CN113276115A - 一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置 - Google Patents

一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置 Download PDF

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黄翔
周蒯
李�根
孔盛杰
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季锐
楼佩煌
钱晓明
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Abstract

本发明公开了一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,所述手眼标定装置包括正方形平面光源、玻璃棋盘格标定板和设置有激光跟踪仪靶球座的标定板固定装置,所述玻璃棋盘格标定板和所述定板固定装置固定连接,以上结构依次安装在所述正方形平面光源的上表面,本发明操作简单,且通过手眼标定装置的运行会减少机器人运动的误差,精度较高,可以应用于并联机器人或有自由度约束限制的机器人上,适用范围广。

Description

一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置
技术领域
本发明涉及机器人标定领域,特别涉及一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置。
背景技术
将计算机视觉与机器人结合,利用视觉决策控制机器人运动,对目标对象进行各种操作。计算机视觉所使用的传感器为工业相机。相机相当于机器人的研究,用于感知周围环境与目标对象信息。根据相机拍摄到的图片确定目标对象的位置与姿态信息,并将这些信息传递给机器人,以便机器人实现抓取,钻孔,装配等操作。为了让机器人获取目标对象的位置信息,并对其进行操作,需要获取机器人末端与相机直接的位置转换关系,即机器人的手眼关系。目前,该手眼标定需要机器人带动相机进行多次运动,拍摄不同位置下的物体照片以完成,该过程花费较多人力。并且,现有手眼标定方法引入了机器人自身的运动误差,如果机器人自身运动精度较差,获得的手眼关系将达不到使用要求。
现有研究者提出的手眼标定方法要么需要对机器人进行示教,操作繁琐且因为引入了机器人的运动误差,精度较低;要么需要机器人进行较大幅度的运动,无法应用于并联机器人或有自由度约束限制的机器人上。因此,确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,所述手眼标定装置包括正方形平面光源、玻璃棋盘格标定板和设置有激光跟踪仪靶球座的标定板固定装置,所述玻璃棋盘格标定板和所述定板固定装置固定连接,以上结构依次安装在所述正方形平面光源的上表面,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
步骤一:对手眼标定装置进行拍摄,获得手眼标定装置图像,确定相机与手眼标定装置的位置转换关系;
步骤二:使用激光跟踪仪对手眼标定装置进行测量,获得手眼标定装置上基准点三维坐标,确定激光跟踪仪与手眼标定装置的位置转换关系;
步骤三:使用激光跟踪仪对机器人末端进行测量,获得机器人末端上基准点三维坐标,确定激光跟踪仪与机器人末端的位置转换关系;
步骤四:根据相机与手眼标定装置的位置转换关系、激光跟踪仪与手眼标定装置的位置转换关系和激光跟踪仪与机器人末端的位置转换关系,得到相机与机器人末端的位置转换关系,即机器人的手眼关系。
优选的,开启所述正方形平面光源,将所述手眼标定装置放置于相机视场范围内合适位置,固定手眼标定装置,使用相机对手眼标定装置进行拍摄,获得手眼标定装置图像。
优选的,所述检测手眼标定装置图像上的棋盘格角点,获取全部棋盘格角点的二维像素坐标μi
Figure BDA0003077313400000021
其中i为棋盘格角点数量,根据所述标定板的实际尺寸,确定所述角点的空间三维坐标Pi
Figure BDA0003077313400000022
输入预先获得的相机的内参矩阵M和畸变矩阵D:
Figure BDA0003077313400000031
D=[k1 k2 p1 p2]
利用PnP算法计算相机与手眼标定装置的位置转换关系Hco,表示相机在手眼标定装置坐标系下的位置和姿态;
Figure BDA0003077313400000032
优选的,所述步骤二中将激光跟踪仪的靶球与靶球座安装于所述标定板固定装置上,即基准点,使用激光跟踪仪测量所述基准点,获得所述基准点在激光跟踪仪测量坐标系下的三维坐标Oj
Oj=[Xj,Yj,Zj]T
其中j为基准点数量。
优选的,根据所述手眼标定装置上激光跟踪仪靶球座的实际位置,确定所述基准点的理论空间三维坐标Qj
Qj=[Xj,Yj,Zj]T
根据所述测量坐标系下的三维坐标和所述理论空间三维坐标,利用SVD算法计算激光跟踪仪与手眼标定装置的位置转换关系Hol,表示手眼标定装置在激光跟踪仪坐标系下的位置和姿态,
Figure BDA0003077313400000033
