CN116038721B - 一种无运动学参与的手眼标定方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无运动学参与的手眼标定方法和系统，通过控制五轴运动平台的平移轴做单轴点位运动，使用相机获取标定板的第一空间坐标，对所有第一空间坐标进行空间直线拟合，得到空间直线单位方向向量，对得到的XYZ三个方向上的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到姿态关系矩阵，通过旋转A轴和C轴的方式获取标定板的第二空间坐标，对所有第二空间坐标进行空间球面拟合，计算球心坐标，得到位置关系矩阵，得到由姿态关系矩阵和位置关系矩阵组合而成的手眼关系矩阵。解决了眼在手外的手眼标定方式下的由于平台运动学模型推算出的理论平台末端位姿矩阵与实际平台末端位姿矩阵之间的误差，导致手眼标定结果不准确的技术问题。

Description

一种无运动学参与的手眼标定方法和系统

技术领域

本发明涉及机器人手眼标定技术领域，尤其涉及一种无运动学参与的手眼标定方法和系统。

背景技术

随着科学技术的发展，多自由度的精密运动平台在工业生产中得到了广泛的应用，在生产中利用视觉方法进行位姿估计来帮助运动平台实现精准的目标抓取或加工具有重要意义。

机器人手眼标定是利用视觉方法进行位姿估计来帮助运动平台实现精准的目标抓取或加工的一个非常基础且关键的技术。简单来说，手眼标定的目的就是获取运动平台坐标系和相机坐标系之间的关系，以便于将视觉识别的结果转移到运动平台坐标系下。手眼标定按照相机的安装方式可以分为两类：眼在手外的手眼标定和眼在手上的手眼标定。现有的手眼标定方法是利用一个标定板，通过求解形如AX=BX的高维非线性矩阵方程来进行手眼标定，该矩阵方程中，A与B均是已知量，分别为相机测量出的标定板坐标系在相机坐标系下的位姿矩阵和平台运动学模型（即描述平台在加工过程中刀具与工件的相对运动关系的数学模型）推算出的平台末端位姿矩阵，X为待求解的手眼关系矩阵。然而，由于平台运动学模型推算出的理论平台末端位姿矩阵与实际平台末端位姿矩阵之间的误差难以消除，尤其是误差较大的情况下，无法准确求解手眼关系矩阵，导致手眼标定结果不准确。因此，本发明中提供了一种无运动学参与的手眼标定方法，用于针对眼在手外的手眼标定方式，解决由于平台运动学模型推算出的理论平台末端位姿矩阵与实际平台末端位姿矩阵之间的误差难以消除，尤其是误差较大的情况下，无法准确求解手眼关系矩阵，导致手眼标定结果不准确的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种无运动学参与的手眼标定方法和系统，用于解决眼在手外的手眼标定方式下的由于平台运动学模型推算出的理论平台末端位姿矩阵与实际平台末端位姿矩阵之间的误差，导致手眼标定结果不准确的技术问题。

有鉴于此，本发明第一方面提供了一种无运动学参与的手眼标定方法和方法，包括：

S1、基于五轴运动平台搭建眼在手外的手眼标定平台；

S2、控制五轴运动平台其中一个平移轴做单轴点位运动，其中，控制五轴运动平台的平移轴包括X轴、Y轴和Z轴；

S3、通过相机采集控制五轴运动平台做单轴点位运动过程中的标定板的第一空间坐标；

S4、当采集到的第一空间坐标达到第一预置数量后，将所有第一空间坐标拟合成空间直线；

S5、判断所有第一空间坐标偏离空间直线的距离是否在第一最大偏移距离范围内，若是，则根据空间直线方程获取空间直线单位方向向量，若否，则剔除偏离距离最大的第一空间坐标，返回步骤S4；

S6、判断是否已完成五轴运动平台所有平移轴的单轴点位运动，若否，则控制五轴运动平台对下一个平移轴做单轴点位运动，返回步骤S3，若是，则执行步骤S7；

S7、对X轴、Y轴和Z轴的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到由正交化后的方向向量组合成的姿态关系矩阵；

S8、控制五轴运动平台复位；

S9、将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标；

S10、当采集到的第二空间坐标达到第二预置数量后，将所有第二空间坐标拟合成空间球面；

S11、判断所有第二空间坐标偏离空间球面的距离是否在第二最大偏移距离范围内，若是，则计算空间球面的球心坐标，得到位置关系矩阵，若否，则剔除偏离距离最大的第二空间坐标，返回步骤S10；

S12、根据姿态关系矩阵和位置关系矩阵，得到手眼关系矩阵。

可选地，步骤S9具体包括：

将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，判断标定板是否在相机视野范围内，若是，则偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标，若否，则控制五轴运动平台做平移运动，将标定板移动回相机视野范围内，并根据平移轴运动量和各平移轴的方向向量计算移动前标定板的第二空间坐标。

