CN113858265A - 机械臂的位姿误差的检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂的位姿误差的检测方法及系统，利用一测试平台进行检测，首先将标定板设置于机械臂的执行器末端，将摄像头设置于测试平台的移动端，对机械臂与摄像头进行手眼标定，得到机械臂的执行器末端与摄像头之间的位姿转换关系；在一测试位姿信息的控制下机械臂及测试平台均移动至相应位姿；摄像头拍摄标定板的原始图像，并提取出原始图像中对应标定板的图像特征；将图像特征映射至一理想标定板图像中进行特征比对即可得到机械臂的位姿误差。本发明利用测试平台替代人工改变机械臂到达的位姿，所以理论上可以检测连续、大量的点位，可完成整个测量空间点的位姿误差的全自动测量，机械臂的位置和姿态可同步检测。

Description

机械臂的位姿误差的检测方法及系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机械臂的位姿误差的检测方法系统。

背景技术

随着自动化技术的快速发展，机械自动化技术已经逐渐应用于工业生产各个环节，机械自动化的标志之一——机械臂，是替代人工进行工件运输、加工及操作的主要设备之一。在上述应用场景中，机械臂运动的定位精度控制始终是需要重点解决的问题。

由于机械臂在其运动空间内可到达的点位理论上是无穷多个，目前的定位精度检测装置只能检测特殊的一些点位或者有限的点位，当大量点位需要检测时，工作量非常巨大；并且，由于是手动改变机械臂到达的点位，所以无法实现连续、大量的点位精度检测；而且，现有的位姿误差检测装置只能检测到机械臂的位置误差，无法检测到机械臂的姿态误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械臂的位姿误差的检测方法及系统，能够自动检测机械臂的位姿误差，减少测试人员的工作量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种机械臂的位姿误差的检测方法及系统，利用一测试平台进行检测，所述测试平台具有固定端和移动端，所述移动端能够相对所述固定端移动，包括：

将标定板设置于所述机械臂的执行器末端上，将摄像头设置于所述测试平台的移动端，对所述执行器末端与所述摄像头进行手眼标定，得到所述执行器末端与所述摄像头之间的位姿转换关系；

所述机械臂将所述标定板移动至一测试位姿指示的位姿处，所述测试平台根据所述位姿转换关系转换所述测试位姿信息以将所述摄像头移动至转换后的所述测试位姿信息指示的位姿处；

所述摄像头拍摄所述标定板的原始图像，并提取出所述原始图像中对应所述标定板的图像特征；以及，

将所述图像特征映射至一理想标定板图像中进行特征比对，得到所述机械臂的位姿误差。

可选的，所述标定板上设置有对位标识。

可选的，所述特征比对的步骤包括：

将所述图像特征映射至所述理想标定板图像中；

对所述图像特征进行旋转、平移或缩放中的一种或多种操作直至所述图像特征与所述理想标定板图像重合；以及，

根据所述图像特征的旋转角度、平移距离及缩放倍数得到所述机械臂的位姿误差，其中，所述位姿误差包括旋转角度、平移距离及缩放倍数中的一个或多个。

可选的，对所述图像特征进行旋转，包括将所述图像特征绕其中心进行空间旋转及平面旋转，所述图像特征的旋转角度包括平面角度及空间角度。

可选的，以所述标定板的中心为原点建立RST坐标系，其中，R轴和S轴在所述标定板所在的平面内且分别沿所述标定板的横向和纵向，T轴垂直于所述标定板所在的平面，所述机械臂的位姿误差包括沿R轴、S轴及T轴平移的位置误差和/或绕R轴、S轴及T轴旋转的姿态误差。

可选的，对所述图像特征进行旋转、平移或缩放中的一种或多种操作且同时得到所述机械臂的位姿误差的步骤包括：

获取所述图像特征的中心；

将所述图像特征平移至中心与所述理想标定板图像的中心重合，所述图像特征沿R轴和/或S轴平移的距离为所述机械臂沿R轴和/或S轴平移的位置误差；

将所述图像特征绕其中心进行空间旋转直至变为矩形，所述图像特征沿R轴和/或S轴旋转的空间角度为所述机械臂绕R轴及绕S轴旋转的姿态误差；以及，

将所述图像特征绕其中心进行平面旋转直至所述图像特征的网格线与所述理想标定板图像的网格线对应平行，所述图像特征绕T轴旋转的平面角度为所述机械臂绕T轴旋转的姿态误差。

可选的，得到绕T轴旋转的平面角度为所述机械臂绕T轴旋转的姿态误差之后，对所述图像特征进行旋转、平移或缩放中的一种或多种操作且同时得到所述机械臂的位姿误差的步骤还包括：

将所述图像特征等比缩放至与所述理想标定板图像重合，根据缩放倍数得到所述机械臂沿T轴平移的位置误差。

可选的，所述摄像头为双目摄像头，通过所述双目摄像头获取所述双目摄像头与所述标定板之间的距离，从而得到所述机械臂沿T轴平移的位置误差。

可选的，所述执行器末端还设置有测试工具，所述测试工具具有一位于所述摄像头与所述标定板之间的测试尖端，且所述测试尖端对准所述标定板的中心。

可选的，所述理想标定板图像为与所述位姿转换关系对应的理想棋盘格。

本发明还提供了一种机械臂的位姿误差的检测系统，包括：

机械臂，其执行器末端设置有标定板；

测试平台，具有固定端和移动端，所述移动端能够相对所述固定端移动，所述移动端上设置有摄像头，所述测试平台内存储有所述执行器末端与所述摄像头之间的位姿转换关系；以及，

上位机，与所述机械臂及所述测试平台信号连接，包括信号发送模块及位姿误差计算模块，所述信号发送模块用于向所述机械臂及所述测试平台发送测试位姿信息以使所述机械臂及所述摄像头移动至相应位姿处，所述位姿误差计算模块用于获取所述摄像头拍摄的原始图像，且将所述原始图像中对应所述标定板的图像特征提取出来并映射至一理想标定板图像中进行特征比对，以得到所述机械臂的位姿误差。

