CN112907682B - 一种五轴运动平台的手眼标定方法、装置及相关设备 - Google Patents

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CN112907682B CN202110371601.3A CN202110371601A CN112907682B CN 112907682 B CN112907682 B CN 112907682B CN 202110371601 A CN202110371601 A CN 202110371601A CN 112907682 B CN112907682 B CN 112907682B
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Abstract

本申请公开了一种五轴运动平台的手眼标定方法，包括采集相机以当前位姿拍摄标定块时的示教器参数和旋转角度参数，并获取AC转台尺寸参数；利用示教器参数、旋转角度参数以及AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的第一转换关系；将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程，并求解手眼标定方程，获得涂胶针头坐标系到相机坐标系的第二转换关系；根据第一转换关系和第二转换关系计算获得相机坐标系到五轴基准坐标系的第三转换关系，实现手眼标定；该方法可以实现更为准确的五轴运动平台中的手眼标定，保证产品点胶质量。本申请还公开了一种五轴运动平台的手眼标定装置、设备及计算机可读存储介质，均具有上述有益效果。

Description

一种五轴运动平台的手眼标定方法、装置及相关设备
技术领域
本申请涉及计算机视觉测量技术领域，特别涉及一种五轴运动平台的手眼标定方法，还涉及一种五轴运动平台的手眼标定装置、设备及计算机可读存储介质。
背景技术
科技的日新月异带动消费类电子行业的迅猛发展，产品越来越小型化、轻量化和智能化，具有复杂曲面结构的零件，如智能手表、VR/AR眼镜、智能手机等中的金属零部件被广泛使用，这种零件的曲面形状以及几何轮廓的精度直接影响着产品的外观及工作性能。
五轴数控机床为复杂曲面零件高质量、高效的精密加工提供了有效手段，同时与3d相机集成，可以实现零件复杂曲面的在机精密测量，实现后续3d视觉引导进行涂胶、组装等工艺。因此，计算3d相机与五轴运动平台的精确位姿转换关系对复杂曲面零件的在机精密测量尤为重要。相关技术中，采用激光器发射激光或指示光，并通过三维振镜在工件上扫描激光线，从而利用三维结构光原理在线生成工件的三维形貌，在生成原位加工路径后进行激光原位三维加工，然而，该种实现方式对振镜的安装精度要求较为严格，但其安装过程却依赖于人工实现，导致了标定结果的不准确性。
因此，如何实现更为准确的五轴运动平台中的手眼标定，保证产品点胶质量是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种五轴运动平台的手眼标定方法，该五轴运动平台的手眼标定方法可以实现更为准确的五轴运动平台中的手眼标定，保证产品点胶质量；本申请的另一目的是提供一种五轴运动平台的手眼标定装置、设备及计算机可读存储介质，均具有上述有益效果。
第一方面，本申请提供了一种五轴运动平台的手眼标定方法，包括：
采集相机以当前位姿拍摄标定块时的示教器参数和旋转角度参数，并获取AC转台尺寸参数；
利用所述示教器参数、所述旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的第一转换关系；
将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程，并求解所述手眼标定方程，获得所述涂胶针头坐标系到相机坐标系的第二转换关系；
根据所述第一转换关系和所述第二转换关系计算获得所述相机坐标系到所述五轴基准坐标系的第三转换关系，实现手眼标定。
优选的，所述利用所述示教器参数、所述旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的第一转换关系，包括：
利用所述示教器参数和所述AC转台尺寸参数构建所述涂胶针头坐标系到AC转台坐标系的第四转换关系；
利用所述旋转角度参数构建所述AC转台坐标系到所述五轴基准坐标系的第五转换关系；
根据所述第四转换关系和所述第五转换关系计算获得所述第一转换关系。
优选的，所述将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程，并求解所述手眼标定方程，获得所述涂胶针头坐标系到所述相机坐标系的第二转换关系，包括：
将所述五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为所述手眼标定方程；
利用所述相机以第一位姿拍摄所述标定块时的第一示教器参数、第一旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数，构建所述涂胶针头坐标系到所述五轴基准坐标系的一次转换关系；
利用所述相机以第二位姿拍摄所述标定块时的第二示教器参数、第二旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数，构建所述涂胶针头坐标系到所述五轴基准坐标系的二次转换关系；
