CN113263499B - 机械臂手眼标定方法、装置、系统及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种机械臂手眼标定方法，包括：控制机械臂移动至多个预设位置；获取标记点在每个预设位置的第一坐标、第二坐标，第一坐标为标记点在相机坐标系下的坐标，第二坐标为标记点在机械臂坐标系下的坐标，每个预设位置处的第一坐标、第二坐标构成一个点对；基于多个点对和SVD算法，计算得到第一旋转平移矩阵。本发明所提出的机械臂手眼标定方法，先控制机械臂移动至预设位置，此预设位置处的标记点将被深度相机拍摄到，深度相机拍摄到此预设位置处的标记点后获取到第一坐标，结合第一坐标和该预设位置处的第二坐标进行计算，得到第一旋转平移矩阵，在得到第一旋转平移矩阵后，就能够将相机坐标系下的位置点转换为机械臂坐标系下的位置点。

Description

机械臂手眼标定方法、装置、系统及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及相机标定领域，特别涉及一种机械臂手眼标定方法、装置、系统及计算机可读存储介质。

背景技术

在机器人超声扫查中，需要利用手眼标定方法标定出相机与机械臂坐标系的关系，即旋转平移矩阵，以便进行超声扫查路径的规划。

手眼标定可以分为局部手眼和全局手眼两种情况，局部手眼是将相机固定于机械臂上，相机跟随机械臂进行移动，全局手眼是将相机固定于机械臂之外，相机处于固定位置不动。

现有技术中，对于全局手眼这种情况大多采用手动对点的方式进行，例如九点法，而由于其为人工手动对点，在对点时始终会存在误差，从而导致全局手眼标定方法不够精准。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种机械臂手眼标定方法，旨在解决现有的全局手眼标定方法存在标定不够精准的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种机械臂手眼标定方法，所述机械臂手眼标定方法包括：

控制机械臂移动至多个预设位置；

获取标记点在每个预设位置的第一坐标、第二坐标，所述第一坐标为标记点在相机坐标系下的坐标，所述第二坐标为标记点在机械臂坐标系下的坐标，每个预设位置处的第一坐标、第二坐标构成一个点对；

基于多个点对和SVD算法，计算得到第一旋转平移矩阵。

优选地，所述获取标记点在每个预设位置的第二坐标包括：

根据每个预设位置的坐标和标记点相对于机械臂末端的位姿，计算得到所述标记点在每个预设位置的第二坐标。

优选地，所述机械臂手眼标定方法还包括：

基于所述第一旋转平移矩阵，将每个点对中的第一坐标转换为机械臂坐标系下的第三坐标；

计算所述第三坐标与对应的第二坐标的欧式距离；

若所述欧式距离大于预设距离，则将所述第一坐标和与其构成点对的第二坐标从多个点对中删除；

在删除部分点对后，得到过滤后的多个点对，再基于过滤后的多个点对和SVD算法，计算得到第二旋转平移矩阵。

优选地，所述标记点为贴设于标定工具上的ArUco码的中心点。

本发明还提出一种机械臂手眼标定装置，所述机械臂手眼标定装置包括：

运动控制模块，用于控制机械臂移动至多个预设位置；

坐标获取模块，用于获取标记点在每个预设位置的第一坐标、第二坐标，所述第一坐标为标记点在相机坐标系下的坐标，所述第二坐标为标记点在机械臂坐标系下的坐标，每个预设位置处的第一坐标、第二坐标构成一个点对；

第一计算模块，用于基于多个点对和SVD算法，计算得到第一旋转平移矩阵。

优选地，所述坐标获取模块包括：

第二坐标获取单元，用于根据每个预设位置的坐标和标记点相对于机械臂末端的位姿，计算得到所述标记点在每个预设位置的第二坐标。

优选地，所述机械臂手眼标定装置还包括：

坐标转换模块，用于基于所述第一旋转平移矩阵，将每个点对中的第一坐标转换为机械臂坐标系下的第三坐标；

第二计算模块，用于计算所述第三坐标与对应的第二坐标的欧式距离；

点对筛选模块，用于当所述欧式距离大于预设距离时，将所述第一坐标和与其构成点对的第二坐标从多个点对中删除；

第三计算模块，用于在删除部分点对后，得到过滤后的多个点对，再基于过滤后的多个点对和SVD算法，计算得到第二旋转平移矩阵。

优选地，所述标记点为贴设于标定工具上的ArUco码的中心点。

本发明还提出一种机械臂手眼标定系统，所述机械臂手眼标定系统包括：

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，实现前述所记载的机械臂手眼标定方法，所述机械臂手眼标定方法包括：