本发明提供的机械臂的位姿误差的检测方法及系统中，利用一测试平台进行检测，首先将标定板设置于机械臂的执行器末端，将摄像头设置于测试平台的移动端，对机械臂与摄像头进行手眼标定，得到机械臂的执行器末端与摄像头之间的位姿转换关系；在一测试位姿信息的控制下机械臂及测试平台均移动至相应位姿；摄像头拍摄标定板的原始图像，并提取出原始图像中对应标定板的图像特征；将图像特征映射至一理想标定板图像中进行特征比对即可得到机械臂的位姿误差。本发明利用测试平台替代人工改变机械臂到达的位姿，所以理论上可以检测连续、大量的点位，可完成整个测量空间点的位姿误差的全自动测量，机械臂的位置和姿态可同步检测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的机械臂的位姿误差的检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的姿态调整模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的机械臂的位姿误差的检测方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的机械臂的位姿误差的检测系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的机械臂的位姿误差的检测方法的另一流程图；

图6a-图6f为本发明实施例提供的机械臂在不同位姿误差下拍摄到的原始图像及图像特征的示意图；

图7为本发明实施例提供的机械臂的位姿误差的检测方法的又一流程图；

其中，附图标识为：

100-底盘；

200-位姿调整机构；210-位置调整模块；211-第一位置调整单元；212-第二位置调整单元；213-第三位置调整单元；220-姿态调整模块；221-第一姿态调整单元；222-第二姿态调整单元；223-第三姿态调整单元；

300-摄像头；

400、500-控制器；

600-上位机；

700-机械臂；701-执行器末端；

800-标定板；

001a、001b、001c、001d、001f、001g、001h-原始图像；002a、002b、002c、002d、002e、002f、002g、002h-图像特征；003-理想标定板图像；

a01、a02、b01、b02-理想标定板图像的边长；a11、a12、b11、b12-图像特征002a的边长；a21、a22、b21、b22-图像特征002b的边长；a31、a32、b31、b32-图像特征002c、002d的边长；a41、a42、b41、b42-图像特征002e的边长；a41'、a42'、b41'、b42'-图像特征002f的边长；a51、a52、b51、b52-图像特征002g的边长；a61、a62、b61、b62-图像特征002h的边长；O₁-图像特征的中心；O₂-理想标定板图像的中心。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图1为本实施例提供的机械臂的位姿误差的检测装置的结构示意图，图2为本实施例提供的姿态调整模块220的结构示意图，结合图1和图2所示，本实施例提供的机械臂的位姿误差的检测装置包括底盘100、位姿调整机构200、位姿检测机构、摄像头300及控制器400。

请继续参阅图1及图2，在本实施例中，以底盘100所在平面为参照系，X轴与Y轴在该平面内相互垂直，Z轴垂直于X轴、Y轴所在的平面。所述摄像头300设置于所述位姿调整机构200上，所述位姿调整机构200可带动所述摄像头300在X向、Y向、Z向两两形成的平面内运动以及绕X向、Y向、Z向旋转。本实施例中，所述位姿调整机构200包括位置调整模块210及姿态调整模块220，所述姿态调整模块220设置于所述位置调整模块210上，所述姿态调整模块220能够带动所述摄像头300在X向、Y向、Z向两两形成的平面内运动，从而实现在X向、Y向、Z向的三个方向上的平移自由度；所述摄像头300设置于所述姿态调整模块220上，所述姿态调整模块220可带动所述摄像头300绕X向、Y向及Z向旋转，从而实现绕X向、Y向、Z向上的旋转自由度。也就是说，所述位置调整模块210及所述姿态调整模块220分别负责三个自由度的运动，即，所述位置调整模块210用于调整所述摄像头300在空间中的位置，所述姿态调整模块220用于调整所述摄像头300在空间中的姿态，这里的空间在本实施例是指在X、Y、Z方向上建立的空间坐标系。

也就是说，所述摄像头300在位置调整模块210与姿态调整模块220的带动下在XYZ形成的空间坐标系内运动。

具体而言，所述位置调整模块210包括第一位置调整单元211、第二位置调整单元212及第三位置调整单元213。本实施例中，所述第一位置调整单元211设置于所述底盘100上且在所述底盘100上可绕Z向旋转。所述第二位置调整单元212及所述第三位置调整单元213均包括直线导轨和滑块。所述第二位置调整单元212的直线导轨沿Z向垂直设置于所述第一位置调整单元211上且可随所述第一位置调整单元211的旋转而绕Z向同步旋转，所述第二位置调整单元212的滑块可沿直线导轨在Z向移动；所述第三位置调整单元213的直线导轨垂直于所述第二位置调整单元212的直线导轨设置、且第三位置调整单元213可随所述第二位置调整单元212的滑块沿Z向移动，所述第三位置调整单元213的滑块可沿第三位置调整单元213的直线导轨沿X向移动，当第一位置调整单元211带动第二位置调整单元212同步旋转时，所述第三位置调整单元213的滑块即实现在XYZ形成的空间坐标系内运动。如此一来，所述第一位置调整单元211通过绕Z向旋转，相当于带动所述姿态调整模块220在Y向平移，所述第二位置调整单元212及所述第三位置调整单元213分别带动所述姿态调整模块在Z向平移及在X向平移，所述位置调整模块210即可实现带动所述姿态调整模块220在X向、Y向、Z向平移。

