CN113510748B - 基于双目视觉的机器人空间位置重复性和准确度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于双目视觉的机器人空间位置重复性和准确度测量方法，包括：1)确定机器人位置，将目标靶标安装在机器人末端；2)建立机器人坐标系并确定机器人的常用工作空间范围，选取机器人的测试空间和5个测量点；3)将两个视觉传感器安装在测试空间的正前方两侧，两个视觉传感器的视场范围包含测试空间；4)建立视觉测量坐标系，计算获取5个测量点在视觉测量坐标系下的对应坐标值；5)启动机器人，对目标靶标进行5个测量点的多次循环测量，分别获取目标靶标在5个测量点处所对应视觉测量坐标系下的一系列测量坐标值，计算得到机器人的空间位置重复性和空间准确度结果。本发明具有操作简单、测量范围大、实用性强的优点。
Description
技术领域
本发明属于机器人位置精度测量技术领域，具体涉及一种基于双目视觉的机器人空间位置重复性和准确度测量方法。
背景技术
机器人的位置误差是衡量机器人性能的重要指标，也很大程度上决定了市场占有率，研究表明90％的位置误差来源于机器人的运动学几何参数精度误差。
为了识别位置误差，目前常用的方法是：一是采用激光跟踪仪以及安装在机器人末端的靶球或T-MACI进行位置精度测量，价格不菲；二是使用拉线式设备配以Dynalog测试软件的专业测试设备，此设备昂贵。采用激光跟踪仪以及安装在机器人末端的靶球或T-MAC精度较高，但受限于靶球和T-MAC可能出现断光，且测试流程长，测量空间受限；使用拉线式设备配以Dynalog测试软件的专业测试设备，体积庞大，设备笨重，结构原因使得测量空间有限。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于双目视觉的机器人空间位置重复性和准确度测量方法，具有操作简单、测量范围大、实用性强的优点。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于双目视觉的机器人空间位置重复性和准确度测量方法，其包括以下步骤：
1)确定机器人位置，将目标靶标安装在机器人末端；
2)根据机器人所在位置，建立机器人坐标系并确定机器人的常用工作空间范围，在机器人的常用工作空间范围内选取机器人的测试空间，该测试空间为一立方体空间，在测试空间的两对角面分别选取2个位置点作为测量点，同时将测试空间的中心点作为测量点，分别获取5个测量点在机器人坐标系下的指令坐标值；
3)将两个视觉传感器安装在该测试空间的正前方两侧，两个视觉传感器的视场范围完全包含上述测试空间；
4)对两个视觉传感器的相对位置进行标定，建立视觉测量坐标系，并对所建立的视觉测量坐标系进行标定，利用坐标对齐的转换关系进行计算获取5个测量点在视觉测量坐标系下的对应坐标值；
5)启动机器人，对目标靶标进行5个测量点的多次循环测量，分别获取目标靶标在5个测量点处所对应视觉测量坐标系下的一系列测量坐标值，计算得到机器人的空间位置重复性和空间准确度结果。
作为本发明的另一种具体实施方案，步骤2)中所建立的机器人坐标系以机器人机座为零点位置，根据机器人的臂展，确定测试空间的中心点的位置，其中测试空间的中心点与机器人机座的垂直距离是机器人臂展的1/3～2/3。
作为本发明的另一种具体实施方案，步骤2)中测试空间的各条边分别与所建立的机器人坐标系的各空间坐标轴相平行，根据机器人的最大工作半径，确定测试空间的边长，最终确定测试空间，其中测试空间的边长是机器人最大工作半径的1/3～2/3。
作为本发明的另一种具体实施方案，步骤2中)所选取的测试空间的两对角面上的4个测量点处于同一面内。
作为本发明的另一种具体实施方案，4个测量点和与其最近的测量空间的顶点之间的距离相同，优选的，4个测量点和与其最近的测量空间的顶点之间的距离是测试空间边长的1/5。
作为本发明的另一种具体实施方案，步骤3)中两个视觉传感器之间的距离不小于测试空间的边长。
作为本发明的另一种具体实施方案，步骤3)中5个测量点在完全处于两个视觉传感器视场范围内，并满足5个测量点与两个视觉传感器之间的高度差不小于0.5米。
作为本发明的另一种具体实施方案，步骤3)中5个测量点与两个视觉传感器的距离差不小于1.5米。
作为本发明的另一种具体实施方案，步骤4)中采用在测试空间周围挥动的T型标定杆对两个视觉传感器的相对位置进行标定，采用放置在机器人附近的L型标定杆对视觉测量坐标系进行标定。
作为本发明的另一种具体实施方案，还包括采用激光跟踪仪对机器人在5个测量点的空间位置重复性和空间准确度进行对照验证的步骤。
本发明具备以下有益效果：