当所述相机以所述第一位姿拍摄所述标定块时，利用所述标定块中各特征点在所述相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得所述标定块坐标系到所述相机坐标系的一次转换关系；
当所述相机以所述第二位姿拍摄所述标定块时，利用所述标定块中各特征点在所述相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得所述标定块坐标系到所述相机坐标系的二次转换关系；
利用所述涂胶针头坐标系到所述五轴基准坐标系的一次转换关系和二次转换关系，以及所述标定块坐标系到所述相机坐标系的一次转换关系和二次转换关系求解所述手眼标定方程，获得所述第二转换关系。
优选的，所述利用所述标定块中各特征点在所述相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得所述标定块坐标系到所述相机坐标系的一次转换关系，包括：
利用间接平差函数对各所述特征点在所述相机坐标系下的坐标和在所述标定块坐标系下的坐标进行计算，获得所述标定块坐标系到所述相机坐标系的一次转换关系。
优选的，所述根据所述第一转换关系和所述第二转换关系计算获得所述相机坐标系到所述五轴基准坐标系的第三转换关系之后，还包括：
当所述相机以预设位姿拍摄所述标定块时，采集所述标定块中各特征点在所述相机坐标系下的特征点坐标；
利用所述第三转换关系对所述特征点坐标进行转换，获得重投影坐标；
根据各所述重投影坐标和各所述特征点对应的示教器坐标计算获得各所述特征点对应的重投影误差；
若所有所述重投影误差中的最大重投影误差不超出预设阈值，则输出标定成功提示。
第二方面，本申请还公开了一种五轴运动平台的手眼标定装置，包括：
参数采集模块，用于采集相机以当前位姿拍摄标定块时的示教器参数和旋转角度参数，并获取AC转台尺寸参数；
第一转换关系建立模块，用于利用所述示教器参数、所述旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的第一转换关系；
第二转换关系建立模块，用于将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程，并求解所述手眼标定方程，获得所述涂胶针头坐标系到相机坐标系的第二转换关系；
手眼标定模块，用于根据所述第一转换关系和所述第二转换关系计算获得所述相机坐标系到所述五轴基准坐标系的第三转换关系，实现手眼标定。
优选的，所述第一转换关系建立模块具体用于利用所述示教器参数和所述AC转台尺寸参数构建所述涂胶针头坐标系到AC转台坐标系的第四转换关系；利用所述旋转角度参数构建所述AC转台坐标系到所述五轴基准坐标系的第五转换关系；根据所述第四转换关系和所述第五转换关系计算获得所述第一转换关系。
优选的，所述手眼标定装置还包括：
误差判定模块，用于所述根据所述第一转换关系和所述第二转换关系计算获得所述相机坐标系到所述五轴基准坐标系的第三转换关系之后，当所述相机以预设位姿拍摄所述标定块时，采集所述标定块中各特征点在所述相机坐标系下的特征点坐标；利用所述第三转换关系对所述特征点坐标进行转换，获得重投影坐标；根据各所述重投影坐标和各所述特征点对应的示教器坐标计算获得各所述特征点对应的重投影误差；若所有所述重投影误差中的最大重投影误差不超出预设阈值，则输出标定成功提示。
第三方面，本申请还公开了一种五轴运动平台的手眼标定设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上所述的任一种五轴运动平台的手眼标定方法的步骤。
第四方面，本申请还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的任一种五轴运动平台的手眼标定方法的步骤。
本申请所提供的一种五轴运动平台的手眼标定方法，包括采集相机以当前位姿拍摄标定块时的示教器参数和旋转角度参数，并获取AC转台尺寸参数；利用所述示教器参数、所述旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的第一转换关系；将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程，并求解所述手眼标定方程，获得所述涂胶针头坐标系到相机坐标系的第二转换关系；根据所述第一转换关系和所述第二转换关系计算获得所述相机坐标系到所述五轴基准坐标系的第三转换关系，实现手眼标定。
可见，本申请所提供的五轴运动平台的手眼标定方法，通过五轴运动平台中各坐标系之间的转换关系实现五轴运动平台中的手眼标定，先将相机集成于五轴运动平台，将设计的带有特征点的标定块固定在五轴运动平台上，再通过计算涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的转换关系和涂胶针头坐标系到相机坐标系的转换关系，得到相机坐标系到五轴基准坐标系的转换关系，从而利用该转换关系实现五轴运动平台中的手眼标定，有效避免了人工操作，提高了手眼标定结果的准确性，进一步为产品点胶质量提供了保证。
本申请所提供的一种五轴运动平台的手眼标定装置、设备及计算机可读存储介质，均具有上述有益效果，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。
图1为本申请所提供的一种五轴运动平台的手眼标定方法的流程示意图；
