CN111833406A - 机械手与3d相机的旋转式自动标定模块、系统及方法 - Google Patents

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CN111833406A CN202010762243.4A CN202010762243A CN111833406A CN 111833406 A CN111833406 A CN 111833406A CN 202010762243 A CN202010762243 A CN 202010762243A CN 111833406 A CN111833406 A CN 111833406A
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陈方
姚绪松
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Shenzhen Qb Precision Industrial Co ltd
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Abstract

本申请提供了一种机械手与3D相机的旋转式自动标定模块、系统及方法，运用于机械手3D视觉标定技术领域，本申请提出的自动标定模块，该标定模块可安装或分离的设置在机械手标定面，标定面位于机械手的操作端部，其包括标定板和标定件，其中，标定板，其在边沿位置开设有若干相互平行的导轨；标定件，其数量为四个，其包括柱体和标定圆盘，标定圆盘固定设置在柱体的一端，柱体的另一端插入至导轨中进行平移活动；其用于实现机械手与3D视觉相机的坐标系标定，达到减少机械手多余的动作，快速标定机械手坐标系与相机坐标系统，可反向计算机械手实际动作的角度。

Description

机械手与3D相机的旋转式自动标定模块、系统及方法
技术领域
本申请涉及机械手3D视觉标定技术领域，特别涉及为一种机械手与3D相机的旋转式自动标定模块、系统及方法。
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一起来才可以进行精准的引导。
目前现有技术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收。
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。
2.标定方法较为繁琐，需要经过多次的不同位置的3D相机成像，同时机械手本身需要每次设定到相机视野内的固定区域，以确保计算数据后的准确性。
3.已有的标定方法都是基于六轴机械手的实际的计算表述数据来决定，无法对机械手的位姿数据描述进行闭环的测验(测验六轴机械手在相机的实际位姿变化数据与六轴机械手本身系统计算描述位姿数据对比的准确性)从而实现机械手的数据准确性反馈以至于确保整个系统的稳定性。
发明内容
本申请提供一种机械手与3D相机的旋转式自动标定模块、系统及方法，减少机械手多余的动作，快速标定机械手坐标系与相机坐标系统，可反向计算机械手实际动作的角度，然后与机械手本身的数据表示进行对比来验证机械手的角度的精度数据，快速确认机械手的性能，标定完成以后装配好针尖可实现外部RTCP功能，增加机械手柔性化，高精度标定完成后可实现机械手抓取产品后的多次扫描并且实现自动拼接功能，扫描过程中可发挥机械手最大姿态灵活性优势，执行时机械手抓取着产品进行执行同样可最大发挥六轴机械手的位姿优势。
本申请为解决技术问题采用如下技术手段：
本申请提出的机械手与3D相机的旋转式自动标定模块，所述标定模块可安装或分离的设置在机械手标定面，所述标定面位于机械手的操作端部，所述标定模块包括：
标定板，其在边沿位置开设有若干相互平行的导轨；
标定件，其数量为四个，其包括柱体和标定圆盘，所述标定圆盘固定设置在柱体的一端，所述柱体的另一端插入至导轨中进行平移活动。
进一步地，所述导轨数量为两条，分别位于标定板两侧的边沿位置，每条所述导轨上设置由两个标定件。
进一步地，在所述标定板中心位置开设有若干安装孔。
本申请提出的机械手与3D相机的旋转式自动标定系统，包括待标定的机械手、3D视觉相机和上述的标定模块，其中，
所述标定模块安装至机械手的操作端部，以形成对应于机械手端部的第一坐标系；
所述3D视觉相机自身带有第二坐标系，其拍摄采集安装至机械手上的标定模块以获取第一坐标系，并根据所述第一坐标系对第二坐标系进行对应转换，实现初始标定，再拍摄采集机械手的其余位置，将其余位置的状态信息标定至转换后的第二坐标系，实现标定过程。
本申请提出的机械手与3D相机的旋转式自动标定方法，根据上述的旋转式自动标定系统执行所述旋转式自动标定方法，步骤包括：
所述3D视觉相机拍摄安装于机械手端部位置的标定模块，以获取第一图片；
对所述第一图片进行图片处理，以四个标定件的中心作为原点，以同一导轨上的两个标定件连线作为X轴，以不同导轨两个标定件的连接作为Y轴，以一个标定件的柱体和标定圆盘的高度作为Z轴，从而获取机械手端部的第一当前坐标系；
根据所述第一当前坐标系，驱动机械手端部分别沿着X轴、Y轴、Z轴进行预设角度的旋转，并分别拍摄图像，从而3D视觉相机获取到第二图片(X轴)、第三图片(Y轴)以及第四图片(Z轴)；
对所述第二图片(X轴)、第三图片(Y轴)和第四图片(Z轴)进行图片处理，最终获取到对应的第二当前坐标系、第三当前坐标系和第四当前坐标系；