控制机械臂移动至多个预设位置；

获取标记点在每个预设位置的第一坐标、第二坐标，所述第一坐标为标记点在相机坐标系下的坐标，所述第二坐标为标记点在机械臂坐标系下的坐标，每个预设位置处的第一坐标、第二坐标构成一个点对；

基于多个点对和SVD算法，计算得到第一旋转平移矩阵。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现前述所记载的机械臂手眼标定方法，所述机械臂手眼标定方法包括：

控制机械臂移动至多个预设位置；

获取标记点在每个预设位置的第一坐标、第二坐标，所述第一坐标为标记点在相机坐标系下的坐标，所述第二坐标为标记点在机械臂坐标系下的坐标，每个预设位置处的第一坐标、第二坐标构成一个点对；

基于多个点对和SVD算法，计算得到第一旋转平移矩阵。

与现有技术相比，本发明实施例的有益技术效果在于：

本发明实施例所提出的机械臂手眼标定方法，其先控制机械臂移动至预设位置处，在此预设位置处的标记点能够被深度相机所拍摄到，深度相机拍摄到此预设位置处的标记点后获取到对应的第一坐标，而后再结合第一坐标和该预设位置处的第二坐标进行计算，以得到第一旋转平移矩阵，在得到第一旋转平移矩阵后，就能够将相机坐标系下的位置点转换为机械臂坐标系下的位置点。本实施例所提出的机械臂手眼标定方法不需要人工对点，相较于现有的人工对点方式，其具备标定结果精准及省时省力的优点。

附图说明

图1为本发明机械臂手眼标定方法第一实施例的流程图；

图2为本发明机械臂手眼标定方法第二实施例的流程图；

图3为本发明机械臂手眼标定装置第一实施例的功能模块图；

图4为本发明机械臂手眼标定装置第二实施例的功能模块图；

图5为本发明机械臂手眼标定系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种机械臂手眼标定方法，参见图1，该机械臂手眼标定方法包括以下步骤：

S10，控制机械臂移动至多个预设位置；

S20，获取标记点在每个预设位置的第一坐标、第二坐标，第一坐标为标记点在相机坐标系下的坐标，第二坐标为标记点在机械臂坐标系下的坐标，每个预设位置处的第一坐标、第二坐标构成一个点对；

S30，基于多个点对和SVD算法，计算得到第一旋转平移矩阵。

本实施例中，在机械臂的末端设置有标定工具，标定工具上具有标记点，标定工具将跟随机械臂移动至预设位置处。在机械臂移动至预设位置处后，通过固定于机械臂之外的深度相机，获取该标记点在相机坐标系下的第一坐标。在获取到标记点于预设位置处的第一坐标后，再获取该预设位置处的标记点在机械臂坐标系下的第二坐标，每个预设位置处的第一坐标和第二坐标构成一个点多，多个预设位置则将对应有多个点对。在获取到多个点对后，利用SVD算法(奇异值分解算法)计算得到相机坐标系与机械臂坐标系之间的旋转平移矩阵，也即第一旋转平移矩阵。

在获取到第一旋转平移矩阵后，深度相机所获取到的相机坐标都能够通过第一旋转平移矩阵转换后，得到对应的机械臂坐标系的机械臂坐标，从而据此控制机械臂的运动。

本实施例中，标记点的图案设计可以为ArUco码、二维码或圆形标记码等，包括但不限于此，本领域技术人员可根据实际情况进行设计。作为优选，本发明实施例所提出的机械臂手眼标定方法采用ArUco码，此仅为示例性的，而非限制性的。