进一步地，如图2所示，所述姿态调整模块220包括第一姿态调整单元221、第二姿态调整单元222及第三姿态调整单元223。本实施例中，所述第一姿态调整单元221设置于所述第三位置调整单元213的滑块上且可随所述第三位置调整单元213的直线导轨移动(参考图1)，并且所述第一姿态调整单元221还可绕Z向旋转。所述第二姿态调整单元222设置于所述第一姿态调整单元221上且可随所述第一姿态调整单元221的旋转而同步绕Z向旋转，并且所述第二姿态调整单元222还可在垂直于Z向旋转。所述第三姿态调整单元223设置于所述第二姿态调整单元222上且可随所述第二姿态调整单元222的运动同步绕Z向旋转或者在绕着垂直于Z向旋转，并且所述第三姿态调整单元223还可绕X向旋转。所述摄像头300设置于所述第三姿态调整单元223上，如此一来，所述姿态调整模块220即可实现带动所述摄像头300绕X向、Y向、Z向旋转。

如上所述，所述位置调整模块210与所述姿态调整模块220可同步运动，从而调整所述摄像头300的位姿，并且在在X向、Y向、Z向平移及绕X向、Y向、Z向旋转的各个自由度方向均可实现均匀、连续的移动，所述摄像头300理论上可以以任意位姿到达所述位姿调整机构200运动范围内的任意点位。

本实施例中，所述第一位置调整单元211与所述第一姿态调整单元221具有相同的结构且设置的方向也相同，例如，所述第一位置调整单元211与所述第一姿态调整单元221均可为旋转台，但不应以此为限，所述第一位置调整单元211与所述第一姿态调整单元221的结构也可以不同，只要能够实现绕Z向旋转即可。

应理解，所述第二姿态调整单元222及所述第三姿态调整单元223也可为旋转台，与所述第一位置调整单元211及所述第一姿态调整单元221的区别在于，所述第二姿态调整单元222及所述第三姿态调整单元223的设置方式不同，使得所述第二姿态调整单元222及所述第三姿态调整单元223具有不同于所述第一位置调整单元211及所述第一姿态调整单元221的旋转方向。

本实施例中，所述第二位置调整单元212及所述第三位置调整单元213均为丝杠滑块导轨，丝杠滑块导轨中的丝杠和轨道可分别采用小导程紧密丝杆以及高精度轨道，从而提高移动精度。

本实施例中，所述第一位置调整单元211、第二位置调整单元212、第三位置调整单元213、第一姿态调整单元221、第二姿态调整单元222及第三姿态调整单元223均包括独立的驱动电机，所述控制器400可以通过控制各个驱动电机从而控制所述摄像头300在任意自由度上的位置，进而调整所述摄像头300的位姿。也就是说，每个自由度上的运动都采用独立驱动的方式，从而便于每个自由度上的位置检测以及运动控制。

当然，所述第一位置调整单元211、第二位置调整单元212、第三位置调整单元213、第一姿态调整单元221、第二姿态调整单元222及第三姿态调整单元223的驱动电机的设置方向可以按照实际的需求设计，此处不再一一举例说明。

进一步地，所述第一位置调整单元211、第二位置调整单元212、第三位置调整单元213、第一姿态调整单元221、第二姿态调整单元222及第三姿态调整单元223的驱动电机均为减速电机，例如可采用大减速比的减速电机，从而进一步提高了移动精度。当然，本发明中的驱动电机不限于是减速电机，也可以是其他的伺服电机，此处不再一一举例说明。

请继续参阅图1及图2，所述位姿检测机构包括两个位移检测单元及四个角度检测单元，所述位姿检测机构通过检测所述位姿调整机构200在每个自由度上的位置以得到所述摄像头300的位姿。

具体而言，两个所述位移检测单元分别设置于所述第二位置调整单元212及所述第三位置调整单元213上，以测量所述第二位置调整单元212及所述第三位置调整单元213平移的距离；四个所述角度检测单元对应设置于所述第一位置调整单元211、第一姿态调整单元221、第二姿态调整单元222及第三姿态调整单元223的驱动电机上，以测量所述第一位置调整单元211、第一姿态调整单元221、第二姿态调整单元222及第三姿态调整单元223旋转的角度。如此一来，根据所述第一位置调整单元211的旋转的角度结合所述第二位置调整单元212及所述第三位置调整单元213平移的距离可得到所述摄像头300的位置，根据所述第一姿态调整单元221、第二姿态调整单元222及第三姿态调整单元223的旋转的角度可得到所述摄像头300的姿态，结合六个传感器的检测信息即可获取所述摄像头300的位姿，能够使得实时获取的摄像头300的位姿具有极高的精度。

本实施例中，所述位移检测单元为光栅尺，所述光栅尺的标尺光栅可以设置于所述第二位置调整单元212及所述第三位置调整单元213的轨道上，所述光栅尺的光栅读头可以设置于所述第二位置调整单元212及所述第三位置调整单元213的滑块上。

本实施例中，所述角度检测单元为编码器，所述编码器可以是驱动电机中自带的编码器，也可以将单独的编码器设置于驱动电机的输出轴上；所述编码器可以是绝对编码器或相对编码器，不应以此为限。

可以理解的是，采用光栅尺及编码器来进行距离和角度的检测，可提高位姿检测的精度。

应理解，本发明中的位移检测单元及角度检测单元不限于是两个或四个，还可以根据需要设计其他的数量；所述位移检测单元及角度检测单元也不限于是光栅尺或编码器，还可以是其他能够检测距离和角度的传感器；所述位姿检测机构也不限于是利用位移检测单元或角度检测单元来进行位姿检测的，只要能够实现获取每个自由度上的位置的传感器或传感器组合均可。

进一步地，所述位姿检测机构将检测结果反馈给所述控制器400，所述控制器400根据所述位姿检测机构将检测结果控制每个驱动电机的输出，直至所述摄像头300移动至设定位姿。如此一来，本发明利用所述位姿检测机构的检测结果对所述位姿调整机构200的移动量进行了闭环控制，可以极大的提高所述位姿调整机构200的移动精度，进而提高了检测精度。通过实验，本发明中的位姿调整机构200在每个自由度上的移动精度可达0.01mm。