优选的,所述步骤三中将激光跟踪仪的靶球与靶球座安装于机器人末端上,即基准点,使用激光跟踪仪测量所述基准点,获得所述基准点在激光跟踪仪测量坐标系下的三维坐标Ok
Ok=[Xk,Yk,Zk]T
其中k为基准点数量。
优选的,根据所述机器人末端上激光跟踪仪靶球座的实际位置,确定所述基准点的理论空间三维坐标Qk
Qk=[Xk,Yk,Zk]T
根据所述测量坐标系下的三维坐标和所述理论空间三维坐标,利用SVD算法计算激光跟踪仪与机器人末端的位置转换关系Hlg,表示激光跟踪仪在机器人末端坐标系下的位置和姿态;
Figure BDA0003077313400000041
优选的,所述步骤四中,机与手眼标定装置的位置转换关系Hco、所述激光跟踪仪与手眼标定装置的位置转换关系Hol和激光跟踪仪与机器人末端的位置转换关系Hlg,计算相机与机器人末端的位置转换关系Hcg
Hcg=Hlg×Hol×Hco
Figure BDA0003077313400000042
表示相机在机器人末端坐标系下的位置和姿态,即机器人的手眼关系。
本发明的有益效果,该方法操作简单,且通过手眼标定装置的运行会减少机器人运动的误差,精度较高,可以应用于并联机器人或有自由度约束限制的机器人上,适用范围广。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图;
图2为本发明手眼标定装置结构示意图;
图3为本发明手眼标定方法原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明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发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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,都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-3所示的一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,手眼标定装置包括正方形平面光源、玻璃棋盘格标定板和设置有激光跟踪仪靶球座的标定板固定装置,玻璃棋盘格标定板和定板固定装置固定连接,以上结构依次安装在正方形平面光源的上表面,其特征在于,方法包括如下步骤:
步骤一:对手眼标定装置进行拍摄,获得手眼标定装置图像,确定相机与手眼标定装置的位置转换关系;
步骤二:使用激光跟踪仪对手眼标定装置进行测量,获得手眼标定装置上基准点三维坐标,确定激光跟踪仪与手眼标定装置的位置转换关系;
步骤三:使用激光跟踪仪对机器人末端进行测量,获得机器人末端上基准点三维坐标,确定激光跟踪仪与机器人末端的位置转换关系;
步骤四:根据相机与手眼标定装置的位置转换关系、激光跟踪仪与手眼标定装置的位置转换关系和激光跟踪仪与机器人末端的位置转换关系,得到相机与机器人末端的位置转换关系,即机器人的手眼关系。
优选地,开启正方形平面光源,将手眼标定装置放置于相机视场范围内合适位置,固定手眼标定装置,使用相机对手眼标定装置进行拍摄,获得手眼标定装置图像,检测手眼标定装置图像上的棋盘格角点,获取全部棋盘格角点的二维像素坐标μi
Figure BDA0003077313400000051
其中i为棋盘格角点数量,根据标定板的实际尺寸,确定角点的空间三维坐标Pi
Figure BDA0003077313400000052
输入预先获得的相机的内参矩阵M和畸变矩阵D:
Figure BDA0003077313400000061
D=[k1 k2 p1 p2]
利用PnP算法计算相机与手眼标定装置的位置转换关系Hco,表示相机在手眼标定装置坐标系下的位置和姿态;
Figure BDA0003077313400000062
其中,步骤二中将激光跟踪仪的靶球与靶球座安装于标定板固定装置上,即基准点,使用激光跟踪仪测量基准点,获得基准点在激光跟踪仪测量坐标系下的三维坐标Oj
Oj=[Xj,Yj,Zj]T
其中j为基准点数量。
进一步地,根据手眼标定装置上激光跟踪仪靶球座的实际位置,确定基准点的理论空间三维坐标Qj
Qj=[Xj,Yj,Zj]T
根据测量坐标系下的三维坐标和理论空间三维坐标,利用SVD算法计算激光跟踪仪与手眼标定装置的位置转换关系Hol,表示手眼标定装置在激光跟踪仪坐标系下的位置和姿态,
Figure BDA0003077313400000063
其中,步骤三中将激光跟踪仪的靶球与靶球座安装于机器人末端上,即基准点,使用激光跟踪仪测量基准点,获得基准点在激光跟踪仪测量坐标系下的三维坐标Ok
Ok=[Xk,Yk,Zk]T
其中k为基准点数量。
优选地,根据机器人末端上激光跟踪仪靶球座的实际位置,确定基准点的理论空间三维坐标Qk
Qk=[Xk,Yk,Zk]T
根据测量坐标系下的三维坐标和理论空间三维坐标,利用SVD算法计算激光跟踪仪与机器人末端的位置转换关系Hlg,表示激光跟踪仪在机器人末端坐标系下的位置和姿态;
Figure BDA0003077313400000071
进一步地,步骤四中,机与手眼标定装置的位置转换关系Hco、激光跟踪仪与手眼标定装置的位置转换关系Hol和激光跟踪仪与机器人末端的位置转换关系Hlg,计算相机与机器人末端的位置转换关系Hcg
