CN112454332B - 一种用于手眼标定的机器人轨迹点生成方法 - Google Patents

Abstract

一种用于手眼标定的机器人轨迹点生成方法，该方法基于固定于地面的机器人、通过连接件固定于机器人法兰末端的标定板、相机支架、以及通过相机支架固定于地面的相机，该方法仅通过一次示教，其余点的位姿通过算法生成。该方法具有节约人工操作，生成位姿均匀等优点。

Description

一种用于手眼标定的机器人轨迹点生成方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别涉及一种用于手眼标定的机器人轨迹点生成方法。

背景技术

通常情况下，机器人手眼标定需要人工示教多个位姿用于拍摄标定板，示教过程较为复杂，消耗时间较多；且示教的位姿在空间中分布可能并不均匀，进而影响标定效果。

发明内容

本公开提供了一种用于手眼标定的机器人轨迹点生成方法，用于简化机器人与相机间手眼关系标定的操作复杂度。

本公开提供的一种用于手眼标定的机器人轨迹点生成方法，所用的系统包括固定于地面的机器人、通过连接件固定于机器人法兰末端的标定板、相机支架、以及通过相机支架固定于地面的相机，所述方法包括以下步骤：

移动机器人末端，将标定板移动至相机视野内的近似中心，调整标定板角度，使标定板与相机的三个坐标轴分别近似平行；

记录标定板坐标系与机器人基坐标系之间的变换关系；

以相机的最大视场角在标定板上投射一矩形区域，记录该区域中心点和顶点在标定板坐标系中的坐标；

在标定板上方和下方一定距离处各选取一个平行平面，进行同样的投影，得到中心点和顶点在标定板坐标系中的坐标；

随机生成这些点处的姿态；

将所述坐标和姿态组合，得到生成的系列标定轨迹点；

将所述生成的系列标定轨迹点从标定板坐标系变换到机器人基坐标系，即可得到可用于手眼标定的机器人轨迹点。

优选的，所述记录当前标定板坐标系与机器人基坐标系之间的变换关系，包括以下步骤：

从机器人示教面板读出当前法兰坐标系到机器人基坐标系的变换关系

其中法兰坐标系为h，机器人基坐标系为r；

通过所述连接件的CAD模型，获得标定板坐标系与法兰坐标系之间的变换关系

其中标定板坐标系为b；

则从标定板坐标系到机器人基坐标系的变换关系为：

优选的，所述以相机的最大视场角在标定板上投射的矩形区域中心点和顶点在标定板坐标系中的坐标为：

设相机在x和y轴方向的视场角分别为θ_x和θ_y，近似测量相机到标定板中心的距离l_b，则标定板上所述矩形区域中心点和4个顶点在标定板坐标系中的坐标P_1，j(0≤j≤4)为：

优选的，随机生成这些点处的姿态的方法为：

随机生成15个欧拉角(θ_i，j，x，θ_i，j，y，θ_i，j，z)(0≤i≤2，0≤j≤4)，其中所有的角度θ∈[-θ_rand，θ_rand]，θ_rand为用户给定的随机范围；

任意一个欧拉角(θ_Rx，θ_Ry，θ_Rz)均可表示为一个3x3的旋转矩阵，由此可得到15个旋转矩阵记为R_i，j。

优选的，所述θ_rand小于10°。

优选的，将所述坐标和姿态组合，得到生成的系列标定轨迹点的方法为：

将所有15个点P_i，j(0≤i≤2，0≤j≤4)的坐标记为列向量t_i，j；

组合t_i，j和R_i，j得到15个随机姿态

即为所述生成的15个标定轨迹点。

优选的，用以下公式将所述生成的系列标定轨迹点从标定板坐标系变换到机器人基坐标系：

得到的点即为所述可用于手眼标定的机器人轨迹点。

本公开提出的机器人标定轨迹点生成方法，仅需示教1次，其余的标定位姿均为算法生成，省略了人工示教的工作，加快了机器人部署速度；且生成的点位姿分布均匀，有助于获得更加理想的标定结果。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1显示本公开所用的机器人标定系统示例性实施例组成示意图；

