CN111768383A - 立体靶标及利用其恢复视觉传感器工作功能的方法 - Google Patents

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郭寅
尹仕斌
刘海庆
赵素雷
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    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/70—Determining position or orientation of objects or cameras

Abstract

本发明公开了一种立体靶标及利用其恢复视觉传感器工作功能的方法，该立体靶标由两块表面设置有多个特征孔或特征标记点的平板构成，两者夹角为60°～150°。利用其恢复视觉传感器工作功能的方法，立体靶标固定在特定位置，步骤如下：1)粗调令立体靶标处于视觉传感器的视场内，调节机器人位姿至预设检测位姿；2)采集立体靶标图像，获取两块平板表面图像，求取两个平板平面坐标系和相机坐标系之间的关系；3)根据预设检测位姿处机器人末端法兰坐标系和立体靶标两平面坐标系旋转平移关系不变性，得到复位后的相机坐标系到法兰坐标系的旋转平移关系。该方法只需对立体靶标采集一次图片即可完成传感器的快速恢复，耗时仅为原来的1/12。

Description

立体靶标及利用其恢复视觉传感器工作功能的方法
技术领域
本发明涉及工业现场机器人视觉引导、测量领域，具体涉及一种立体靶标及利用其恢复视觉传感器工作功能的方法。
背景技术
视觉测量技术以其非接触、高精度、适应性强等特点，与工业机器人结合在自动化领域应用广泛。视觉传感器通常固定于机器人末端法兰，通过手眼标定获取视觉传感器和机器人末端法兰的手眼关系。正常工作中该手眼关系保持不变，将视觉传感器获取的图像信息转移到机器人坐标系下，指导机器人完成特定任务。
工业现场环境复杂，现场已完成标定的视觉传感器会由于检修、误碰或更换后导致视觉传感器位置发生变化，无法正确地指导机器人完成任务，即手眼关系发生变化，需获取新手眼关系。为获得新手眼关系，传统方法为对该传感器重新进行手眼标定。对于结构光传感器等小视场传感器重新标定，通常需要末端携带视觉传感器的机器人变换多组姿态，分别从多组姿态对专用靶标进行拍照，提取相应特征，最后进行优化求解。上述重新标定过程复杂，耗时较长，对现场生产进度影响较大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种立体靶标及利用其恢复视觉传感器工作功能的方法，其在传感器位置变动后，经粗调后只需对立体靶标采集一次图片即可完成传感器的快速恢复，将原需1h才能恢复的工作控制在5min左右，大幅度提升了工作效率。
为此，本发明的技术方案如下：
一种立体靶标，由两块表面设置有多个特征孔或多个特征标记点的平板构成；两块平板的夹角为60°～150°。两块平板分别建立各自的平面坐标系，各块平板上的特征孔/特征标记点在各个平面坐标系下的坐标已知。
进一步，所述特征标记点为反光标记点或机械加工特征点。
进一步，所述多个特征孔或多个特征标记点均匀分布在平板上。
进一步，所述立体靶标由两块相同的平板构成。
利用上述立体靶标恢复视觉传感器工作功能的方法，所述立体靶标固定在特定位置，包括如下步骤：
1)视觉传感器相对于机器人末端法兰的位置移动后，先利用粗调，令立体靶标处于视觉传感器的视场内，调节机器人位姿至预设检测位姿；
2)视觉传感器采集所述立体靶标图像，同时获取两块平板表面图像，求取两个平板平面坐标系和相机坐标系之间的旋转平移关系：
Figure BDA0002560392170000021
和
Figure BDA0002560392170000022
3)根据预设检测位姿处机器人末端法兰坐标系和立体靶标两平面坐标系旋转平移关系不变性，得到复位后的相机坐标系到法兰坐标系的旋转平移关系
Figure BDA0002560392170000023
Figure BDA0002560392170000024
Figure BDA0002560392170000025
式中：fTc为预先标定的相机坐标系到法兰坐标系的旋转平移关系；
cTA为机器人在预设检测位姿下，立体靶标一块平板的平面坐标系到相机坐标系的旋转平移关系；
cTB为机器人在预设检测位姿下，立体靶标另一块平板的平面坐标系到相机坐标系的旋转平移关系。
进一步，所述立体靶标扣在固定位置，两块平板相交的棱边位于最上方。
进一步，所述机器人位姿的预设检测位姿为立体靶标固定位置的正上方。
本方法在使用时，需要立体靶标的两个平面均在相机的视场内，依据现场实际空间情况安装合适尺寸立体靶标，通过预先标定后，只要视觉传感器和法兰相对位置发生变化，仅需在机器人运动至预设检测位姿采集一张立体靶标图像，计算后可获取相机坐标系与法兰坐标系之间的旋转平移关系，即获知手眼关系，耗时仅需5min。
将本方法用于汽车生产线的测量过程时，不同机器人视觉测量工位的耗时对比表格如下：
Figure BDA0002560392170000031
可见，汽车生产线存在大量视觉检测工位，一旦视觉传感器位置变动，单个传感器标定后恢复工作功能需耗时约60min，采用本方法仅需5min，耗时减少90％以上，可大幅度提升工作效率。
附图说明
图1为本发明提供的立体靶标的结构示意图；
图2为本发明提供的恢复视觉传感器工作功能的方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
一种立体靶标，由两块表面设置有多个特征孔或多个特征标记点的平板构成；两块平板的夹角为60°～150°。两块平板分别建立各自的平面坐标系，各块平板上的特征孔/特征标记点在各个平面坐标系下的坐标已知。具体来说，特征标记点为反光标记点或机械加工特征点，其可以均匀分布在平板上，也可以不规则排布在平板上，只要其在平面坐标系下的位置已知即可。获取特征标记点、特征孔在平面坐标系下坐标的方法既可以采用确定位置后高精度加工的方法，也可以加工完成后再利用设备测量的方法。构成立体靶标的两块板可以相同，也可以不相同。
利用上述立体靶标恢复视觉传感器工作功能的方法，立体靶标固定在特定位置，包括如下步骤：
1)视觉传感器相对于机器人末端法兰的位置移动后，先利用粗调，令立体靶标处于视觉传感器的视场内，调节机器人位姿至预设检测位姿；
2)视觉传感器采集立体靶标图像，同时获取两块平板表面图像，求取两个平板平面坐标系和相机坐标系之间的旋转平移关系：
Figure BDA0002560392170000041
和
Figure BDA0002560392170000042
3)根据预设检测位姿处机器人末端法兰坐标系和立体靶标两平面坐标系旋转平移关系不变性，得到复位后的相机坐标系到法兰坐标系的旋转平移关系
Figure BDA0002560392170000051
Figure BDA0002560392170000052
Figure BDA0002560392170000053
式中：fTc为预先标定的相机坐标系到法兰坐标系的旋转平移关系；
cTA为机器人在预设检测位姿下，立体靶标一块平板的平面坐标系到相机坐标系的旋转平移关系；
cTB为机器人在预设检测位姿下，立体靶标另一块平板的平面坐标系到相机坐标系的旋转平移关系。
为了方便同时获取立体靶标两个平面的图像，立体靶标扣在固定位置，两块平板相交的棱边位于最上方。另外，机器人位姿的预设检测位姿为立体靶标固定位置的正上方。
本方法在使用时，需要立体靶标的两个平面均在相机的视场内，依据现场实际空间情况安装合适尺寸立体靶标，通过预先标定后，只要视觉传感器和法兰相对位置发生变化，仅需在机器人运动至预设检测位姿采集一张立体靶标图像，计算后可获取相机坐标系与法兰坐标系之间的旋转平移关系，即获知手眼关系，耗时仅需5min。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (7)