Hcg=Hlg×Hol×Hco
Figure BDA0003077313400000072
表示相机在机器人末端坐标系下的位置和姿态,即机器人的手眼关系。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明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,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,所述手眼标定装置包括正方形平面光源、玻璃棋盘格标定板和设置有激光跟踪仪靶球座的标定板固定装置,所述玻璃棋盘格标定板和所述定板固定装置固定连接,以上结构依次安装在所述正方形平面光源的上表面,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
步骤一:对手眼标定装置进行拍摄,获得手眼标定装置图像,确定相机与手眼标定装置的位置转换关系;
步骤二:使用激光跟踪仪对手眼标定装置进行测量,获得手眼标定装置上基准点三维坐标,确定激光跟踪仪与手眼标定装置的位置转换关系;
步骤三:使用激光跟踪仪对机器人末端进行测量,获得机器人末端上基准点三维坐标,确定激光跟踪仪与机器人末端的位置转换关系;
步骤四:根据相机与手眼标定装置的位置转换关系、激光跟踪仪与手眼标定装置的位置转换关系和激光跟踪仪与机器人末端的位置转换关系,得到相机与机器人末端的位置转换关系,即机器人的手眼关系。
2.根据权利要求1所述的一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,其特征在于,开启所述正方形平面光源,将所述手眼标定装置放置于相机视场范围内合适位置,固定手眼标定装置,使用相机对手眼标定装置进行拍摄,获得手眼标定装置图像。
3.根据权利要求2所述的一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,其特征在于,所述检测手眼标定装置图像上的棋盘格角点,获取全部棋盘格角点的二维像素坐标μi
Figure FDA0003077313390000011
其中i为棋盘格角点数量,根据所述标定板的实际尺寸,确定所述角点的空间三维坐标Pi
Figure FDA0003077313390000024
输入预先获得的相机的内参矩阵M和畸变矩阵D:
Figure FDA0003077313390000021
D=[k1 k2 p1 p2]
利用PnP算法计算相机与手眼标定装置的位置转换关系Hco,表示相机在手眼标定装置坐标系下的位置和姿态;
Figure FDA0003077313390000022
4.根据权利要求1所述的一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,其特征在于,所述步骤二中将激光跟踪仪的靶球与靶球座安装于所述标定板固定装置上,即基准点,使用激光跟踪仪测量所述基准点,获得所述基准点在激光跟踪仪测量坐标系下的三维坐标Oj
Oj=[Xj,Yj,Zj]T
其中j为基准点数量。
5.根据权利要求1所述的一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,其特征在于,根据所述手眼标定装置上激光跟踪仪靶球座的实际位置,确定所述基准点的理论空间三维坐标Qj
Qj=[Xj,Yj,Zj]T
根据所述测量坐标系下的三维坐标和所述理论空间三维坐标,利用SVD算法计算激光跟踪仪与手眼标定装置的位置转换关系Hol,表示手眼标定装置在激光跟踪仪坐标系下的位置和姿态,
Figure FDA0003077313390000023
6.根据权利要求1所述的一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,其特征在于,所述步骤三中将激光跟踪仪的靶球与靶球座安装于机器人末端上,即基准点,使用激光跟踪仪测量所述基准点,获得所述基准点在激光跟踪仪测量坐标系下的三维坐标Ok
Ok=[Xk,Yk,Zk]T
其中k为基准点数量。
7.根据权利要求6所述的一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,其特征在于,根据所述机器人末端上激光跟踪仪靶球座的实际位置,确定所述基准点的理论空间三维坐标Qk
Qk=[Xk,Yk,Zk]T
根据所述测量坐标系下的三维坐标和所述理论空间三维坐标,利用SVD算法计算激光跟踪仪与机器人末端的位置转换关系Hlg,表示激光跟踪仪在机器人末端坐标系下的位置和姿态;
Figure FDA0003077313390000031
8.根据权利要求6所述的一种无需机器人运动的手眼标定方法及装置,其特征在于,所述步骤四中,机与手眼标定装置的位置转换关系Hco、所述激光跟踪仪与手眼标定装置的位置转换关系Hol和激光跟踪仪与机器人末端的位置转换关系Hlg,计算相机与机器人末端的位置转换关系Hcg
Hcg=Hlg×Hol×Hco
Figure FDA0003077313390000032
表示相机在机器人末端坐标系下的位置和姿态,即机器人的手眼关系。
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