请继续参阅图1和图2，本实施例中，所述机械臂的位姿误差的检测装置还包括上位机，所述上位机与所述控制器400信号连接，以向所述控制器400发送控制信号，所述控制信号包含用于指示所述设定位姿的位姿信息。所述控制器400接收到所述控制信号后，控制各个驱动电机的输出，以使所述摄像头300移动至所述设定位姿。举例来说，所述控制信号例如是所述设定位姿的坐标信号(X₁、Y₁、Z₁、RX₁、RY₁、RZ₁)，所述控制器400接收到所述控制信号后，根据所述控制信号计算出每个所述驱动电机的输出量并控制各个驱动电机的输出，各个所述驱动电机开始驱动所述位姿调整机构200运动，所述摄像头300也同步开始运动。在所述位姿调整机构200的运动过程中，所述位姿检测机构实时检测所述摄像头300的位姿，当所述位姿检测机构检测到的所述摄像头300的位姿为(X₂、Y₂、Z₂、RX₂、RY₂、RZ₂)时，所述摄像头300还未到达所述设定位姿，此时所述控制器400根据检测到的所述摄像头300的位姿(X₂、Y₂、Z₂、RX₂、RY₂、RZ₂)控制各个驱动电机的输出，直至所述位姿检测机构检测到所述摄像头300的位姿为(X₁、Y₁、Z₁、RX₁、RY₁、RZ₁)，所述摄像头300到达所述设定位姿。

图3为本实施例提供的机械臂的位姿误差的检测方法的流程图。如图3所示，本实施例中的机械臂的位姿误差的检测方法利用一测试平台进行检测，所述测试平台具有固定端和移动端，所述移动端能够相对所述固定端移动，所述机械臂的位姿误差的检测方法包括：

步骤S1：将标定板设置于所述机械臂的执行器末端上，将摄像头设置于所述测试平台的移动端，对所述执行器末端与所述摄像头进行手眼标定，得到所述执行器末端与所述摄像头之间的位姿转换关系；

步骤S2：所述机械臂将所述标定板移动至一测试位姿指示的位姿处，所述测试平台根据所述位姿转换关系转换所述测试位姿信息以将所述摄像头移动至转换后的所述测试位姿信息指示的位姿处；

步骤S3：所述摄像头拍摄所述标定板的原始图像，并提取出所述原始图像中对应所述标定板的图像特征；

步骤S4：将所述图像特征映射至一理想标定板图像中进行特征比对，得到所述机械臂的位姿误差。

本实施例中的测试平台可以是图1和图2所示的机械臂的位姿误差的检测装置，也可以是与所述机械臂具有相同自由度的其他可移动机构，本发明不作限制。图4为利用图1和图2所示的机械臂的位姿误差的检测装置对机械臂进行位姿误差检测的示意图，接下来，将以测试平台为图1和图2所示的机械臂的位姿误差的检测装置为例对所述机械臂的位姿误差的检测方法进行详细说明。

图5为本实施例提供的机械臂的位姿误差的检测方法的另一流程图，结合图4及图5所示，机械臂700为待进行位姿误差检测的机械臂，其具有关节臂和位于关节臂末端的执行器，所述执行器包括执行器末端701，所述执行器末端701可以是用于固定工具的爪手，所述机械臂700的关节臂在空间内具有6个自由度。所述机械臂的位姿误差的检测装置作为测试平台，所述机械臂的位姿误差的检测装置的底座作为所述测试平台的固定端，位姿调整机构200的端部作为所述测试平台的移动端，所述位姿调整机构200上设置有摄像头300。

进一步地，所述机械臂700及所述机械臂的位姿误差的检测装置分别具有控制器500、400，所述控制器500、400分别用于控制机械臂700的关节臂以及所述位姿调整机构200的运动。所述控制器500、400与一上位机600信号连接，从而可从所述上位机600处接收控制信号。

首先执行步骤S1，将标定板800设置于所述机械臂700的执行器末端701上，所述执行器末端701可带动所述标定板800移动到测试位姿。本实施例中，所述标定板800为棋盘格标定板，在其他实施例中，所述标定板800也可以为实心圆阵列标定板，本发明不作限制。

本实施例中，所述标定板800上具有对位标识，也即，所述标定板800的两个对角上分别具有不同的图案，以用于标识所述标定板800的方向，便于后续的判定所述机械臂700的位姿误差的方向。

进一步地，将位姿调整机构200上的摄像头300作为手眼标定以及位姿误差检测的摄像头。

接下来，对所述机械臂700及所述摄像头300进行手眼标定，得到所述机械臂700的执行器末端701与所述摄像头300之间的位姿转换关系。参考图4，为了便于描述，以所述标定板800的中心为原点建立RST坐标系，其中，R轴和S轴在所述标定板800所在的平面内且分别沿所述标定板800的横向和纵向(也即是标定板800中棋盘格的横向和纵向)，以所述摄像头300的光心为原点建立UVW坐标系，其中，W轴沿所述摄像头300的光轴方向，U轴和V轴在与所述摄像头的光轴方向垂直的平面内，所述摄像头的光心也在该平面内，即，W轴垂直于UV平面。可以理解的是，本实施例中的RST坐标系相当于工具坐标系(Tool CoordinateSystem，TCS)，UVW坐标系相当于工件坐标系(Piece Coordinate System，PCS)，如图4所示，当所述标定板800与所述摄像头300正对时，T轴和W轴重合，R轴和U轴平行，S轴和V轴平行，当所述标定板800与所述摄像头300移动时，RST坐标系与UVW坐标系的原点的位置和坐标轴的方向会不断变化。

可以理解的是，RST坐标系是通过机械臂700的底座的基础坐标系通过旋转及位移变化而来，UVW坐标系是通过所述机械臂的位姿误差的检测装置的底座的基础坐标系通过旋转及位移变化而来，而所述机械臂700的底座与所述机械臂的位姿误差的检测装置的底座之间的相对位姿固定，如此一来，通过手眼标定得到的所述位姿转换关系是所述机械臂700的执行器末端701的坐标系(RST坐标系)到所述摄像头300的坐标系(UVW坐标系)的转换关系，这个转换关系在所述机械臂700以及所述摄像头300的移动过程中保持不变。