将第二当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的X轴确定；将第三当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的Y轴确定；将第四当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的Z轴确定；从而构建3D视觉相机对应与机械手的世界坐标系；
3D视觉相机对机械手端部位置外的其余位置进行采集，并对应成像于所述世界坐标系中，实现标定过程。
进一步地，所述驱动机械手端部分别沿着X轴、Y轴、Z轴进行预设角度的旋转的步骤中：
所述预设角度为10°至20°。
进一步地，所述获取机械手端部的第一当前坐标系的步骤，包括：
采用点位转换算法将第一当前坐标系导入至3D视觉相机中，所述点位转换算法为：
Figure BDA0002613399220000031
其中，
Figure BDA0002613399220000032
中的X、Y、Z为所述世界坐标系，其中的1为机械手操作端部的第一当前坐标系的原点转换至世界坐标系的原点数据；
Figure BDA0002613399220000041
中的XA、YA、ZA分别为第一当前坐标系的三轴数据；
Figure BDA0002613399220000042
为机械手的手眼转换矩阵。
进一步地，所述将第二当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的X轴确定；将第三当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的Y轴确定；将第四当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的Z轴确定；从而构建3D视觉相机对应与机械手的世界坐标系的步骤，包括：
采用旋转后转换算法进行世界坐标系的标定，所述转换算法为：
Figure BDA0002613399220000043
其中，
Figure BDA0002613399220000044
中为机械手的手眼转换矩阵，其中XA1～An为旋转起点、过程中、旋转重点的采样X轴点位数据；YA1～An为旋转起点、过程中、旋转重点的采样Y轴点位数据；ZA1～An为旋转起点、过程中、旋转重点的采样Z轴点位数据。
进一步地，所述
Figure BDA0002613399220000045
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；
Figure BDA0002613399220000046
其中，1～2～3为所述3D相机随机确定的机械手上的三个点位。
本申请提供了机械手与3D相机的旋转式自动标定模块、系统及方法，具有以下有益效果：
本申请提出的自动标定模块，该标定模块可安装或分离的设置在机械手标定面，标定面位于机械手的操作端部，其包括标定板和标定件，其中，标定板，其在边沿位置开设有若干相互平行的导轨；标定件，其数量为四个，其包括柱体和标定圆盘，标定圆盘固定设置在柱体的一端，柱体的另一端插入至导轨中进行平移活动；其用于实现机械手与3D视觉相机的坐标系标定，达到减少机械手多余的动作，快速标定机械手坐标系与相机坐标系统，可反向计算机械手实际动作的角度，然后与机械手本身的数据表示进行对比来验证机械手的角度的精度数据，快速确认机械手的性能，标定完成以后装配好针尖可实现外部RTCP功能，增加机械手柔性化，高精度标定完成后可实现机械手抓取产品后的多次扫描并且实现自动拼接功能，扫描过程中可发挥机械手最大姿态灵活性优势，执行时机械手抓取着产品进行执行同样可最大发挥六轴机械手的位姿优势。
附图说明
图1为本申请机械手与3D相机的旋转式自动标定模块一个实施例的整体结构示意图；
图2为本申请机械手与3D相机的旋转式自动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，为本申请一实施例中的机械手与3D相机的旋转式自动标定模块的结构示意图；
本申请提出的机械手与3D相机的旋转式自动标定模块，标定模块可安装或分离的设置在机械手标定面，标定面位于机械手的操作端部，标定模块包括：
标定板1，其在边沿位置开设有若干相互平行的导轨2；
标定件3，其数量为四个，其包括柱体31和标定圆盘32，标定圆盘32固定设置在柱体31的一端，柱体31的另一端插入至导轨2中进行平移活动。
具体的，
上述导轨2数量为两条，分别位于标定板1两侧的边沿位置，每条导轨2上设置由两个标定件3。
上述标定板1中心位置开设有若干安装孔4。
在具体实施的过程中，通过安装孔4将标定模块安装至机械手的操作端部标定面上，标定件3通过导轨2在标定板1上进行活动，用户可调节标定件3位置，需要说明，3D视觉相机是采集标定件3的位置来确定机械手的第一坐标系的，通过调节标定件3位置，以适配机械手各种形态下的标定。
在一个实施例中，本申请提出一种机械手与3D相机的旋转式自动标定系统，其包括待标定的机械手、3D视觉相机和上述的标定模块，其中，
标定模块安装至机械手的操作端部，以形成对应于机械手端部的第一坐标系；
3D视觉相机自身带有第二坐标系，其拍摄采集安装至机械手上的标定模块以获取第一坐标系，并根据第一坐标系对第二坐标系进行对应转换，实现初始标定，再拍摄采集机械手的其余位置，将其余位置的状态信息标定至转换后的第二坐标系，实现标定过程。