图2为本申请所提供的另一种五轴运动平台的手眼标定方法的流程示意图；
图3为本申请所提供的一种五轴运动平台的结果示意图；
图4为本申请所提供的一种标定块的结构示意图；
图5为本申请所提供的一种五轴运动平台中各坐标系之间的转换关系图；
图6为本申请所提供的一种五轴运动平台的手眼标定装置的结构示意图；
图7为本申请所提供的一种五轴运动平台的手眼标定设备的结构示意图。
附图标记：1、相机；2、涂胶针头；3、标定块；4、Z轴；5、X轴；6、AC转台。
具体实施方式
本申请的核心是提供一种五轴运动平台的手眼标定方法，该五轴运动平台的手眼标定方法可以实现更为准确的五轴运动平台中的手眼标定，保证产品点胶质量；本申请的另一核心是提供一种五轴运动平台的手眼标定装置、设备及计算机可读存储介质，也具有上述有益效果。
为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，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做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。
请参考图1，图1为本申请所提供的一种五轴运动平台的手眼标定方法的流程示意图，该五轴运动平台的手眼标定方法可包括：
S101：采集相机以当前位姿拍摄标定块时的示教器参数和旋转角度参数，并获取AC转台尺寸参数；
本步骤旨在实现相关数据信息的采集，该数据信息可包括相机以当前位姿拍摄标定块时的示教器参数和旋转角度参数，以及AC转台尺寸参数。其中，示教器参数是指相机以当前位姿拍摄标定块时示教器所显示的参数信息，具体可包括关节坐标系到五轴基准坐标系初始位置分别在X轴、Y轴、Z轴的偏移量，涂胶针头在关节坐标系中的坐标等；旋转角度参数包括相机以当前位姿拍摄标定块时，该标定块分别绕A轴和C轴所旋转的角度；AC转台尺寸参数可以直接从转台尺寸说明中获得，具体可以为AC转台顶面圆心到AC转台坐标系原点的距离。
具体而言，首先将相机和标定块安装于五轴运动平台上，二者的具体安装位置不做限定，只需固定即可；进一步，当获取到手眼标定指令时，即可响应该指令进行上述各个数据参数的获取，以便进行后续相应坐标系之间的转换关系的构建。
S102：利用示教器参数、旋转角度参数以及AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的第一转换关系；
本步骤旨在实现涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系之间转换关系的构建，即构建上述第一转换关系，具体可利用基于S101所获取的各参数信息实现。其中，涂胶针头即为用于对产品进行涂胶的针头，涂胶针头坐标系即为以涂胶针头为基准所构建的坐标系；五轴基准坐标系即为以五轴运动平台为基准所构建的坐标系。
作为一种优选实施例，上述利用示教器参数、旋转角度参数以及AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的第一转换关系，可以包括：利用示教器参数和AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到AC转台坐标系的第四转换关系；利用旋转角度参数构建AC转台坐标系到五轴基准坐标系的第五转换关系；根据第四转换关系和第五转换关系计算获得第一转换关系。
本优选实施例提供了一种第一转换关系的构建方法，可利用坐标系之间的转换关系实现。具体而言，通过分析五轴运动平台的各轴之间的安装距离及工作路径，可以使用机器人运动学正解分析涂胶针头坐标系和五轴基准坐标系之间的转换关系，有涂胶针头坐标系和五轴基准坐标系之间的转换矩阵为涂胶针头坐标系和AC转台坐标系之间的转换矩阵点乘AC转台坐标系和五轴基准坐标系之间的转换矩阵。由此，可以先利用示教器参数和AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系与AC转台坐标系的转换矩阵，即上述第四转换关系，利用旋转角度参数构建AC转台坐标系与五轴基准坐标系的转换矩阵，即上述第五转换关系，由此，即可基于第四转换关系和第五转换关系计算获得上述第一转换关系。
S103：将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程，并求解手眼标定方程，获得涂胶针头坐标系到相机坐标系的第二转换关系；
本步骤旨在实现涂胶针头坐标系到相机坐标系之间转换关系的构建，即构建上述第二转换关系，具体可利用五轴运动平台中的坐标转换矩阵实现，其中，该坐标转换矩阵是指五轴运动平台中各坐标系之间的矩阵转换关系，所涉及到的坐标系可包括相机坐标系、五轴基准坐标系、涂胶针头坐标系、标定块坐标系以及AC转台坐标系等。在具体实现过程中，首先将五轴运动平台中的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程，即机器人手眼标定方程AX＝XB，由此，通过求解该手眼标定方程即可获得上述第二转换关系。