进一步的，本发明实施例所提出的步骤S20包括：

根据每个预设位置的坐标和标记点相对于机械臂末端的位姿，计算得到标记点在每个预设位置的第二坐标。

本实施例中，预设位置的坐标是已知的，而标记点相对于机械臂末端的位姿也是已知的，其在设计标定工具时，即可获取标记点相对于机械臂末端的位姿。在已知机械臂运动位置和标记点相对于机械臂末端的位姿的情况下，可计算得到标记点在预设位置处的第二坐标。

进一步的，参见图2，本发明实施例所提出的机械臂手眼标定方法还包括以下步骤：

S40，基于第一旋转平移矩阵，将每个点对中的第一坐标转换为机械臂坐标系下的第三坐标；

S50，计算第三坐标与对应的第二坐标的欧式距离；

S60，若欧式距离大于预设距离，则将第一坐标和与其构成点对的第二坐标从多个点对中删除；

S70，在删除部分点对后，得到过滤后的多个点对，再基于过滤后的多个点对和SVD算法，计算得到第二旋转平移矩阵。

本实施例中，由于机械臂有时无法运动到预设位置，或者深度相机识别的标记点的第一坐标存在较大误差，因此需要对所获取到的点对进行过滤，以通过过滤后的多个点对计算得到一个精确的旋转平移矩阵，也即第二旋转平移矩阵。

具体的，在计算得到第一旋转平移矩阵后，利用第一旋转平移矩阵将第一坐标转换为机械臂坐标系下的第三坐标，而后再计算第三坐标与对应的第二坐标的欧式距离。若计算得到的欧式距离大于预设距离，则将此第一坐标和与其对应的第二坐标所构成的点对删除，如此循环往复，然后得到过滤后的多个点对，最后再利用过滤后的多个点对和SVD算法计算得到第二旋转平移矩阵。需要说明的是，第二坐标与第三坐标的距离越小，则通过此点对所计算出的旋转平移矩阵越精确。

基于前述实施例所提出的机械臂手眼标定方法，参见图3，本发明还提出一种机械臂手眼标定装置，该机械臂手眼标定装置包括：

运动控制模块10，用于控制机械臂移动至多个预设位置；

坐标获取模块20，用于获取标记点在每个预设位置的第一坐标、第二坐标，第一坐标为标记点在相机坐标系下的坐标，第二坐标为标记点在机械臂坐标系下的坐标，每个预设位置处的第一坐标、第二坐标构成一个点对；

第一计算模块30，用于基于多个点对和SVD算法，计算得到第一旋转平移矩阵。

进一步的，本发明实施例所提出的坐标获取模块20包括：

第二坐标获取单元，用于根据每个预设位置的坐标和标记点相对于机械臂末端的位姿，计算得到标记点在每个预设位置的第二坐标。

进一步的，参见图4，本发明实施例所提出的机械臂手眼标定装置还包括：

坐标转换模块40，用于基于第一旋转平移矩阵，将每个点对中的第一坐标转换为机械臂坐标系下的第三坐标；

第二计算模块50，用于计算第三坐标与对应的第二坐标的欧式距离；

点对筛选模块60，用于当欧式距离大于预设距离时，将第一坐标和与其构成点对的第二坐标从多个点对中删除；

第三计算模块70，用于在删除部分点对后，得到过滤后的多个点对，再基于过滤后的多个点对和SVD算法，计算得到第二旋转平移矩阵。

基于前述实施例所提出的机械臂手眼标定方法，参见图5，本发明还提出一种机械臂手眼标定系统，该机械臂手眼标定系统包括：

存储器1005，用于存储计算机程序；

处理器1001，用于执行所述计算机程序时，实现前述所记载的机械臂手眼标定方法，该机械臂手眼标定方法至少包括以下步骤：

S10，控制机械臂移动至多个预设位置；

S20，获取标记点在每个预设位置的第一坐标、第二坐标，第一坐标为标记点在相机坐标系下的坐标，第二坐标为标记点在机械臂坐标系下的坐标，每个预设位置处的第一坐标、第二坐标构成一个点对；

