CN113211431A - 基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，获取机器人系统在世界坐标系中的位置信息；获取机器人系统工具端在机器人基坐标系下的位姿；获取地面定位修正二维码图像信息；计算出机器人系统实际位置与机器人示教位置的转换矩阵；利用转换矩阵对工件坐标系进行转换，生成新的工件坐标系；将示教位姿都转换到新的工件坐标系中；按照新的工件坐标系，移动机器人系统，到达修正后的目标位置。本发明能使机器人系统的各个部分达到高精度定位，修正机器人系统的位姿偏差，能令精度达到0.5mm。

Description

基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法
技术领域
本发明涉及机器人应用技术领域，具体涉及一种基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法。
背景技术
传统的机器人系统仅仅会对机器人基座中心或者底座中心进行定位修正，由于机器人系统的工作位置为机器人手臂的末端工具，末端工具与机器人系统的底座中心间会有很大的水平距离，这样在底座中心的很小的一个角度偏差，例如0.2°，就会导致在机器人手臂的末端工具上出现极大的水平移动量偏差(臂长1.8米时约100mm)，使得机器人系统在工作区域无法进行准确的定位，机器人手臂的所有操作将会失去精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，消除工具端出现的误差，提高整个系统的精度。
本发明所采用的技术方案为：
基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
S1、获取机器人系统在世界坐标系中的位置信息；
S2、获取机器人系统工具端在机器人基坐标系下的位姿；
S3、获取地面定位修正二维码图像信息；
S4、计算出机器人系统实际位置与机器人示教位置的转换矩阵；
S5、利用转换矩阵对工件坐标系进行转换，生成新的工件坐标系；
S6、将示教位姿都转换到新的工件坐标系中；
S7、按照新的工件坐标系，移动机器人系统的工具端，到达修正后的目标位置。
S2中，在通过机器人控制器获取机器人系统工具端在机器人基坐标系下的位姿之前，对机器人末端工具TCP坐标进行XYZ4点标定，将标定后的结果设定于机器人控制器中，令机器人控制器能直接控制机器人末端工具的目标位姿。
S3中，在获取定位修正二维码图像信息之前，使用机器人示教器通过示教将机器人视觉移动到最佳的拍照位姿，到达最佳拍照位姿后，调整机器人视觉焦距和光圈，使图像信息清晰不失真，将示教程序与相机参数进行存储。
S3中，在获取定位修正二维码图像信息之前，在被测物附近地面贴设标定二维码，码制为Data Matrix ECC 200。
示教过程中，在机器人基坐标系下的转换关系为：
BaseHAPoint＝BaseHEnd·EndHTool·ToolHCamera·CameraHCal·CalHAPoint (1)
其中：
BaseHAPoint为目标点在基坐标系下的位姿；
Base为机器人基坐标系原点；
APoint为目标点；
End为机器人末端法兰盘中心点；
Tool为机器人设定工具端末端点；
Camera为机器人视觉系统像素坐标系原点对应的实际点；
Cal为标定二维码中心点。
运行过程中，在机器人基坐标系下的转换关系为：
Base'HAPoint'＝Base'HEnd'·End'HTool'·Tool'HCamera'·Camera'HCal·CalHAPoint (2)
其中：
Base＇为运行时机器人基坐标系原点在世界坐标系下；
End＇为运行时机器人末端法兰盘中心点在世界坐标系下；
Tool＇为运行时机器人设定工具端末端点在世界坐标系下；
Camera＇为机器人视觉系统像素坐标系原点对应的实际点。
由式(1)得
CalHAPoint＝(CameraHCal)-1·(ToolHCamera)-1·(EndHTool)-1·(BaseHEnd)-1·BaseHAPoint (3)
将式(3)带入式(2)得：
Figure BDA0003023836540000031
化简得：
Base'HAPoint'＝Base'HCamera'·Camera'HCal·(CameraHCal)-1·(BaseHCamera)-1·BaseHAPoint (5)
示教过程中，通过模型匹配算法识别标定二维码，并得到(CameraHCal)-1；
示教过程中，由于(BaseHCamera)-1＝(ToolHCamera)-1·(EndHTool)-1·(BaseHEnd)-1，(ToolHCamera)-1通过eye in hand手眼标定获得，(EndHTool)-1通过机器手臂XYZ4点标定法获得，(BaseHEnd)-1通过机器手臂控制器直接获得。
运行过程中，通过模型匹配算法识别标定二维码，并得到Camera'HCal，Base'HCamera'为当前相机拍照位置相对于基坐标系的位姿。
本发明具有以下优点：
本发明使用机器人系统的机器手臂末端视觉设备，采集工作区标定二维码，计算标定二维码与视觉设备之间的转换矩阵，利用转换矩阵反推整个机器人系统，对机器人系统及机器人末端工具的当前位姿进行修正，使机器人系统的各个部分达到高精度定位，修正机器人系统的位姿偏差，能令精度达到0.5mm。
本发明通过计算出机器人系统实际位置与机器人示教位置的转换矩阵；结合转换矩阵对工件坐标系进行转换，生成新的工件坐标系；以此达到避障功能，并将机器人位姿转化成实际操作位姿。
附图说明
图1为机器人系统示意图。
图2为机器人系统行进路线图。
图3为机器人转化矩阵示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及一种基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，所述机器人系统具有机器人行走部分、机器人控制部分、机器人手臂部分和机器人视觉部分。需要指出的是，本发明适用于所有带有机器视觉的机器人系统，下面所述的机器人系统，只是为了说明本发明的工作流程与工作原理。机器人行走部分为AGV车，拥有水平方向移动，水平方向旋转的能力。机器人手臂部分为6轴机器手臂，机器人手臂拥有多自由度。机器人视觉部分为工业相机或双目相机等视觉设备，安装在机器人手臂末端，相对于末端固定，采用eye-in-hand的工作模式。
所述方法包括以下步骤：
S1、获取机器人系统在世界坐标系中的位置信息；
S2、获取机器人系统工具端在机器人基坐标系下的位姿；
S3、获取地面定位修正二维码图像信息；
S4、计算出机器人系统实际位置与机器人示教位置的转换矩阵；
S5、利用转换矩阵对工件坐标系进行转换，生成新的工件坐标系；
S6、将示教位姿都转换到新的工件坐标系中；
S7、按照新的工件坐标系，移动机器人系统，到达修正后的目标位置。
本发明通过机器人行走部分获得机器人系统在世界坐标系中的位姿，此行走部分及AGV水平移动精度10mm，水平方向旋转精度1°。行走部分本身的精度较低，不足以满足机器人系统工作的精度要求，同时，如果将机器臂伸出工作时，机器臂工具末端的精度偏差将会降低到100mm，因此，本发明能解决上述问题，修正机器人系统的位姿偏差，使精度达到0.5mm。
S2中，在通过机器人控制器获取机器人系统工具端在机器人基坐标系下的位姿之前，对机器人末端工具TCP(工具中心点)坐标进行XYZ4点标定，将标定后的结果设定于机器人控制器中，令机器人控制器能直接控制机器人末端工具的目标位姿。