可选地，步骤S10具体包括：

判断第二空间坐标的数量是否达到第二预置数量，若否，则返回步骤S9，若是，则将所有第二空间坐标拟合成空间球面。

可选地，步骤S4具体包括：

判断第一空间坐标的数量是否达到第一预置数量，若否，则返回步骤S3，若是，则将所有第一空间坐标拟合成空间直线。

可选地，手眼关系矩阵为：

；

其中，为手眼关系矩阵，/>为姿态关系矩阵，/>为位置关系矩阵。

可选地，步骤S4中，采用最小二乘法将所有第一空间坐标拟合成空间直线，步骤S10中，采用最小二乘法将所有第二空间坐标拟合成空间球面。

本发明第二方面提供了一种无运动学参与的手眼标定系统，包括：

平台搭建单元，用于基于五轴运动平台搭建眼在手外的手眼标定平台；

平移运动单元，用于控制五轴运动平台其中一个平移轴做单轴点位运动，其中，控制五轴运动平台的平移轴包括X轴、Y轴和Z轴；

第一采点单元，用于通过相机采集控制五轴运动平台做单轴点位运动过程中的标定板的第一空间坐标；

第一拟合单元，用于当采集到的第一空间坐标达到第一预置数量后，将所有第一空间坐标拟合成空间直线；

第一距离判断单元，用于判断所有第一空间坐标偏离空间直线的距离是否在第一最大偏移距离范围内，若是，则根据空间直线方程获取空间直线单位方向向量，若否，则剔除偏离距离最大的第一空间坐标，返回执行第一拟合单元；

平移轴判断单元，用于判断是否已完成五轴运动平台所有平移轴的单轴点位运动，若否，则控制五轴运动平台对下一个平移轴做单轴点位运动，返回执行第一采点单元，若是，则执行正交化单元；

正交化单元，用于对X轴、Y轴和Z轴的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到由正交化后的方向向量组合成的姿态关系矩阵；

复位单元，用于控制五轴运动平台复位；

第二采点单元，用于将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标；

第二拟合单元，用于当采集到的第二空间坐标达到第二预置数量后，将所有第二空间坐标拟合成空间球面；

第二距离判断单元，用于判断所有第二空间坐标偏离空间球面的距离是否在第二最大偏移距离范围内，若是，则计算空间球面的球心坐标，得到位置关系矩阵，若否，则剔除偏离距离最大的第二空间坐标，返回执行第二拟合单元；

定标单元，用于根据姿态关系矩阵和位置关系矩阵，得到手眼关系矩阵。

可选地，第二采点单元具体用于：

将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，判断标定板是否在相机视野范围内，若是，则偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标，若否，则控制五轴运动平台做平移运动，将标定板移动回相机视野范围内，并根据平移轴运动量和各平移轴的方向向量计算移动前标定板的第二空间坐标。

可选地，第二拟合单元具体用于：

判断第二空间坐标的数量是否达到第二预置数量，若否，则返回执行第二采点单元，若是，则将所有第二空间坐标拟合成空间球面。

可选地，第一拟合单元具体用于：

判断第一空间坐标的数量是否达到第一预置数量，若否，则返回执行第一采点单元，若是，则将所有第一空间坐标拟合成空间直线。

从以上技术方案可以看出，本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法和系统具有以下优点：

本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法，通过控制五轴运动平台的平移轴做单轴点位运动，使用相机对五轴运动平台末端上的标定板进行第一空间坐标的获取，对获取到的所有第一空间坐标进行空间直线拟合，得到空间直线单位方向向量，然后对得到的XYZ三个方向上的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到姿态关系矩阵，然后通过旋转五轴运动平台的A轴和C轴的方式获取标定板的第二空间坐标，对所有第二空间坐标进行空间球面拟合，计算球心坐标，得到位置关系矩阵，从而得到由姿态关系矩阵和位置关系矩阵组合而成的手眼关系矩阵，整个手眼标定过程无需平台运动学模型而可以简单便捷地准确求解出手眼关系矩阵，避免了平台运动学模型不准确导致的手眼关系矩阵求解错误的情况发生，解决了眼在手外的手眼标定方式下的由于平台运动学模型推算出的理论平台末端位姿矩阵与实际平台末端位姿矩阵之间的误差，导致手眼标定结果不准确的技术问题。

同时，本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法，在求解姿态关系矩阵时，先求得各平移轴在相机坐标系下的方向向量，而后再根据方向向量使用施密特正交化求得姿态关系矩阵，可以确保五轴运动平台在组装过程中即使存在各轴不完全垂直的问题下，也能求解得出准确的三阶正交矩阵，保证了手眼标定结果的可靠性。

进一步的，本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法，在求解位姿关系矩阵时，对于偏离出相机视野的点也可以根据所求得的平移轴方向向量间接求解出标定板在相机坐标系下的空间位置，大大拓宽了进行手眼标定时五轴运动平台的运动范围。