1.一种立体靶标，其特征在于：由两块表面设置有多个特征孔或多个特征标记点的平板构成；两块平板的夹角为60°～150°。
2.如权利要求1所述立体靶标，其特征在于：所述特征标记点为反光标记点或机械加工特征点。
3.如权利要求1所述立体靶标，其特征在于：所述多个特征孔或多个特征标记点均匀分布在平板上。
4.如权利要求1所述立体靶标，其特征在于：所述立体靶标由两块相同的平板构成。
5.利用如权利要求1～4所述立体靶标恢复视觉传感器工作功能的方法，其特征在于：所述立体靶标固定在特定位置，包括如下步骤：
1)视觉传感器相对于机器人末端法兰的位置移动后，先利用粗调，令立体靶标处于视觉传感器的视场内，调节机器人位姿至预设检测位姿；
2)视觉传感器采集所述立体靶标图像，同时获取两块平板表面图像，求取两个平板平面坐标系和相机坐标系之间的旋转平移关系：
Figure FDA0002560392160000011
和
Figure FDA0002560392160000012
3)根据预设检测位姿处机器人末端法兰坐标系和立体靶标两平面坐标系旋转平移关系不变性，得到复位后的相机坐标系到法兰坐标系的旋转平移关系
Figure FDA0002560392160000013
Figure FDA0002560392160000014
Figure FDA0002560392160000015
式中：fTc为预先标定的相机坐标系到法兰坐标系的旋转平移关系；
cTA为机器人在预设检测位姿下，立体靶标一块平板的平面坐标系到相机坐标系的旋转平移关系；
cTB为机器人在预设检测位姿下，立体靶标另一块平板的平面坐标系到相机坐标系的旋转平移关系。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于：所述立体靶标扣在固定位置，两块平板相交的棱边位于最上方。
7.如权利要求5所述方法，其特征在于：所述机器人位姿的预设检测位姿为立体靶标固定位置的正上方。
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