本实施例中对所述机械臂700及所述摄像头300进行手眼标定是典型的“眼在手外”的标定模型，其手眼标定方法此处不再赘述。

接着，执行步骤S2，首先将所述机械臂700的执行器末端701及所述位姿调整机构200均运动至其初始位置上，所述机械臂700的执行器末端701的初始位置可以机械臂700的特殊点位，所述位姿调整机构200的初始位置是与所述机械臂700的执行器末端701的初始位置相对应的位置，可通过上述手眼标定得到。

接下来，所述上位机600将一测试位姿信息输入所述控制器500、控制器400中。本实施例中，所述测试位姿信息为所述机械臂700的测试点位的坐标信息，例如，所述测试位姿信息用于指示位姿(R₁、S₁、T₁、RR₁、RS₁、RT₁)。所述控制器500控制所述机械臂700的关节臂驱动所述标定板800运动到位姿(R₁、S₁、T₁、RR₁、RS₁、RT₁)处；所述控制器400根据所述位姿转换关系转换所述测试位姿信息，转换后的所述测试位姿信息指示位姿(U₁、V₁、W₁、RU₁、RV₁、RW₁)，然后控制所述位姿调整机构200驱动所述摄像头300运动到位姿(U₁、V₁、W₁、RU₁、RV₁、RW₁)处。理想情况下，当所述标定板800移动至所述测试位姿信息指示的位姿处时，所述摄像头300移动至转换后的所述测试位姿信息指示的位姿处时，所述摄像头300的光心与所述标定板800的中心构成的虚拟连线垂直于所述标定板800所在的平面。

本实施例中，当所述控制器400控制所述位姿调整机构200驱动所述摄像头300运动到位姿(U₁、V₁、W₁、RU₁、RV₁、RW₁)处的过程中，所述控制器400还会实时读取所述位姿检测机构检测到的信息，从而对所述摄像头300的运动进行反馈调节，直至所述位姿调整机构200达到相应的位姿。可见，所述控制器400能够通过闭环控制使得所述摄像头300准确的移动至位姿(U₁、V₁、W₁、RU₁、RV₁、RW₁)处，提高了所述位姿调整机构200移动的精度。

执行步骤S3，当所述标定板800移动至位姿(R₁、S₁、T₁、RR₁、RS₁、RT₁)处，且所述摄像头300移动至位姿(U₁、V₁、W₁、RU₁、RV₁、RW₁)处时，所述摄像头300拍摄所述标定板800的原始图像。

接着提取所述原始图像中对应所述标定板800的图像特征。具体而言，在所述原始图像中，所述标定板800的图像特征与背景可明显的区别开，通过特征轮廓提取算法即可在所述原始图像中将所述标定板800的图像特征提取出来，提取所述图像特征后，所述图像特征的中心和边缘对应的像素都可确定。

最后执行步骤S4，将所述图像特征映射至一理想标定板图像中进行比对，得到所述机械臂700的位姿误差。本实施例中，由于所述标定板800是棋盘格标定板，所述理想标定板图像与所述位姿转换关系对应的理想棋盘格(国际象棋盘)。或者也可以理解为，所述理想标定板图像是所述机械臂700在理想无位姿误差的情况下移动至一测试位姿，所述摄像头300在所述测试位姿对应的位姿时拍摄到的原始图像中的标定板800的图像特征(此时所述摄像头300拍摄到的标定板800的图像特征即为理想棋盘格)。由于所述理想标定板图像是理想无误差的情况下得到的，当所述摄像头300拍摄到的原始图像中提取出的图像特征与所述理想标定板图像重合时，则表明所述机械臂700没有位姿误差；当所述摄像头300拍摄到的原始图像中提取出的图像特征与所述理想标定板图像不重合时，则表明所述机械臂700有位姿误差，通过对比所述图像特征与所述理想标定板图像即可得到所述机械臂700的位姿误差。

具体的，图6a～图6f为所述摄像头300拍摄所述标定板800得到的原始图像及图像特征的示意图，接下来将结合图4及图6a～图6f对所述机械臂700进行位姿误差分析。

图6a为所述机械臂700在理想情况下拍摄到的原始图像001a及图像特征002a的示意图，如图6a所示，理想情况下，所述机械臂700不存在位姿误差，所述摄像头300拍摄所述标定板800时，所述标定板800与所述摄像头300正对，并且，所述标定板800的中心与所述摄像头300的光心的虚拟连线垂直于所述标定板800所在的平面。如此一来，所述原始图像001a中对应所述标定板800的图像特征002a正处于所述原始图像001a的正中心(图像特征002a的中心O₁与所述原始图像001a的中心重合)，此时，所述图像特征002a的边框与所述原始图像001a的边框构成回字形，将所述图像特征002a映射至所述理想标定板图像003中，所述图像特征002a与所述理想标定板图像003重合(所述图像特征002a的中心O₁与所述理想标定板图像003的中心O₂重合，所述图像特征002a的边长a11、a12、b11、b12分别与所述理想标定板图像003的边长a01、a02、b01、b02相等)。

进一步地，当所述机械臂700存在位姿误差时，存在如下几种情况：

1)图6b为所述机械臂700具有沿R轴正向的位置误差时拍摄到的原始图像001b及图像特征002b的示意图。如图6b所示，当所述机械臂700存在沿R轴正向平移的位置误差时，在图6a中的图像特征002a的基础上，所述图像特征002b的中心O₁不与所述原始图像001b的中心重合，而是相对原始图像001b的中心沿R轴负向平移一定距离。将所述图像特征002b映射至所述理想标定板图像003中，所述图像特征002b与所述理想标定板图像003不重合(所述图像特征002b的中心O₁与所述理想标定板图像003的中心O₂沿R轴偏移H，所述图像特征002a的边长a21、a22、b21、b22分别与所述理想标定板图像003的边长a01、a02、b01、b02相等)，该距离H则为所述机械臂700沿R轴正向的位置误差。沿S轴平移的位置误差以及沿R轴负向平移的位置误差同理可得。