作为一种优选实施例，上述将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程，并求解手眼标定方程，获得涂胶针头坐标系到相机坐标系的第二转换关系，可以包括：将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程；利用相机以第一位姿拍摄标定块时的第一示教器参数、第一旋转角度参数以及AC转台尺寸参数，构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的一次转换关系；利用相机以第二位姿拍摄标定块时的第二示教器参数、第二旋转角度参数以及AC转台尺寸参数，构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的二次转换关系；当相机以第一位姿拍摄标定块时，利用标定块中各特征点在相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得标定块坐标系到相机坐标系的一次转换关系；当相机以第二位姿拍摄标定块时，利用标定块中各特征点在相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得标定块坐标系到相机坐标系的二次转换关系；利用涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的一次转换关系和二次转换关系，以及标定块坐标系到相机坐标系的一次转换关系和二次转换关系求解手眼标定方程，获得第二转换关系。
本优选实施例提供了一种第二转换关系的构建方法，同样可利用坐标系之间的转换关系实现。具体而言，首先采集相机以两种不同位姿拍摄标定块时的点云图像以及相应的示教器参数、旋转角度参数、AC转台尺寸参数，进而利用点云图像计算标定块中各特征点分别在相机坐标系下和标定块坐标系下的坐标，由此，即可基于以上这些数据信息计算获得两种不同位姿下涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的转换关系和标定块坐标系到相机坐标系的转换关系；进一步，基于这些坐标系之间的转换关系对手眼标定方程进行求解，即可获得上述第二转换关系。
作为一种优选实施例，上述利用标定块中各特征点在相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得标定块坐标系到相机坐标系的一次转换关系，可以包括：利用间接平差函数对各特征点在相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标进行计算，获得标定块坐标系到相机坐标系的一次转换关系。
本优选实施例提供了一种标定块坐标系到相机坐标系之间转换关系的计算方法，即基于间接平差函数实现，可以实现上述标定块坐标系到相机坐标系的一次转换关系和二次转换关系的获取。具体的，以一次转换关系为例，可以将标定块坐标系下的特征点集和相机坐标系下的特征点集代入间接平差函数模型，从而实现两坐标系转换关系的计算。其中，标定块坐标系与相机坐标系之间的转换关系具体可以为转换矩阵，该转换矩阵包括旋转矩阵和平移矩阵，为避免出现万向锁的问题，旋转矩阵具体可以采用四元数表示。
S104：根据第一转换关系和第二转换关系计算获得相机坐标系到五轴基准坐标系的第三转换关系，实现手眼标定。
本步骤旨在实现相机坐标系到五轴基准坐标系之间转换关系的构建，即构建上述第三转换关系。具体而言，前述已经基于S102已经获得涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的转换关系，基于S103已经获得涂胶针头坐标系到相机坐标系的转换关系，由此，通过涂胶针头坐标系分别与五轴基准坐标系和相机坐标系的转换关系，即可得到相机坐标系与五轴基准坐标系之间的转换关系，即上述第三转换关系，从而利用该第三转换关系实现五轴运动平台中的手眼标定。
作为一种优选实施例，上述根据第一转换关系和第二转换关系计算获得相机坐标系到五轴基准坐标系的第三转换关系之后，还可以包括：当相机以预设位姿拍摄标定块时，采集标定块中各特征点在相机坐标系下的特征点坐标；利用第三转换关系对特征点坐标进行转换，获得重投影坐标；根据各重投影坐标和各特征点对应的示教器坐标计算获得各特征点对应的重投影误差；若所有重投影误差中的最大重投影误差不超出预设阈值，则输出标定成功提示。
为进一步保证手眼标定结果的准确性，在获得相机坐标系与五轴基准坐标系之间的转换关系之后，还可以对该转换关系进行误差计算，以获得更为准确的转换关系。具体而言，首先设定相机拍摄标定块的位姿，该位姿可以为任意位姿；进一步，采集相机以预设位姿拍摄标定块时，标定块中各特征点在相机坐标系下的坐标信息，即上述特征点坐标，进而利用基于S104获得的第三转换关系对特征点坐标进行转换，获得相应的重投影坐标，由此，即可利用特征点对应的示教器坐标(示教器中所显示的真实坐标)和重投影坐标计算获得二者之间的距离，即重投影误差；进一步，从所有重投影误差中找出取值最大的重投影误差，即上述最大重投影误差，若该最大重投影误差的取值不超出预设阈值，则说明该转换关系准确，可以基于该转换关系进行后续手眼标定步骤，反之则说明上述转换关系不准确，需要重新计算该转换关系，直至获得最大重投影误差不超出预设阈值的转换关系。当然，上述预设阈值的具体取值并不唯一，由技术人员根据实际情况进行设定即可，本申请对此不做限定。