本发明选取合适的测试空间，即创造性的采用立方体空间作为测试空间，并且该立方体空间的大小、位置参数是相较于机器人参数进行匹配性设计的，针对不同的机器人进行适应性调整即可；将5个测试点限定在该立方体空间内，可以获取机器人空间内的任意基本点，测量点不受位置的不同而产生测量影响，测量空间可覆盖并能够保证测量精度。
本发明采用两个视觉传感器进行5个测量点的测量，双目视觉的视场范围大，可测量空间大，不受断光和设备的影响，测量空间无需多次调整；测量效率大大提升，可应用多种机器人的测量。
本发明通过基于机器人的参数选取、确定测试立方体空间，并根据测试立方体空间确定两个视觉传感器的具体位置，使得两个视觉传感器的视场范围完全包含该测试立方体空间，彻底避免测量点超出视场范围或者测量误差较大所导致的无法消除的测量误差的现象，可以确保在机器人的任一运动情况下其上的目标靶标都可以进行有效测量，尤其适用于多轴机器人的测量。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例两个视觉传感器的布局示意图；
图2是本发明实施例显示测量立方体空间的示意图。
其中，机器人1、目标靶标2、视觉传感器3、交换机4、电脑终端5。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
实施例
本实施例提供了一种基于双目视觉的机器人空间位置重复性和准确度测量方法，其包括以下步骤：
1)确定机器人位置，将目标靶标安装在机器人末端；
本实施例中的机器人为六轴机器人，根据该机器人的型号可以直接获取其常用的工作空间、臂展和最大工作半径的参数值；其中机器人常用的工作空间指机器人的灵巧工作空间，即在满足给定位姿范围时机器人末端可达点的集合；
其中目标靶标优选为长型，其上的圆形标靶可随意安装靶做，再优选的，圆形标靶也可以进行360°旋转，以进一步保障到所到达测量点的精准度。
2)根据机器人所在位置，建立机器人坐标系并确定机器人的常用工作空间范围，所建立的机器人坐标系以机器人机座为零点位置，在机器人的常用工作空间范围内选取机器人的测试空间；
如图1-2所示，该测试空间为一立方体空间，在测试空间的两对角面分别选取2个位置点作为测量点，同时将测试空间的中心点作为测量点，共计5个测量点P1、P2、P3、P4、P5，分别获取5个测量点在机器人坐标系下的指令坐标值，如下表1：
表1：机器人坐标系下的5个测量点的坐标值
| 位置 | X(mm) | Y(mm) | Z(mm) |
| P1 | 620 | 279.99 | -80 |
| P2 | 619.99 | -280.02 | -80.01 |
| P3 | 1080.02 | -279.98 | 480.01 |
| P4 | 1079.97 | 280.02 | 480 |
| P5 | 900.02 | -0.04 | 199.99 |
进一步的，在选取测试空间时，根据机器人的臂展确定测试空间的中心点的位置，具体为测试空间的中心点与机器人机座的垂直距离是机器人臂展的1/3～2/3，例如测试空间的中心点与机器人机座的垂直距离是机器人臂展的1/2。
再进一步的，测试空间的各条边分别与所建立的机器人坐标系的各空间坐标轴相平行，根据机器人的最大工作半径确定测试空间的边长，最终确定测试空间具体位置，其中测试空间边长是机器人最大工作半径的1/3～2/3，例如测试空间边长是机器人最大工作半径的1/2。
如图2所示，测量点P1、P3位于其中一个对角面上，测量点P2、P4位于另外一个对角面上，其中4个测量点与其最近顶点之间的距离相同，均为测量空间边长的1/5。
具体的，测量点P1、P1、P3、P4位于同一面内，且测量点P5位于该面的中心点。
3)将两个视觉传感器安装在该测试空间的正前方两侧，如图1所示，两个视觉传感器的视场范围完全包含上述测试空间，其中视觉传感器3优选以云台+伸缩杆的形式进行安装，以便于根据不同型号的机器人调整其具体安装位置；
本实施例中的视觉传感器的最大视场范围为3.2米，其他示例中根据视觉传感器的型号进行适应性调整即可。
其中两个视觉传感器之间的距离不小于测试空间的边长。
本实施例中5个测量点在完全处于两个视觉传感器视场范围内的同时，满足5个测量点与两个视觉传感器之间的高度差不低于0.5米，并且5个测量点与两个视觉传感器的距离差不小于1.5米。
4)对两个视觉传感器的相对位置进行标定，建立视觉测量坐标系，并对所建立的视觉测量坐标系进行标定，利用坐标对齐的转换关系进行计算
获取5个测量点在视觉测量坐标系下的对应坐标值，如下表2：
表2：视觉测量坐标系下5个测量点的坐标值
其中优选采用在测试空间周围挥动的T型标定杆对两个视觉传感器的相对位置进行标定，采用放置在机器人附近的L型标定杆对视觉测量坐标系进行标定。