图2显示本公开所述方法的示例性实施例流程图；

图3显示示例性实施例在标定板上投射的矩形区域示意图；

图4显示示例性实施例在标定板上下平行平面上投射的矩形区域示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本公开所应用的示例性标定系统包括：

固定于地面的机器人1，

机器人法兰3，

通过连接件固定于法兰末端的标定板4，

通过相机支架8固定于地面的相机6；

图1中，2为机器人基坐标系O_rX_rY_rZ_r，3为机器人法兰坐标系O_hX_hY_hZ_h，5为标定板坐标系O_bX_bY_bZ_b，7为相机坐标系O_cX_cY_cZ_c。

附图2显示根据示例性实施例的机器人标定轨迹生成方法的流程图，包括以下步骤：

(1)标定原点示教，具体包括：

S101：移动机器人末端，将标定板移动至相机视野内的近似中心，调整标定板角度，使标定板坐标系的XYZ三轴分别与相机的XYZ三轴近似平行；

S102：记录标定板坐标系与机器人基坐标系之间的变换关系。

作为优选方案，通过以下方法得到所述记录当前标定板坐标系与机器人基坐标系之间的变换关系：

从机器人示教面板读出当前法兰坐标系到机器人基坐标系的变换关系

由于标定板与机器人法兰固连，所以可以通过所述连接件的CAD模型，获得标定板坐标系与法兰坐标系之间的变换关系

则从标定板坐标系到机器人基坐标系的变换关系为：

(2)标定轨迹生成，具体包括：

S103：以相机的最大视场角在标定板上投射一矩形区域，记录该区域中心点和顶点在标定板坐标系中的坐标；

S104：在标定板上方和下方一定距离处各选取一个平行平面，进行同样的投影，得到中心点和顶点在标定板坐标系中的坐标；

S105：随机生成这些点处的姿态；

S106：将所述坐标和姿态组合，得到生成的系列标定轨迹点；

S107：将所述生成的系列标定轨迹点从标定板坐标系变换到机器人基坐标系，即可得到可用于手眼标定的机器人轨迹点。

基于附图1所示的示例性标定系统，该标定轨迹生成步骤的优选示例如附图3和附图4所示，包括以下步骤：

(a)假设平面O_bX_bY_b内存在一个以O_b(记为P_1，0)为中心的矩形P_1，1P_1，2P_1，3P_1，4，同时轴Z_b上存在一个点O′_c，其中O_bO′_c的距离l_b通过近似测量相机到标定板中心的距离得到，面O′_cP_1，1P_1，2与面O′_cP_1，3P_1，4的夹角记为θ_x，近似认为等于相机在轴X_c方向上的视场角，同理面O′_cP_1，1P_1，4与面O′_cP_1，2P_1，3的夹角记为θ_y，近似认为等于相机在轴Y_c方向上的视场角，则可以求得该矩形区域中心点和4个顶点在标定板坐标系中的坐标P_1，j(0≤j≤4)：

(b)在矩形P_1，1P_1，2P_1，3P_1，4上下各Δl_b距离的位置，各取平行平面中的矩形P_0，1P_{0， 2}P_0，3P_0，4和P_2，1P_2，2P_2，3P_2，4，分别对应与Z_b轴的交点P_0，0和P_2，0，同理可求得所有点P_i，j(i∈{0，2}，0≤j≤4)在标定板坐标系中的坐标。其中，Δl_b大小由用户设定。

将所有15个点P_i，j(0≤i≤2，0≤j≤4)的坐标记为列向量t_i，j。

(c)由于任意一个欧拉角(θ_Rx，θ_Ry，θ_Rz)均可表示为一个3x3的旋转矩阵，随机生成15个欧拉角(θ_i，j，x，θ_i，j，y，θ_i，j，z)(0≤i≤2，0≤j≤4)，其中所有的角度θ∈[-θ_rand，θ_rand]，θ_rand为用户给定的随机范围，优选小于10°。由此可以得到15个旋转矩阵记为R_i，j。