可见，本申请所提供的五轴运动平台的手眼标定方法，通过五轴运动平台中各坐标系之间的转换关系实现五轴运动平台中的手眼标定，先将相机集成于五轴运动平台，将设计的带有特征点的标定块固定在五轴运动平台上，再通过计算涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的转换关系和涂胶针头坐标系到相机坐标系的转换关系，得到相机坐标系到五轴基准坐标系的转换关系，从而利用该转换关系实现五轴运动平台中的手眼标定，有效避免了人工操作，提高了手眼标定结果的准确性，进一步为产品点胶质量提供了保证。
本申请实施例提供了另一种五轴运动平台的手眼标定方法，该实施例以五轴点胶平台中的手眼标定为例，对本申请所提出的五轴运动平台的手眼标定方法进行具体介绍。
请参考图2，图2为本申请所提供的另一种五轴运动平台的手眼标定方法的流程示意图，其具体实现流程如下：
1、相机与标定块安装：
请参考图3，图3为本申请所提供的一种五轴运动平台的结果示意图，根据五轴运动平台的实际运动方式，整理需要使用的坐标系：将相机1和涂胶针头2固定安装在五轴运动平台的X轴5、Z轴4安装板上，不限定安装位置，只需固定即可，两者之间的转换矩阵固定不变，是手眼标定的计算结果；AC转台坐标系原点位于AC转台6两个旋转轴的交点，轴的方向与涂胶针头2平行，且只有平移的转换关系；五轴基准坐标系原点位于AC转台6的顶面圆心，AC转台坐标系与五轴基准坐标系初始位置轴的方向平行，只有Z方向上的平移，转台转动后，五轴基准坐标系沿AC转台坐标系X轴方向进行旋转轴A轴的旋转，沿AC转台坐标系Z轴方向进行旋转轴C轴的旋转；标定块3(如图4所示，图4为本申请所提供的一种标定块的结构示意图)安装在五轴基准坐标系上，不限定安装位置，只需固定即可，因此标定块坐标系到五轴基准坐标系的转换关系固定不变。
2、分接五轴坐标系，建立手眼标定关系：
请参考图5，图5为本申请所提供的一种五轴运动平台中各坐标系之间的转换关系图，五轴运动平台通过调整合适的位姿，使用相机1拍摄标定块3，坐标系之间的转换矩阵存在如下转换关系：
Figure BDA0003009506100000101
其中，T表示两个坐标系之间的转换关系，b代表五轴基准坐标系base，t代表标定块坐标系target，r代表AC转台坐标系rotate，n代表涂胶针头坐标系needle，c代表相机坐标系camera。由此，
Figure BDA0003009506100000111
是标定块坐标系到五轴基准坐标系的转换关系，
Figure BDA0003009506100000112
是AC转台坐标系到五轴基准坐标系的转换关系，
Figure BDA0003009506100000113
是涂胶针头坐标系到AC转台坐标系的转换关系，
Figure BDA0003009506100000114
是相机坐标系到涂胶针头坐标系的转换关系，
Figure BDA0003009506100000115
是标定块坐标系到相机坐标系的转换关系。
将五轴运动平台移动到另一位姿拍摄，由于标定块3与转台6固定，标定块坐标系到五轴基准坐标的转换关系不变，因此两次拍摄的转换关系如下：
Figure BDA0003009506100000116
其中，(1)表示第一次拍摄位姿时刻的转换关系，(2)表示第二次拍摄位姿时刻的转换关系。由于两次拍摄相机坐标系与涂胶针头坐标系的转换关系
Figure BDA0003009506100000117
不变，将上述等式两边同时左乘
Figure BDA0003009506100000118
并且同时右乘
Figure BDA0003009506100000119
可以得到：
Figure BDA00030095061000001110
由此，转换为机器人手眼标定方程AX＝XB问题的求解，通过计算
Figure BDA00030095061000001111
和
Figure BDA00030095061000001112
即可通过Tsai对AX＝XB问题的求解方式得到
Figure BDA00030095061000001113
3、标定块坐标系与相机坐标系之间转换关系求解：
相机1在每次拍摄标定块3时，标定块坐标系中的特征点在相机坐标系中对应的特征点具有唯一的刚性转换关系，即：
Figure BDA00030095061000001114
其中，P代表相机坐标系中特征点的坐标，Pt代表标定块坐标系中特征点的坐标。
Figure BDA00030095061000001115
为齐次矩阵，由旋转矩阵和平移矩阵组成。由于旋转矩阵的正交特性及避免万向锁问题，可以选用四元数表示该旋转矩阵，其中，四元数是由实数加上三个虚数单位i、j、k组成，且具有如下关系：i2＝j2＝k2＝-1，每个四元数均为1、i、j、k的线性组合，即四元数一般可以表示为aa+bbi+ccj+ddk，aa、bb、cc、dd均为实数。由此，将标定块坐标系与相机坐标系之间的旋转矩阵用四元数表示为：R(aa,bb,cc,dd)，平移向量表示为：(t1,t2,t3)，其中t1、t2、t3是平移向量在X轴、Y轴、Z轴方向上的三个分量，则标定块坐标系与相机坐标系之间的转换关系可以表示为：
Figure BDA0003009506100000121
由于旋转矩阵具有aa2+bb2+cc2+dd2-1＝0的限制条件，即四元数的模为1，因此，可以使用附有限制条件的间接平差函数模型：
Figure BDA0003009506100000122
由此，即可根据该函数模型求得变量
Figure BDA0003009506100000123
的值，从而获得标定块坐标系与相机坐标系之间转换关系
Figure BDA0003009506100000124