S3中，在获取定位修正二维码图像信息之前，使用机器人示教器通过示教将机器人视觉移动到最佳的拍照位姿，到达最佳拍照位姿后，调整机器人视觉焦距和光圈，使图像信息清晰不失真，将示教程序与相机参数进行存储。
S3中，在获取定位修正二维码图像信息之前，在被测物(机器人工具端操作的目标，即示教的目标)附近地面贴设标定二维码，码制为Data Matrix ECC 200。其不仅拥有码密度高，尺寸小，信息量大的优点，还采用了复杂的纠错码技术，使得该编码具有超强的抗污染能力。
示教过程中，在机器人基坐标系下的转换关系为：
BaseHAPoint＝BaseHEnd·EndHTool·ToolHCamera·CameraHCal·CalHAPoint (1)
其中：
BaseHAPoint为目标点在基坐标系下的位姿；
Base为机器人基坐标系原点；
APoint为目标点；
End为机器人末端法兰盘中心点；
Tool为机器人设定工具端末端点；
Camera为机器人视觉系统像素坐标系原点对应的实际点；
Cal为标定二维码中心点。
运行过程中，在机器人基坐标系下的转换关系为：
Base'HAPoint'＝Base'HEnd'·End'HTool'·Tool'HCamera'·Camera'HCal·CalHAPoint (2)
其中：
Base＇为运行时机器人基坐标系原点在世界坐标系下(S1)；
End＇为运行时机器人末端法兰盘中心点在世界坐标系下；
Tool＇为运行时机器人设定工具端末端点在世界坐标系下(S2)；
Camera＇为机器人视觉系统像素坐标系原点对应的实际点(S3)。
由式(1)得：(S4)
CalHAPoint＝(CameraHCal)-1·(ToolHCamera)-1·(EndHTool)-1·(BaseHEnd)-1·BaseHAPoint (3)
将式(3)带入式(2)得：(S5)
Figure BDA0003023836540000071
化简得：(S6)
Base'HAPoint'＝Base'HCamera'·Camera'HCal·(CameraHCal)-1·(BaseHCamera)-1·BaseHAPoint (5)
示教过程中，通过模型匹配算法识别标定二维码，并得到(CameraHCal)-1；
示教过程中，由于(BaseHCamera)-1＝(ToolHCamera)-1·(EndHTool)-1·(BaseHEnd)-1，(ToolHCamera)-1通过eye in hand手眼标定获得，(EndHTool)-1通过机器手臂XYZ4点标定法获得，(BaseHEnd)-1通过机器手臂控制器直接获得。
运行过程中，通过模型匹配算法识别标定二维码，并得到Camera'HCal，Base'HCamera'为当前相机拍照位置相对于基坐标系的位姿。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
S1、获取机器人系统在世界坐标系中的位置信息；
S2、获取机器人系统工具端在机器人基坐标系下的位姿；
S3、获取地面定位修正二维码图像信息；
S4、计算出机器人系统实际位置与机器人示教位置的转换矩阵；
S5、利用转换矩阵对工件坐标系进行转换，生成新的工件坐标系；
S6、将示教位姿都转换到新的工件坐标系中；
S7、按照新的工件坐标系，移动机器人系统的工具端，到达修正后的目标位置。
2.根据权利要求1所述的基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，其特征在于：
S2中，在通过机器人控制器获取机器人系统工具端在机器人基坐标系下的位姿之前，对机器人末端工具TCP坐标进行XYZ4点标定，将标定后的结果设定于机器人控制器中，令机器人控制器能直接控制机器人末端工具的目标位姿。
3.根据权利要求2所述的基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，其特征在于：
S3中，在获取定位修正二维码图像信息之前，使用机器人示教器通过示教将机器人视觉移动到最佳的拍照位姿，到达最佳拍照位姿后，调整机器人视觉焦距和光圈，使图像信息清晰不失真，将示教程序与相机参数进行存储。
4.根据权利要求3所述的基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，其特征在于：
S3中，在获取定位修正二维码图像信息之前，在被测物附近地面贴设标定二维码，码制为Data Matrix ECC 200。
5.根据权利要求4所述的基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，其特征在于：
示教过程中，在机器人基坐标系下的转换关系为：
BaseHAPoint＝BaseHEnd·EndHTool·ToolHCamera·CameraHCal·CalHAPoint (1)
其中：
BaseHAPoint为目标点在基坐标系下的位姿；
Base为机器人基坐标系原点；
APoint为目标点；
End为机器人末端法兰盘中心点；
Tool为机器人设定工具端末端点；
Camera为机器人视觉系统像素坐标系原点对应的实际点；
Cal为标定二维码中心点。
6.根据权利要求5所述的基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，其特征在于：
运行过程中，在机器人基坐标系下的转换关系为：
Base'HAPoint'＝Base'HEnd'·End'HTool'·Tool'HCamera'·Camera'HCal·CalHAPoint (2)
其中：
Base＇为运行时机器人基坐标系原点在世界坐标系下；
End＇为运行时机器人末端法兰盘中心点在世界坐标系下；
Tool＇为运行时机器人设定工具端末端点在世界坐标系下；
Camera＇为机器人视觉系统像素坐标系原点对应的实际点。
7.根据权利要求6所述的基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，其特征在于：
由式(1)得
CalHAPoint＝(CameraHCal)-1·(ToolHCamera)-1·(EndHTool)-1·(BaseHEnd)-1·BaseHAPoint (3)
将式(3)带入式(2)得：
Figure FDA0003023836530000031
化简得：
Base'HAPoint'＝Base'HCamera'·Camera'HCal·(CameraHCal)-1·(BaseHCamera)-1·BaseHAPoint (5)
8.根据权利要求7所述的基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，其特征在于：
示教过程中，通过模型匹配算法识别标定二维码，并得到(CameraHCal)-1；
示教过程中，由于(BaseHCamera)-1＝(ToolHCamera)-1·(EndHTool)-1·(BaseHEnd)-1，(ToolHCamera)-1通过eye in hand手眼标定获得，(EndHTool)-1通过机器手臂XYZ4点标定法获得，(BaseHEnd)-1通过机器手臂控制器直接获得。
9.根据权利要求8所述的基于二维码修正机器人系统的位姿估计方法，其特征在于：
运行过程中，通过模型匹配算法识别标定二维码，并得到Camera'HCal，Base'HCamera'为当前相机拍照位置相对于基坐标系的位姿。
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Application publication date: 20210806