2)图6c为所述机械臂700具有绕T轴逆时针旋转的姿态误差和绕T轴顺时针旋转的姿态误差时拍摄到的原始图像001c、001d及图像特征002c、002d的示意图。如图6c所示，当所述机械臂700存在绕T轴逆时针旋转的姿态误差或绕T轴顺时针旋转的姿态误差时，在图6a中的图像特征002a的基础上，所述图像特征002c、002d在所述原始图像001c、001d的平面上绕其中心O₁分别顺时针和逆时针旋转了一个平面角度。将所述图像特征002c、002d映射至所述理想标定板图像003中，所述图像特征002c、002d与所述理想标定板图像003不重合(所述图像特征002c、002d的中心O₁与所述理想标定板图像003的中心O₂重合，所述图像特征002c、002d的边长a31、a32、b31、b32均与所述理想标定板图像003的边长a01、a02、b01、b02相等，所述图像特征002c、002d的网格线与所述理想标定板图像003的网格线对应不平行。所述图像特征002c、002d的网格线与所述理想标定板图像003的网格线对应的夹角(横向与横向之间的夹角或纵向与纵向之间的夹角)则为所述机械臂700沿绕T轴旋转的姿态误差。绕T轴顺时针旋转的姿态误差和绕T轴逆时针旋转的姿态误差同理可得。

3)图6d为所述机械臂700具有绕R轴逆时针旋转的姿态误差(从沿着S轴的方向看)和绕S轴顺时针旋转的姿态误差(从沿着R轴的方向看)时拍摄到的原始图像001e、001f及图像特征002e、002f的示意图。如图6d所示，当所述机械臂700存在绕R轴或S轴旋转的姿态误差时，在图6a中的图像特征002a的基础上，所述图像特征002e、002f则被扭曲为梯形(图像特征靠近摄像头的边长相应增大，远离摄像头的边长相应减小)。将所述图像特征002e、002f映射至所述理想标定板图像003中，所述图像特征002e、002f与所述理想标定板图像003不重合(所述图像特征002e、002f的中心O₁与所述理想标定板图像003的中心O₂重合，所述图像特征002e的边长b41、b42与所述理想标定板图像003的边长b01、b02相等，所述图像特征002e的边长a41、a42与所述理想标定板图像003的边长a01、a02不相等，所述图像特征002f的边长b41'、b42'与所述理想标定板图像003的边长b01、b02不相等，所述图像特征002e的边长a41'、a42'与所述理想标定板图像003的边长a01、a02相等，所述图像特征001e、001f的网格线与所述理想标定板图像003的网格线对应不平行)。绕R轴顺时针旋转的姿态误差或绕S轴逆时针旋转的姿态误差同理可得。

4)图6e为所述机械臂700具有绕R轴逆时针旋转的姿态误差(从沿着S轴的方向看)和绕S轴顺时针旋转的姿态误差(从沿着R轴的方向看)时拍摄到的原始图像001g及图像特征002g的示意图。如图6e所示，当所述机械臂700同时存在绕R轴及绕S轴旋转的姿态误差时，在图6a中的图像特征002a的基础上，所述图像特征002g被扭曲为不规则图形(图像特征的四边的边长均不相等)。将所述图像特征002g映射至所述理想标定板图像003中，所述图像特征002g与所述理想标定板图像003不重合(所述图像特征002g的中心O₁与所述理想标定板图像003的中心O₂重合，所述图像特征002g的边长a51、a52、b51、b52与所述理想标定板图像003的边长a01、a02、b01、b02均不相等，所述图像特征002g的网格线与所述理想标定板图像003的网格线对应不平行)。绕R轴顺时针旋转的姿态误差及绕S轴逆时针旋转的姿态误差同理可得。

5)图6f为所述机械臂700具有沿T轴负向平移的位置误差时拍摄到的原始图像001h及图像特征002h的示意图。如图6f所示，当所述机械臂700存在沿T轴负向平移的位置误差时，在图6a中的图像特征002a的基础上，所述图像特征002h被等比例缩小。将所述图像特征002h映射至所述理想标定板图像003中，所述图像特征002h与所述理想标定板图像003不重合(所述图像特征002h的中心O₁与所述理想标定板图像003的中心O₂重合，所述图像特征002h的边长a61、a62、b61、b62与所述理想标定板图像003的边长a01、a02、b01、b02均不相等，但所述图像特征002h的边长a61、a62、b61、b62可通过所述理想标定板图像003的边长a01、a02、b01、b02的等比例缩放得到，所述图像特征002h的网格线与所述理想标定板图像003的网格线对应平行)。沿T轴正向平移的位置误差同理可得。

6)以上至少两种位姿误差的组合，例如，既有绕T轴旋转的姿态误差又有沿R轴或沿S轴平移的位置误差，或者既有沿T轴平移的位置误差又有沿R轴或沿S轴平移的位置误差，或者既有绕R轴或S轴旋转的姿态误差及沿R轴或沿S轴平移的位置误差又有沿R轴或沿S轴平移的位置误差等等，此处不再一一举例说明。

基于此，请继续参阅图4，所述机械臂700在产生位姿误差时会导致所述原始图像中的图像特征产生对应上述6种情况的变化，由于所述图像特征与所述理想标定板图像重合时，所述机械臂700无位姿误差，只要将所述图像特征进行旋转、平移及缩放中的一种或多种操作直至所述图像特征与所述理想标定板图像重合，那么根据所述图像特征旋转的角度、平移的距离及缩放倍数即可得到所述机械臂的位姿误差。当然，由于所述图像特征可能会在平面内旋转，也可能会产生扭曲，所以所述旋转包括将所述图像特征绕其中心进行空间旋转及平面旋转，相应的，所述图像特征旋转的角度包括平面角度及空间角度。