4、五轴本体涂胶针头和五轴基准坐标系的转换矩阵：
通过分析五轴运动平台的各轴之间的安装距离及工作路径，使用机器人运动学正解进行分析涂胶针头坐标系和五轴基准坐标系之间的转换关系，即
Figure BDA0003009506100000125
(1)涂胶针头坐标系到AC转台坐标系的转换关系
Figure BDA0003009506100000126
只有平移，没有旋转，因此，可以通过五轴运动平台示教器显示的涂胶针头坐标和五轴的本体标定参数求得，即：
Figure BDA0003009506100000127
其中，EX、EY、EZ分别表示在五轴组装完成时，通过九点标定获得的示教器显示的关节坐标系到五轴基准坐标系初始位置在X轴、Y轴、Z轴方向的偏移量；(ΔXj,ΔYj,ΔZj)表示涂胶针头在关节坐标系中的坐标，可通过示教器获得；offset表示AC转台顶面圆心到AC转台坐标系原点的距离，为Z轴方向的高度，可以通过转台尺寸说明获得。
(2)AC转台坐标系到五轴基准坐标系之间的转换关系
Figure BDA0003009506100000129
由A轴旋转和C轴旋转两部分组成，即：
Figure BDA0003009506100000128
其中，*右边是绕A轴旋转的转换矩阵，sinA和cosA分别为绕A轴旋转角度的正弦值和余弦值；*左边是绕C轴旋转的转换矩阵，sinC和cosC分别为绕C轴旋转角度的正弦值和余弦值。
5、相机与五轴基准坐标系关系求解：
通过计算涂胶针头坐标系和五轴基准坐标系的转换矩阵，及标定块坐标系与相机坐标系之间转换矩阵，即可参考Tsai对于AX＝XB问题的解决方法求得相机坐标系与涂胶针头坐标系的转换关系。进一步，相机1在五轴运动平台上固定后，相机1与涂胶针头2的相对位置不再改变，经过手眼标定后，五轴运动平台移动至任意位姿，通过
Figure BDA0003009506100000131
即可计算获得该位姿下相机坐标系与五轴基准坐标系的转换关系。
6、计算重投影误差：
相机拍摄五轴运动平台任意位姿下的标定块，根据标定块的特征点在相机坐标系中的坐标，结合第5步获得的相机坐标系与五轴基准坐标系的转换关系，将特征点坐标转换到五轴基准坐标系下，与人工示教的对应的点的真实坐标相比，获得重投影误差Error。如果所有重投影误差中的最大值小于预设阈值，则表示标定成功；反之则表示标定失败，重新进行标定即可。
可见，本申请实施例所提供的五轴运动平台的手眼标定方法，通过五轴运动平台中各坐标系之间的转换关系实现五轴运动平台中的手眼标定，先将相机集成于五轴运动平台，将设计的带有特征点的标定块固定在五轴运动平台上，再通过计算涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的转换关系和涂胶针头坐标系到相机坐标系的转换关系，得到相机坐标系到五轴基准坐标系的转换关系，从而利用该转换关系实现五轴运动平台中的手眼标定，有效避免了人工操作，提高了手眼标定结果的准确性，进一步为产品点胶质量提供了保证。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种五轴运动平台的手眼标定装置，请参考图6，图6为本申请所提供的一种五轴运动平台的手眼标定装置的结构示意图，该五轴运动平台的手眼标定装置可包括：
参数采集模块100，用于采集相机以当前位姿拍摄标定块时的示教器参数和旋转角度参数，并获取AC转台尺寸参数；
第一转换关系建立模块200，用于利用示教器参数、旋转角度参数以及AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的第一转换关系；
第二转换关系建立模块300，用于将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程，并求解手眼标定方程，获得涂胶针头坐标系到相机坐标系的第二转换关系；
手眼标定模块400，用于根据第一转换关系和第二转换关系计算获得相机坐标系到五轴基准坐标系的第三转换关系，实现手眼标定。
可见，本申请实施例所提供的五轴运动平台的手眼标定装置，通过五轴运动平台中各坐标系之间的转换关系实现五轴运动平台中的手眼标定，先将相机集成于五轴运动平台，将设计的带有特征点的标定块固定在五轴运动平台上，再通过计算涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的转换关系和涂胶针头坐标系到相机坐标系的转换关系，得到相机坐标系到五轴基准坐标系的转换关系，从而利用该转换关系实现五轴运动平台中的手眼标定，有效避免了人工操作，提高了手眼标定结果的准确性，进一步为产品点胶质量提供了保证。
作为一种优选实施例，上述第一转换关系建立模块200可具体用于利用示教器参数和AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到AC转台坐标系的第四转换关系；利用旋转角度参数构建AC转台坐标系到五轴基准坐标系的第五转换关系；根据第四转换关系和第五转换关系计算获得第一转换关系。
作为一种优选实施例，上述第二转换关系建立模块300可包括：
矩阵转换单元，用于将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程；