(d)组合t_i，j和R_i，j得到15个随机姿态

即为生成的15个标定轨迹点。

(e)根据标定板坐标系到法兰坐标系

以及法兰坐标系到机器人基坐标系的变换

关系，将上述生成的15个标定轨迹点转换至机器人基坐标系

即可得到可用于手眼标定的机器人轨迹点。

根据示例性实施例的标定轨迹生成方法，通过1次标定，后续根据算法生成，即可得到可用于手眼标定的机器人轨迹点。与现有技术相比，本公开不仅简化了标定过程，减少了人工操作，而且得到的轨迹点空间位姿更均匀，有利于获得更好的标定效果。

上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (7)

1.一种用于手眼标定的机器人轨迹点生成方法，所用的系统包括固定于地面的机器人、通过连接件固定于机器人法兰末端的标定板、相机支架、以及通过相机支架固定于地面的相机，所述方法包括以下步骤：

移动机器人末端，将标定板移动至相机视野内的近似中心，调整标定板角度，使标定板与相机的三个坐标轴分别近似平行；

记录标定板坐标系与机器人基坐标系之间的变换关系；

以相机的最大视场角在标定板上投射一矩形区域，记录该区域中心点和顶点在标定板坐标系中的坐标；

在标定板上方和下方一定距离处各选取一个平行平面，进行同样的投影，得到中心点和顶点在标定板坐标系中的坐标；

随机生成这些点处的姿态；

将所述坐标和姿态组合，得到生成的系列标定轨迹点；

将所述生成的系列标定轨迹点从标定板坐标系变换到机器人基坐标系，即可得到可用于手眼标定的机器人轨迹点。

2.根据权利要求1所述的机器人轨迹点生成方法，其特征在于，所述记录当前标定板坐标系与机器人基坐标系之间的变换关系，包括以下步骤：

从机器人示教面板读出当前法兰坐标系到机器人基坐标系的变换关系

其中法兰坐标系为h，机器人基坐标系为r；

通过所述连接件的CAD模型，获得标定板坐标系与法兰坐标系之间的变换关系

其中标定板坐标系为b；

则从标定板坐标系到机器人基坐标系的变换关系为：

3.根据权利要求2所述的机器人轨迹点生成方法，其特征在于，所述以相机的最大视场角在标定板上投射的矩形区域中心点和顶点在标定板坐标系中的坐标为：

设相机在x和y轴方向的视场角分别为θ_x和θ_y，近似测量相机到标定板中心的距离l_b，则标定板上所述矩形区域中心点和4个顶点在标定板坐标系中的坐标P_1，j(0≤j≤4)为：

P_1，0(0，0，0)，

4.根据权利要求3所述的机器人轨迹点生成方法，其特征在于，随机生成这些点处的姿态的方法为：

随机生成15个欧拉角(θ_i，j，x，θ_i，j，y，θ_i，j，z)(0≤i≤2，0≤j≤4)，其中所有的角度θ∈[-θ_rand，θ_rand]，θ_rand为用户给定的随机范围；

任意一个欧拉角(θ_Rx，θ_Ry，θ_Rz)均可表示为一个3x3的旋转矩阵，由此可得到15个旋转矩阵记为R_i，j。

5.根据权利要求4所述的机器人轨迹点生成方法，其特征在于，所述θ_rand小于10°。

6.根据权利要求4所述的机器人轨迹点生成方法，其特征在于，将所述坐标和姿态组合，得到生成的系列标定轨迹点的方法为：

将所有15个点P_i，j(0≤i≤2，0≤j≤4)的坐标记为列向量t_i，j；

组合t_i，j和R_i，j得到15个随机姿态

即为所述生成的15个标定轨迹点。

7.根据权利要求6所述的机器人轨迹点生成方法，其特征在于，用以下公式将所述生成的系列标定轨迹点从标定板坐标系变换到机器人基坐标系：

得到的点即为所述可用于手眼标定的机器人轨迹点。

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