参考附图2，为本申请提出的机械手与3D相机的旋转式自动标定方法的流程示意图。
一种机械手与3D相机的旋转式自动标定方法，根据上述的旋转式自动标定系统执行旋转式自动标定方法，步骤包括：
S100，3D视觉相机拍摄安装于机械手端部位置的标定模块，以获取第一图片；
S200，对第一图片进行图片处理，以四个标定件3的中心作为原点，以同一导轨2上的两个标定件3连线作为X轴，以不同导轨2两个标定件3的连接作为Y轴，以一个标定件3的柱体31和标定圆盘32的高度作为Z轴，从而获取机械手端部的第一当前坐标系；
S300，根据第一当前坐标系，驱动机械手端部分别沿着X轴、Y轴、Z轴进行预设角度的旋转，并分别拍摄图像，从而3D视觉相机获取到第二图片(X轴)、第三图片(Y轴)以及第四图片(Z轴)；
S400，对第二图片(X轴)、第三图片(Y轴)和第四图片(Z轴)进行图片处理，最终获取到对应的第二当前坐标系、第三当前坐标系和第四当前坐标系；
S500，将第二当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的X轴确定；将第三当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的Y轴确定；将第四当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的Z轴确定；从而构建3D视觉相机对应与机械手的世界坐标系；
S600，3D视觉相机对机械手端部位置外的其余位置进行采集，并对应成像于世界坐标系中，实现标定过程。
在一个实施例中，驱动机械手端部分别沿着X轴、Y轴、Z轴进行预设角度的旋转的步骤中：
预设角度为10°至20°。
具体的，获取机械手端部的第一当前坐标系的步骤，包括：
采用点位转换算法将第一当前坐标系导入至3D视觉相机中，点位转换算法为：
Figure BDA0002613399220000081
其中，
Figure BDA0002613399220000082
中的X、Y、Z为世界坐标系，其中的1为机械手操作端部的第一当前坐标系的原点转换至世界坐标系的原点数据；
Figure BDA0002613399220000083
中的XA、YA、ZA分别为第一当前坐标系的三轴数据；
Figure BDA0002613399220000084
为机械手的手眼转换矩阵。
在一个实施例中，将第二当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的X轴确定；将第三当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的Y轴确定；将第四当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的Z轴确定；从而构建3D视觉相机对应与机械手的世界坐标系的步骤，包括：
采用旋转后转换算法进行世界坐标系的标定，转换算法为：
Figure BDA0002613399220000085
其中，
Figure BDA0002613399220000086
中为机械手的手眼转换矩阵，其中XA1～An为旋转起点、过程中、旋转重点的采样X轴点位数据；YA1～An为旋转起点、过程中、旋转重点的采样Y轴点位数据；ZA1～An为旋转起点、过程中、旋转重点的采样Z轴点位数据。
上述的
Figure BDA0002613399220000087
为由3D相机预训练确定，预训练方式包括：
3D相机随机定位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；
Figure BDA0002613399220000091
其中，1～2～3为3D相机随机确定的机械手上的三个点位。
综上所述，本申请提出的自动标定模块，该标定模块可安装或分离的设置在机械手标定面，标定面位于机械手的操作端部，其包括标定板1和标定件3，其中，标定板1，其在边沿位置开设有若干相互平行的导轨2；标定件3，其数量为四个，其包括柱体31和标定圆盘32，标定圆盘32固定设置在柱体31的一端，柱体31的另一端插入至导轨2中进行平移活动；其用于实现机械手与3D视觉相机的坐标系标定，达到减少机械手多余的动作，快速标定机械手坐标系与相机坐标系统，可反向计算机械手实际动作的角度，然后与机械手本身的数据表示进行对比来验证机械手的角度的精度数据，快速确认机械手的性能，标定完成以后装配好针尖可实现外部RTCP功能，增加机械手柔性化，高精度标定完成后可实现机械手抓取产品后的多次扫描并且实现自动拼接功能，扫描过程中可发挥机械手最大姿态灵活性优势，执行时机械手抓取着产品进行执行同样可最大发挥六轴机械手的位姿优势。
对于本申请提出的标定模块的现场应用，有如下优势：
1.机械手与3D视觉旋转自动标定模型，由于操作简单，可复制性强并且可以进行反向计算实际机械手的运动精度，所以适用与所有的工业六轴机械手作业场景中。
2.需要机械手抓取着产品实现真RTCP功能，并且需要对产品的多个面进行扫描然后实现拼接后一次性执行所有轨迹的场景下运用。
3.此模型所有话的多个面自动拼接功能实现了图像自动拼接的精度大幅度提升，目前使用在鞋底的打磨，鞋底的喷胶的实际案例中，这些案例都是使用RTCP功能(机械手携带产品进行移动姿态调整)。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 (9)