第一建立单元，用于利用相机以第一位姿拍摄标定块时的第一示教器参数、第一旋转角度参数以及AC转台尺寸参数，构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的一次转换关系；
第二建立单元，用于利用相机以第二位姿拍摄标定块时的第二示教器参数、第二旋转角度参数以及AC转台尺寸参数，构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的二次转换关系；
第三建立单元，用于当相机以第一位姿拍摄标定块时，利用标定块中各特征点在相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得标定块坐标系到相机坐标系的一次转换关系；
第四建立单元，用于当相机以第二位姿拍摄标定块时，利用标定块中各特征点在相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得标定块坐标系到相机坐标系的二次转换关系；
方程求解单元，用于利用涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的一次转换关系和二次转换关系，以及标定块坐标系到相机坐标系的一次转换关系和二次转换关系求解手眼标定方程，获得第二转换关系。
作为一种优选实施例，上述第三建立单元可具体用于利用间接平差函数对各特征点在相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标进行计算，获得标定块坐标系到相机坐标系的一次转换关系。
作为一种优选实施例，该手眼标定装置还可以包括误差判定模块，用于根据第一转换关系和第二转换关系计算获得相机坐标系到五轴基准坐标系的第三转换关系之后，当相机以预设位姿拍摄标定块时，采集标定块中各特征点在相机坐标系下的特征点坐标；利用第三转换关系对特征点坐标进行转换，获得重投影坐标；根据各重投影坐标和各特征点对应的示教器坐标计算获得各特征点对应的重投影误差；若所有重投影误差中的最大重投影误差不超出预设阈值，则输出标定成功提示。
对于本申请提供的装置的介绍请参照上述方法实施例，本申请在此不做赘述。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种五轴运动平台的手眼标定设备，请参考图7，图7为本申请所提供的一种五轴运动平台的手眼标定设备的结构示意图，该五轴运动平台的手眼标定设备可包括：
存储器10，用于存储计算机程序；
处理器20，用于执行计算机程序时可实现如上述任意一种五轴运动平台的手眼标定方法的步骤。
对于本申请提供的设备的介绍请参照上述方法实施例，本申请在此不做赘述。
为解决上述问题，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时可实现如上述任意一种五轴运动平台的手眼标定方法的步骤。
该计算机可读存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
对于本申请提供的计算机可读存储介质的介绍请参照上述方法实施例，本申请在此不做赘述。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请的保护范围内。

Claims (9)

1.一种五轴运动平台的手眼标定方法，其特征在于，包括：
采集相机以当前位姿拍摄标定块时的示教器参数和旋转角度参数，并获取AC转台尺寸参数；
利用所述示教器参数、所述旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的第一转换关系；
将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程，并求解所述手眼标定方程，获得所述涂胶针头坐标系到相机坐标系的第二转换关系；
根据所述第一转换关系和所述第二转换关系计算获得所述相机坐标系到所述五轴基准坐标系的第三转换关系，实现手眼标定；
其中，所述将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程，并求解所述手眼标定方程，获得所述涂胶针头坐标系到所述相机坐标系的第二转换关系，包括：
将所述五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为所述手眼标定方程；
利用所述相机以第一位姿拍摄所述标定块时的第一示教器参数、第一旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数，构建所述涂胶针头坐标系到所述五轴基准坐标系的一次转换关系；
利用所述相机以第二位姿拍摄所述标定块时的第二示教器参数、第二旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数，构建所述涂胶针头坐标系到所述五轴基准坐标系的二次转换关系；
当所述相机以所述第一位姿拍摄所述标定块时，利用所述标定块中各特征点在所述相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得所述标定块坐标系到所述相机坐标系的一次转换关系；
当所述相机以所述第二位姿拍摄所述标定块时，利用所述标定块中各特征点在所述相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得所述标定块坐标系到所述相机坐标系的二次转换关系；