应理解，由于所述标定板800上设置有对位标识，将所述图像特征映射至所述理想标定板图像上之后，所述对位标识可以指示所述图像特征的方向，所以可以精确的获取姿态误差的方向。本实施例中，所述标定板800与所述理想标定板图像均为方形，在其他实施例中，所述标定板800与所述理想标定板图像也可以是矩形。

作为可选实施例，所述机械臂700的执行器末端701上还可设置以测试工具，所述测试工具具有一位于所述摄像头300与所述标定板800之间的测试尖端，且所述测试尖端对准所述标定板800的中心。如此一来，所述摄像头300在拍摄所述标定板800时，也会拍摄到所述测试工具的测试尖端，所述原始图像及所述图像特征上均会具有对应所述测试尖端的特征，由于所述测试尖端是对准所述标定板800的中心的，提取出所述图像特征之后，所述图像特征上的所述测试尖端也会对准所述标定板的中心，使得所述图像特征的中心更明显，便于判断所述图像特征的中心是否与所述理想标定板图像的中心重合。

图7为将所述图像特征与所述理想标定板图像进行比对得到所述机械臂的位姿误差的步骤的流程图，接下来将结合图4及图7详细描述如何根据所述图像特征得到所述机械臂700的位姿误差。

将所述图像特征映射至所述理想标定板图像中后，执行步骤S41，将所述图像特征平移至中心与所述理想标定板图像的中心重合。此时，若所述图像特征平移的距离为0，表明所述图像特征没有沿R轴或沿S轴平移的位置误差；若所述图像特征沿R轴和/或沿S轴平移了一定距离，则所述图像特征沿R轴及S轴平移的距离则为所述机械臂700沿R轴及S轴平移的位置误差。进一步地，根据所述图像特征沿R轴及S轴平移的方向可得到所述机械臂700沿R轴及S轴平移的位置误差的方向。

当然，通过判断所述图像特征的中心与所述原始图像的中心是否重合也可以判定所述图像特征是否存在沿R轴或沿S轴平移的位置误差。

接着，执行步骤S42，将所述图像特征绕其中心进行空间旋转直至所述图像特征变为矩形(亦可理解为将图像特征的四个顶角变为90度)。此时，若所述图像特征进行空间旋转的空间角度为0，表明所述图像特征没有绕R轴或绕S轴旋转的姿态误差；若所述图像特征绕R轴和/或绕S轴旋转了一定空间角度，则所述图像特征绕R轴及绕S轴旋转的空间角度则为所述机械臂700绕R轴及绕S轴旋转的姿态误差。进一步地，根据所述图像特征绕R轴及绕S轴旋转的方向可得到所述机械臂700绕R轴及绕S轴旋转的姿态误差的方向。

接下来，执行步骤S43，将所述图像特征绕其中心进行平面旋转直至所述图像特征的网格线与所述理想标定板图像的网格线对应平行。此时，若所述图像特征进行平面旋转的平面角度为0，表明所述图像特征没有绕T轴旋转的姿态误差；若所述图像特征绕T轴旋转了一定平面角度，则所述图像特征绕T轴旋转的平面角度则为所述机械臂700绕T轴旋转的姿态误差。进一步地，根据所述图像特征绕T轴旋转的方向可得到所述机械臂700绕T轴旋转的姿态误差的方向。

接下来，执行步骤S44，将所述图像特征等比缩放至与所述理想标定板图像重合。此时，若所述图像特征的缩放倍数为0，表明所述图像特征没有沿T轴平移的位置误差；若所述图像特征缩放了一定的倍数，则所述机械臂700沿T轴平移的位置误差可根据所述缩放倍数根据相似三角形原理计算得到。进一步地，所述机械臂700沿T轴平移的位置误差的方向可根据所述图像特征是扩大还是缩小得到。

应理解，当所述摄像头300为双目摄像头时，所述双目摄像头可直接测得与所述标定板800之间的距离。由于所述通过所述摄像头300与所述标定板800之间的距离在手眼标定阶段已经得到，此时可通过所述双目摄像头的检测结果直接得到所述机械臂700沿T轴平移的位置误差。

如此一来，执行步骤S41～S44即可得到所述机械臂700沿R轴、S轴及T轴平移的位置误差以及绕R轴、S轴及T轴旋转的姿态误差。然后重复如上步骤直至将所述机械臂700所有需要测试的点位测试完，每个点位上均获得所述机械臂700的位姿误差，测试完成后，可将所述误差存储至上位机，然后计算所述机械臂700的位姿误差的高斯分布及频谱分析，输出误差分析报告，以便于操作人员查看。进一步，还可以生成所述机械臂700的位姿误差数据库，便于后续查询。

基于此，如图4所示，本实施例还提供了一种机械臂的位姿误差的检测系统，包括：

机械臂700，其执行器末端701设置有标定板800；

测试平台，具有固定端和移动端，所述移动端能够相对所述固定端移动，所述移动端上设置有摄像头300，所述测试平台内存储有所述机械臂700的执行器末端701与所述摄像头300之间的位姿转换关系；

上位机600，与所述机械臂700及所述测试平台信号连接，包括信号发送模块及位姿误差计算模块，所述信号发送模块用于向所述机械臂700及所述测试平台发送测试位姿信息以使所述机械臂700及所述摄像头300移动至相应位姿处，所述位姿误差计算模块用于获取所述摄像头300拍摄的原始图像，且将所述原始图像中对应所述标定板800的图像特征提取出来并映射至一理想标定板图像中进行特征比对，以得到所述机械臂700的位姿误差。