1.一种机械手与3D相机的旋转式自动标定模块，其特征在于，所述标定模块可安装或分离的设置在机械手标定面，所述标定面位于机械手的操作端部，所述标定模块包括：
标定板，其在边沿位置开设有若干相互平行的导轨；
标定件，其数量为四个，其包括柱体和标定圆盘，所述标定圆盘固定设置在柱体的一端，所述柱体的另一端插入至导轨中进行平移活动。
2.根据权利要求1所述的机械手与3D相机的旋转式自动标定模块，其特征在于，所述导轨数量为两条，分别位于标定板两侧的边沿位置，每条所述导轨上设置由两个标定件。
3.根据权利要求1所述的机械手与3D相机的旋转式自动标定模块，其特征在于，在所述标定板中心位置开设有若干安装孔。
4.一种机械手与3D相机的旋转式自动标定系统，其特征在于，包括待标定的机械手、3D视觉相机和权利要求1至3任一项所述的标定模块，其中，
所述标定模块安装至机械手的操作端部，以形成对应于机械手端部的第一坐标系；
所述3D视觉相机自身带有第二坐标系，其拍摄采集安装至机械手上的标定模块以获取第一坐标系，并根据所述第一坐标系对第二坐标系进行对应转换，实现初始标定，再拍摄采集机械手的其余位置，将其余位置的状态信息标定至转换后的第二坐标系，实现标定过程。
5.一种机械手与3D相机的旋转式自动标定方法，其特征在于，根据权利要求4所述的旋转式自动标定系统执行所述旋转式自动标定方法，步骤包括：
所述3D视觉相机拍摄安装于机械手端部位置的标定模块，以获取第一图片；
对所述第一图片进行图片处理，以四个标定件的中心作为原点，以同一导轨上的两个标定件连线作为X轴，以不同导轨两个标定件的连接作为Y轴，以一个标定件的柱体和标定圆盘的高度作为Z轴，从而获取机械手端部的第一当前坐标系；
根据所述第一当前坐标系，驱动机械手端部分别沿着X轴、Y轴、Z轴进行预设角度的旋转，并分别拍摄图像，从而3D视觉相机获取到第二图片(X轴)、第三图片(Y轴)以及第四图片(Z轴)；
对所述第二图片(X轴)、第三图片(Y轴)和第四图片(Z轴)进行图片处理，最终获取到对应的第二当前坐标系、第三当前坐标系和第四当前坐标系；
将第二当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的X轴确定；将第三当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的Y轴确定；将第四当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的Z轴确定；从而构建3D视觉相机对应与机械手的世界坐标系；
3D视觉相机对机械手端部位置外的其余位置进行采集，并对应成像于所述世界坐标系中，实现标定过程。
6.根据权利要求5所述的机械手与3D相机的旋转式自动标定方法，其特征在于，所述驱动机械手端部分别沿着X轴、Y轴、Z轴进行预设角度的旋转的步骤中：
所述预设角度为10°至20°。
7.根据权利要求5所述的机械手与3D相机的旋转式自动标定方法，其特征在于，所述获取机械手端部的第一当前坐标系的步骤，包括：
采用点位转换算法将第一当前坐标系导入至3D视觉相机中，所述点位转换算法为：
Figure FDA0002613399210000021
其中，
Figure FDA0002613399210000022
中的X、Y、Z为所述世界坐标系，其中的1为机械手操作端部的第一当前坐标系的原点转换至世界坐标系的原点数据；
Figure FDA0002613399210000023
中的XA、YA、ZA分别为第一当前坐标系的三轴数据；
Figure FDA0002613399210000024
为机械手的手眼转换矩阵。
8.根据权利要求7所述的机械手与3D相机的旋转式自动标定方法，其特征在于，所述将第二当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的X轴确定；将第三当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的Y轴确定；将第四当前坐标系与第一当前坐标系结合比对，实现3D视觉相机中世界坐标系的Z轴确定；从而构建3D视觉相机对应与机械手的世界坐标系的步骤，包括：
采用旋转后转换算法进行世界坐标系的标定，所述转换算法为：
Figure FDA0002613399210000031
其中，
Figure FDA0002613399210000032
中为机械手的手眼转换矩阵，其中XA1～An为旋转起点、过程中、旋转重点的采样X轴点位数据；YA1～An为旋转起点、过程中、旋转重点的采样Y轴点位数据；ZA1～An为旋转起点、过程中、旋转重点的采样Z轴点位数据。
9.根据权利要求7或8所述的机械手与3D相机的旋转式自动标定方法，其特征在于，所述
Figure FDA0002613399210000033
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；
Figure FDA0002613399210000034
其中，1～2～3为所述3D相机随机确定的机械手上的三个点位。
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