利用所述涂胶针头坐标系到所述五轴基准坐标系的一次转换关系和二次转换关系，以及所述标定块坐标系到所述相机坐标系的一次转换关系和二次转换关系求解所述手眼标定方程，获得所述第二转换关系。
2.根据权利要求1所述的手眼标定方法，其特征在于，所述利用所述示教器参数、所述旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的第一转换关系，包括：
利用所述示教器参数和所述AC转台尺寸参数构建所述涂胶针头坐标系到AC转台坐标系的第四转换关系；
利用所述旋转角度参数构建所述AC转台坐标系到所述五轴基准坐标系的第五转换关系；
根据所述第四转换关系和所述第五转换关系计算获得所述第一转换关系。
3.根据权利要求1所述的手眼标定方法，其特征在于，所述利用所述标定块中各特征点在所述相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得所述标定块坐标系到所述相机坐标系的一次转换关系，包括：
利用间接平差函数对各所述特征点在所述相机坐标系下的坐标和在所述标定块坐标系下的坐标进行计算，获得所述标定块坐标系到所述相机坐标系的一次转换关系。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的手眼标定方法，其特征在于，所述根据所述第一转换关系和所述第二转换关系计算获得所述相机坐标系到所述五轴基准坐标系的第三转换关系之后，还包括：
当所述相机以预设位姿拍摄所述标定块时，采集所述标定块中各特征点在所述相机坐标系下的特征点坐标；
利用所述第三转换关系对所述特征点坐标进行转换，获得重投影坐标；
根据各所述重投影坐标和各所述特征点对应的示教器坐标计算获得各所述特征点对应的重投影误差；
若所有所述重投影误差中的最大重投影误差不超出预设阈值，则输出标定成功提示。
5.一种五轴运动平台的手眼标定装置，其特征在于，包括：
参数采集模块，用于采集相机以当前位姿拍摄标定块时的示教器参数和旋转角度参数，并获取AC转台尺寸参数；
第一转换关系建立模块，用于利用所述示教器参数、所述旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数构建涂胶针头坐标系到五轴基准坐标系的第一转换关系；
第二转换关系建立模块，用于将五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为手眼标定方程，并求解所述手眼标定方程，获得所述涂胶针头坐标系到相机坐标系的第二转换关系；
手眼标定模块，用于根据所述第一转换关系和所述第二转换关系计算获得所述相机坐标系到所述五轴基准坐标系的第三转换关系，实现手眼标定；
其中，所述第二转换关系建立模块具体用于将所述五轴运动平台的坐标转换矩阵转换为所述手眼标定方程；利用所述相机以第一位姿拍摄所述标定块时的第一示教器参数、第一旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数，构建所述涂胶针头坐标系到所述五轴基准坐标系的一次转换关系；利用所述相机以第二位姿拍摄所述标定块时的第二示教器参数、第二旋转角度参数以及所述AC转台尺寸参数，构建所述涂胶针头坐标系到所述五轴基准坐标系的二次转换关系；当所述相机以所述第一位姿拍摄所述标定块时，利用所述标定块中各特征点在所述相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得所述标定块坐标系到所述相机坐标系的一次转换关系；当所述相机以所述第二位姿拍摄所述标定块时，利用所述标定块中各特征点在所述相机坐标系下的坐标和在标定块坐标系下的坐标计算获得所述标定块坐标系到所述相机坐标系的二次转换关系；利用所述涂胶针头坐标系到所述五轴基准坐标系的一次转换关系和二次转换关系，以及所述标定块坐标系到所述相机坐标系的一次转换关系和二次转换关系求解所述手眼标定方程，获得所述第二转换关系。
6.根据权利要求5所述的手眼标定装置，其特征在于，所述第一转换关系建立模块具体用于利用所述示教器参数和所述AC转台尺寸参数构建所述涂胶针头坐标系到AC转台坐标系的第四转换关系；利用所述旋转角度参数构建所述AC转台坐标系到所述五轴基准坐标系的第五转换关系；根据所述第四转换关系和所述第五转换关系计算获得所述第一转换关系。
7.根据权利要求5或6所述的手眼标定装置，其特征在于，还包括：
误差判定模块，用于所述根据所述第一转换关系和所述第二转换关系计算获得所述相机坐标系到所述五轴基准坐标系的第三转换关系之后，当所述相机以预设位姿拍摄所述标定块时，采集所述标定块中各特征点在所述相机坐标系下的特征点坐标；利用所述第三转换关系对所述特征点坐标进行转换，获得重投影坐标；根据各所述重投影坐标和各所述特征点对应的示教器坐标计算获得各所述特征点对应的重投影误差；若所有所述重投影误差中的最大重投影误差不超出预设阈值，则输出标定成功提示。
8.一种五轴运动平台的手眼标定设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述的五轴运动平台的手眼标定方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述的五轴运动平台的手眼标定方法的步骤。
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