S30，基于多个点对和SVD算法，计算得到第一旋转平移矩阵。

本发明实施例所提出的机械臂手眼标定系统可以是机器人，也可以是PC。如图5所示，该机械臂手眼标定系统可以包括：处理器1001，例如CPU，网络接口1004，用户接口1003，存储器1005，通信总线1002。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元，比如键盘(Keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。

本领域技术人员可以理解，图3中示出的机械臂手眼标定系统结构并不构成对机械臂校准设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图5所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及机械臂校准程序。

在图5所示的机械臂手眼标定系统中，网络接口1004主要用于连接后台服务器，与后台服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于连接客户端(用户端)，与客户端进行数据通信；而处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的机械臂校准程序。

基于前述实施例所提出的机械臂手眼标定方法，本发明还提出一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现前述各实施例所记载的机械臂手眼标定方法，机械臂手眼标定方法至少包括以下步骤：

S10，控制机械臂移动至多个预设位置；

S20，获取标记点在每个预设位置的第一坐标、第二坐标，所述第一坐标为标记点在相机坐标系下的坐标，所述第二坐标为标记点在机械臂坐标系下的坐标，每个预设位置处的第一坐标、第二坐标构成一个点对；

S30，基于多个点对和SVD算法，计算得到第一旋转平移矩阵。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。

Claims (6)

1.一种机械臂手眼标定方法，所述机械臂上设置具有标记点的标定工具，其特征在于，所述机械臂手眼标定方法包括：

控制机械臂移动至多个预设位置；

获取标记点在每个预设位置的第一坐标、第二坐标，所述第一坐标为标记点在相机坐标系下的坐标，所述第二坐标为标记点在机械臂坐标系下的坐标，每个预设位置处的第一坐标、第二坐标构成一个点对；

基于多个点对和SVD算法，计算得到第一旋转平移矩阵；

基于所述第一旋转平移矩阵，将每个点对中的第一坐标转换为机械臂坐标系下的第三坐标；

计算所述第三坐标与对应的第二坐标的欧式距离；

若所述欧式距离大于预设距离，则将所述第一坐标和与其构成点对的第二坐标从多个点对中删除；

在删除部分点对后，得到过滤后的多个点对，再基于过滤后的多个点对和SVD算法，计算得到第二旋转平移矩阵；

所述获取标记点在每个预设位置的第二坐标包括：

根据每个预设位置的坐标和标记点相对于机械臂末端的位姿，计算得到所述标记点在每个预设位置的第二坐标。

2.根据权利要求1所述的机械臂手眼标定方法，其特征在于，所述标记点为贴设于标定工具上的ArUco码的中心点。

3.一种机械臂手眼标定装置，所述机械臂上设置有深度相机和具有标记点的标定工具，其特征在于，所述机械臂手眼标定装置包括：

运动控制模块，用于控制机械臂移动至多个预设位置；

坐标获取模块，用于获取标记点在每个预设位置的第一坐标、第二坐标，所述第一坐标为标记点在相机坐标系下的坐标，所述第二坐标为标记点在机械臂坐标系下的坐标，每个预设位置处的第一坐标、第二坐标构成一个点对；

第一计算模块，用于基于多个点对和SVD算法，计算得到第一旋转平移矩阵；

坐标转换模块，用于基于所述第一旋转平移矩阵，将每个点对中的第一坐标转换为机械臂坐标系下的第三坐标；

第二计算模块，用于计算所述第三坐标与对应的第二坐标的欧式距离；

点对筛选模块，用于当所述欧式距离大于预设距离时，将所述第一坐标和与其构成点对的第二坐标从多个点对中删除；

第三计算模块，用于在删除部分点对后，得到过滤后的多个点对，再基于过滤后的多个点对和SVD算法，计算得到第二旋转平移矩阵；

所述坐标获取模块包括：

第二坐标获取单元，用于根据每个预设位置的坐标和标记点相对于机械臂末端的位姿，计算得到所述标记点在每个预设位置的第二坐标。

4.根据权利要求3所述的机械臂手眼标定装置，其特征在于，所述标记点为贴设于标定工具上的ArUco码的中心点。

5.一种机械臂手眼标定系统，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，实现权利要求1或2所述的机械臂手眼标定方法。

6.一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存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1或2所述的机械臂手眼标定方法。

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