcp功能，即机械手抓取产品进行移动式作业。外部的执行端固定，这样发挥了机械手的空间姿态优势，又可以使产品360°无死角执行和扫描。

由上述可知，在一个实施例中，在世界坐标系中形成六轴机械手的各点云数据的步骤之后，包括：

用户将尖刺结构安装于第一凹槽上，3D相机扫描尖刺结构与外部产品，在世界坐标系上形成外部产品与六轴机械手的位置关系，实现Rtcp标定的过程。

在一个实施例中，将原点数据映射于3D相机内部的世界坐标系中的步骤，包括：

采用点位转换算法将原点数据映射于3D相机内部的世界坐标系中。

具体的，点位转换算法为：

其中，

中的X、Y、Z为六轴机械手的原有坐标体系，其中的1为六轴机械手的工作头安装标定模块的第一凹槽的原点数据；

中的X_A、Y_A、Z_A为3D相机中的世界坐标系；

为机械手的手眼转换矩阵。

并且，

上述的

为由3D相机预训练确定，预训练方式包括：

3D相机随机定位六轴机械手上的至少三个点位；

将三个点位的数据进行手眼转换得到手眼转换矩阵

其中，1～2～3为3D相机随机确定的六轴机械手上的三个点位。

在一个实施例中，以原点数据为基准，对六轴机械手进行多次扫描，以在世界坐标系中形成六轴机械手的各点云数据的步骤包括：

采用组件转换算法对六轴机械手的各点云数据转换至世界坐标系中。

具体的，组件转换算法为：

其中，

中为机械手的手眼转换矩阵。

上述的，

为由3D相机预训练确定，预训练方式包括：

3D相机随机定位六轴机械手上的至少三个点位；

将三个点位的数据进行手眼转换得到手眼转换矩阵；

其中，1～2～3为3D相机随机确定的六轴机械手上的三个点位。

综上所述，本申请提出一种用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型，标定模型装配于六轴机械手的工作头位置供3D相机扫描，标定模型呈圆型块状，标定模型包括中心部、中间部和外沿部，其中中心部，具有圆凸台，且圆凸台的圆点处具有第一凹槽，第一凹槽上设有可安装与拆卸的尖刺结构；中间部，在圆凸台的外周具有呈圆环形的第二凹槽；外沿部，在标定模块的圆形块状两侧具有切边，实现激光3D相机与六轴机械手的绝对值引导标定，标定模型结构简易，能通过终端计算的方式实现机械手Rtcp的标定，以及提升机械手柔性空间的扫描范围。

(1)本发明可以运用在所有与机械手相关的引导应用当中，只要符合3D相机可扫描到法兰盘位置的条件皆可使用此标定模型进行3D相机与六轴机械手的超高精度标定动作。

(2)本发明提出的标定模型与尖刺结构相搭配还可以实现精准的Rtcp功能，即机械手抓取产品进行移动式作业。外部的执行端固定，这样发挥了机械手的空间姿态优势，又可以使产品360°无死角执行和扫描。

(3)本发明提出的标定模型所实现的RTCP已运用到打磨行业，点胶涂漆行业。由于打磨行业的打磨头是高速转动，所以大多都是以在外部固定为基础进行作业。那RTCP引导功能刚好实现此3D视觉引导功能。在点胶涂漆行业中，针头的出胶时会受到重力和惯性的影响，导致所点胶的胶路出现异常，那么对于点胶针头来说最理想的方式就是将针头固定在外部，由机械手抓取着产品进行移动点胶，而此时机械手所执行的点位都是有3D视觉系统得出。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型，其特征在于，所述标定模型装配于六轴机械手的工作头位置供3D相机扫描，所述标定模型呈圆型块状，所述标定模型包括：

中心部，具有圆凸台，且所述圆凸台的圆点处具有第一凹槽，所述第一凹槽上设有可安装与拆卸的尖刺结构；

中间部，在所述圆凸台的外周具有呈圆环形的第二凹槽；

外沿部，在所述标定模块的圆形块状两侧具有切边。

2.根据权利要求1所述的用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型，其特征在于，所述标定模型的上顶面和下底面平行。

3.根据权利要求1所述的用于激光3D视觉与六轴机械手的标定模型，其特征在于，所述圆凸台的圆点处具有的第一凹槽包括通孔。

4.一种用于激光3D视觉与六轴机械手的标定方法，其特征在于，将权利要求1至3任一项所述的标定模型安装于六轴机械手的工作头位置后，3D相机的标定方法包括：

3D相机扫描六轴机械手的工作头位置的标定模型的第一凹槽，以获取原点数据；

将所述原点数据映射于3D相机内部的世界坐标系中；

以所述原点数据为基准，对所述六轴机械手进行多次扫描，以在所述世界坐标系中形成六轴机械手的各点云数据。

5.根据权利要求4所述的用于激光3D视觉与六轴机械手的标定方法，其特征在于，在所述世界坐标系中形成六轴机械手的各点云数据的步骤之后，包括：

用户将尖刺结构安装于所述第一凹槽上，所述3D相机扫描尖刺结构与外部产品，在所述世界坐标系上形成外部产品与六轴机械手的位置关系。

6.根据权利要求4所述的用于激光3D视觉与六轴机械手的标定方法，其特征在于，所述将所述原点数据映射于3D相机内部的世界坐标系中的步骤，包括：

采用点位转换算法将所述原点数据映射于3D相机内部的世界坐标系中。

7.根据权利要求6所述的用于激光3D视觉与六轴机械手的标定方法，其特征在于，所述点位转换算法为：

其中，

中的X、Y、Z为六轴机械手的原有坐标体系，其中的1为六轴机械手的工作头安装标定模块的第一凹槽的所述原点数据；

中的X_A、Y_A、Z_A为3D相机中的世界坐标系；

为机械手的手眼转换矩阵。

8.根据权利要求4所述的用于激光3D视觉与六轴机械手的标定方法，其特征在于，所述以原点数据为基准，对所述六轴机械手进行多次扫描，以在所述世界坐标系中形成六轴机械手的各点云数据的步骤包括：

采用组件转换算法对所述六轴机械手的各点云数据转换至世界坐标系中。

9.根据权利要求8所述的用于激光3D视觉与六轴机械手的标定方法，其特征在于，所述组件转换算法为：

其中，

中为机械手的手眼转换矩阵。

10.根据权利要求7或9所述的用于激光3D视觉与六轴机械手的标定方法，其特征在于，所述

为由3D相机预训练确定，所述预训练方式包括：

3D相机随机定位六轴机械手上的至少三个点位；

将三个点位的数据进行手眼转换得到手眼转换矩阵；

其中，1～2～3为所述3D相机随机确定的六轴机械手上的三个点位。

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