Assignee: BEIJING RAILWAY INSTITUTE OF MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING GROUP Co.,Ltd.

Assignor: CHINA RAILWAY FIRST SURVEY AND DESIGN INSTITUTE GROUP Co.,Ltd.

Contract record no.: X2022980015321

Denomination of invention: Pose estimation method of robot system based on two-dimensional code correction

Granted publication date: 20220701

License type: Common License

Record date: 20220915

Application publication date: 20210806

Assignee: CHENGDU YUNDA TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: CHINA RAILWAY FIRST SURVEY AND DESIGN INSTITUTE GROUP Co.,Ltd.

Contract record no.: X2022980015275

Denomination of invention: Pose estimation method of robot system based on two-dimensional code correction

Granted publication date: 20220701

License type: Common License

Record date: 20220915

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Application publication date: 20210806

Assignee: LOTEEM (BEIJING) RAIL TRANSIT TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: CHINA RAILWAY FIRST SURVEY AND DESIGN INSTITUTE GROUP Co.,Ltd.

Contract record no.: X2022980015424

Denomination of invention: Pose estimation method of robot system based on two-dimensional code correction

Granted publication date: 20220701

License type: Common License

Record date: 20220916

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Application publication date: 20210806

Assignee: Shaanxi saitejie Electromechanical Equipment Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA RAILWAY FIRST SURVEY AND DESIGN INSTITUTE GROUP Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980003759

Denomination of invention: A pose estimation method based on QR code correction robot system

Granted publication date: 20220701

License type: Common License

Record date: 20240402