5)按照标准GB/T12642的要求编辑机器人相关指令程序，启动机器人，对目标靶标进行5个测量点的30次循环测量，分别获取目标靶标在5个测量点处所对应视觉测量坐标系下的一系列测量坐标值，如下表3：
表3：视觉测量坐标系下5个测量点30次循环的测量坐标值
续表3：视觉测量坐标系下5个测量点30次循环的测量坐标值
通过例如交换机+电脑终端的方式将所获得数据进行处理，通过电脑终端对所获得的数据计算得到机器人的空间位置重复性和空间准确度结果，如下表4：
表4：5个测量点的空间位置精度
| 位置 | 位置准确度(mm) | 位置重复性(mm) |
| P1 | 0.4717 | 0.02243 |
| P2 | 0.3085 | 0.02811 |
| P3 | 1.2972 | 0.03356 |
| P4 | 1.567 | 0.04106 |
| P5 | 0.71 | 0.02764 |
| Avg | 0.871 | 0.031 |
6)对照试验：
采用激光跟踪仪对机器人在上述5个测量点的空间位置重复性和空间准确度进行对照验证，其结果如下表5：
表5：激光跟踪仪测量5个测量点的空间位置精度
| 位置 | 位置准确度(mm) | 位置重复性(mm) |
| P1 | 0.2962 | 0.0337 |
| P2 | 0.7782 | 0.0331 |
| P3 | 1.645 | 0.0573 |
| P4 | 1.6899 | 0.0243 |
| P5 | 0.4217 | 0.0294 |
| Avg | 0.966 | 0.036 |
通过与上述采用激光跟踪仪法的结果进行对比可知，本实施例所提供的测量方法所得到的位置精度平均值与激光跟踪仪法得到的位置精度平均值结果差距较小，证明本实施例所提供的测量方法所得到的机器人位置精度可行，符合行业认可。
本实施例测量过程中无需建模，不存在测量奇异点，避免了建模所带来的模型误差，安装操作方便，减少了建模带来的误差，减少了对高端设备的依赖，增加了测量的简便性，容易使本领域的专业技术人员更加能理解，适用范围广。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。
Claims (5)
1.一种基于双目视觉的机器人空间位置重复性和准确度测量方法，其特征在于包括以下步骤：
1)确定机器人位置，将目标靶标安装在机器人末端；
2)根据机器人所在位置，建立机器人坐标系并确定机器人的常用工作空间范围，在机器人的常用工作空间范围内选取机器人的测试空间，该测试空间为一立方体空间；所建立的机器人坐标系以机器人机座为零点位置，根据机器人的臂展，确定测试空间中心点的位置，其中测试空间的中心点与机器人机座的垂直距离是机器人臂展的1/3～2/3；
测试空间的各条边分别与所建立的机器人坐标系的各空间坐标轴相平行，根据机器人的最大工作半径，确定测试空间的边长，最终确定测试空间；其中，测试空间的边长是机器人最大工作半径的1/3～2/3；
在测试空间的两对角面分别选取2个位置点作为测量点，同时将测试空间的中心点作为测量点，分别获取5个测量点在机器人坐标系下的指令坐标值；3)将两个视觉传感器安装在该测试空间的正前方两侧，两个视觉传感器的视场范围完全包含上述测试空间；其中，两个视觉传感器之间的距离不小于测试空间的边长；
5个测量点在完全处于两个视觉传感器视场范围内，并满足5个测量点与两个视觉传感器之间的高度差不小于0.5米，同时5个测量点与两个视觉传感器的距离差不小于1.5米；
4)对两个视觉传感器的相对位置进行标定，建立视觉测量坐标系，并对所建立的视觉测量坐标系进行标定，利用坐标对齐的转换关系进行计算获取5个测量点在视觉测量坐标系下的对应坐标值；
5)启动机器人，对目标靶标进行5个测量点的多次循环测量，分别获取目标靶标在5个测量点处所对应视觉测量坐标系下的一系列测量坐标值，计算得到机器人的空间位置重复性和空间准确度结果。
2.如权利要求1所述的基于双目视觉的机器人空间位置重复性和准确度测量方法，其特征在于，步骤2中)所选取的测试空间的两对角面上的4个测量点处于同一面内。
3.如权利要求2所述的基于双目视觉的机器人空间位置重复性和准确度测量方法，其特征在于，4个测量点和与其最近的测量空间的顶点之间的距离相同。
4.如权利要求1所述的基于双目视觉的机器人空间位置重复性和准确度测量方法，其特征在于，步骤4)中采用在测试空间周围挥动的T型标定杆对两个视觉传感器的相对位置进行标定，采用放置在机器人附近的L型标定杆对视觉测量坐标系进行标定。
5.如权利要求1所述的基于双目视觉的机器人空间位置重复性和准确度测量方法，其特征在于，还包括采用激光跟踪仪对机器人在5个测量点的空间位置重复性和空间准确度进行对照验证的步骤。
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