本实施例中，所述测试平台可以是如图1～图2所示的机械臂的位姿误差的检测装置，也可以是其他可移动的检测机构，本发明不作限制。

综上，所述机械臂的位姿误差的检测方法及系统利用一测试平台进行检测，利用一测试平台进行检测，首先将标定板设置于机械臂的执行器末端，将摄像头设置于测试平台的移动端，对机械臂与摄像头进行手眼标定，得到机械臂的执行器末端与摄像头之间的位姿转换关系；在一测试位姿信息的控制下机械臂及测试平台均移动至相应位姿；摄像头拍摄标定板的原始图像，并提取出原始图像中对应标定板的图像特征；将图像特征映射至一理想标定板图像中进行特征比对即可得到机械臂的位姿误差。本发明利用测试平台替代人工改变机械臂到达的位姿，所以理论上可以检测连续、大量的点位，可完成整个测量空间点的位姿误差的全自动测量，机械臂的位置和姿态可同步检测。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种机械臂的位姿误差的检测方法，利用一测试平台进行检测，所述测试平台具有固定端和移动端，所述移动端能够相对所述固定端移动，其特征在于，包括：

将标定板设置于所述机械臂的执行器末端上，将摄像头设置于所述测试平台的移动端，对所述执行器末端与所述摄像头进行手眼标定，得到所述执行器末端与所述摄像头之间的位姿转换关系；

所述机械臂将所述标定板移动至一测试位姿指示的位姿处，所述测试平台根据所述位姿转换关系转换所述测试位姿信息以将所述摄像头移动至转换后的所述测试位姿信息指示的位姿处；

所述摄像头拍摄所述标定板的原始图像，并提取出所述原始图像中对应所述标定板的图像特征；以及，

将所述图像特征映射至一理想标定板图像中进行特征比对，得到所述机械臂的位姿误差。

2.如权利要求1所述的机械臂的位姿误差的检测方法，其特征在于，所述标定板上设置有对位标识。

3.如权利要求2所述的机械臂的位姿误差的检测方法，其特征在于，所述特征比对的步骤包括：

将所述图像特征映射至所述理想标定板图像中；

对所述图像特征进行旋转、平移或缩放中的一种或多种操作直至所述图像特征与所述理想标定板图像重合；以及，

根据所述图像特征的旋转角度、平移距离及缩放倍数得到所述机械臂的位姿误差，其中，所述位姿误差包括旋转角度、平移距离及缩放倍数中的一个或多个。

4.如权利要求3所述的机械臂的位姿误差的检测方法，其特征在于，对所述图像特征进行旋转，包括将所述图像特征绕其中心进行空间旋转及平面旋转，所述图像特征的旋转角度包括平面角度及空间角度。

5.如权利要求3或4所述的机械臂的位姿误差的检测方法，其特征在于，以所述标定板的中心为原点建立RST坐标系，其中，R轴和S轴在所述标定板所在的平面内且分别沿所述标定板的横向和纵向，T轴垂直于所述标定板所在的平面，所述机械臂的位姿误差包括沿R轴、S轴及T轴平移的位置误差和/或绕R轴、S轴及T轴旋转的姿态误差。

6.如权利要求5所述的机械臂的位姿误差的检测方法，其特征在于，对所述图像特征进行旋转、平移或缩放中的一种或多种操作且同时得到所述机械臂的位姿误差的步骤包括：

获取所述图像特征的中心，将所述图像特征平移至中心与所述理想标定板图像的中心重合，所述图像特征沿R轴和/或S轴平移的距离为所述机械臂沿R轴和/或S轴平移的位置误差；

将所述图像特征绕其中心进行空间旋转直至变为矩形，所述图像特征沿R轴和/或S轴旋转的空间角度为所述机械臂绕R轴及绕S轴旋转的姿态误差；以及，

将所述图像特征绕其中心进行平面旋转直至所述图像特征的网格线与所述理想标定板图像的网格线对应平行，所述图像特征绕T轴旋转的平面角度为所述机械臂绕T轴旋转的姿态误差。

7.如权利要求6所述的机械臂的位姿误差的检测方法，其特征在于，得到绕T轴旋转的平面角度为所述机械臂绕T轴旋转的姿态误差之后，对所述图像特征进行旋转、平移或缩放中的一种或多种操作且同时得到所述机械臂的位姿误差的步骤还包括：

将所述图像特征等比缩放至与所述理想标定板图像重合，根据缩放倍数得到所述机械臂沿T轴平移的位置误差。

8.如权利要求6所述的机械臂的位姿误差的检测方法，其特征在于，所述摄像头为双目摄像头，通过所述双目摄像头获取所述双目摄像头与所述标定板之间的距离，从而得到所述机械臂沿T轴平移的位置误差。

9.如权利要求1所述的机械臂的位姿误差的检测方法，其特征在于，所述执行器末端还设置有测试工具，所述测试工具具有一位于所述摄像头与所述标定板之间的测试尖端，且所述测试尖端对准所述标定板的中心。

10.如权利要求1所述的机械臂的位姿误差的检测方法，其特征在于，所述理想标定板图像为与所述位姿转换关系对应的理想棋盘格。

11.一种机械臂的位姿误差的检测系统，其特征在于，包括：

机械臂，其执行器末端设置有标定板；

测试平台，具有固定端和移动端，所述移动端能够相对所述固定端移动，所述移动端上设置有摄像头，所述测试平台内存储有所述执行器末端与所述摄像头之间的位姿转换关系；以及，

上位机，与所述机械臂及所述测试平台信号连接，包括信号发送模块及位姿误差计算模块，所述信号发送模块用于向所述机械臂及所述测试平台发送测试位姿信息以使所述机械臂及所述摄像头移动至相应位姿处，所述位姿误差计算模块用于获取所述摄像头拍摄的原始图像，且将所述原始图像中对应所述标定板的图像特征提取出来并映射至一理想标定板图像中进行特征比对，以得到所述机械臂的位姿误差。

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