进一步地，本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法，对偏离空间直线或偏离空间球面大的数据进行了剔除，提高了求解手眼关系矩阵的精度，进一步提高了手眼标定结果的准确性。

本发明提供的无运动学参与的手眼标定系统，用于执行本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法，其原理和所取得的技术效果与本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明提供的一种无运动学参与的手眼标定方法的流程示意图；

图2为本发明提供的一种无运动学参与的手眼标定方法的逻辑框图；

图3为五轴运动平台的结构简图；

图4为本发明提供的标定板偏转出相机视野的情况示意图；

图5为本发明提供的一种无运动学参与的手眼标定系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。

为了便于理解，请参阅图1至图3，本发明中提供了一种无运动学参与的手眼标定方法的实施例，包括：

步骤101、基于五轴运动平台搭建眼在手外的手眼标定平台。

需要说明的是，如图3所示，五轴运动平台的五轴分别为X轴、Y轴、Z轴、A轴和C轴，X轴、Y轴和Z轴为平移轴，A轴和C轴为旋转轴。五轴运动平台的基座坐标系原点为平台处于初始位置时，A轴旋转方向与C轴旋转方向的交点。相机的安装方式为眼在手外，由图3可知，手眼标定待求的手眼关系矩阵即为平台基座坐标系在相机坐标系下的位姿矩阵。

步骤102、控制五轴运动平台其中一个平移轴做单轴点位运动，其中，控制五轴运动平台的平移轴包括X轴、Y轴和Z轴。

需要说明的是，眼在手外的手眼标定方式中，相机固定在机器臂之外，相机和机器臂底座相对静止，机械臂末端C轴上放置标定板。在搭建好手眼标定平台后，控制五轴运动平台其中一个平移轴（例如X轴）做单轴点位运动，要确保标定板始终在相机的视野范围内。

步骤103、通过相机采集控制五轴运动平台做单轴点位运动过程中的标定板的第一空间坐标。

需要说明的是，运动的平移轴每运动到一个测量点后，相机拍摄此时的标定板，获取标定板在相机坐标系下的第一空间坐标，多次采集后即可获得多个第一空间坐标/>。

步骤104、当采集到的第一空间坐标达到第一预置数量后，将所有第一空间坐标拟合成空间直线。

需要说明的是，当采集到的标定板的第一空间坐标数量足够后，将所有第一空间坐标拟合出空间直线，其中，可以采用最小二乘法拟合出空间直线。若采集到的第一空间坐标数量不足，则返回步骤103控制五轴运动平台继续做单轴点位运动，获得足够数量的第一空间坐标。

步骤105、判断所有第一空间坐标偏离空间直线的距离是否在第一最大偏移距离范围内，若是，则根据空间直线方程获取空间直线单位方向向量，若否，则剔除偏离距离最大的第一空间坐标，返回步骤104。

需要说明的是，当拟合出空间直线之后，判断所有第一空间坐标偏离空间直线的距离是否在第一最大偏移距离范围内，若所有第一空间坐标偏离空间直线的距离都在第一最大偏移距离范围内，则根据空间直线方程获取空间直线单位方向向量，/>即为五轴运动平台的X轴的方向在相机坐标系下的数值表示，同理，/>即为五轴运动平台的Y轴的方向在相机坐标系下的数值表示，/>即为五轴运动平台的Z轴的方向在相机坐标系下的数值表示。若存在有第一空间坐标偏离空间直线的距离不在第一最大偏移距离范围内的情况，则采用RANSAC方法剔除偏离距离最大的第一空间坐标，返回步骤104重新拟合空间直线。

步骤106、判断是否已完成五轴运动平台所有平移轴的单轴点位运动，若否，则控制五轴运动平台对下一个平移轴做单轴点位运动，返回步骤103，若是，则执行步骤107。

需要说明的是，当完成一个平移轴上的空间直线单位方向向量计算后，判断是否已完成五轴运动平台所有平移轴的单轴点位运动，若有未完成的平移轴空间直线单位方向向量计算，则控制五轴运动平台对下一个平移轴（如已完成X平移轴，则下一平移轴为Y平移轴或Z平移轴）做单轴点位运动，返回重新执行步骤103至步骤106，直至所有平移轴均计算出空间直线单位方向向量。若已完成五轴运动平台所有平移轴的单轴点位运动，则进入步骤107。

步骤107、对X轴、Y轴和Z轴的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到由正交化后的方向向量组合成的姿态关系矩阵。

需要说明的是，在得到X轴、Y轴和Z轴的空间直线单位方向向量之后，即可构建初始的姿态关系矩阵：

；

初始的姿态关系矩阵完全由各平移轴的单位向量拼凑而成。

五轴运动平台在实际装配中存在误差，会导致各平移轴之间并不完全垂直，所以求得的三个单位方向向量并不互相垂直，从而导致并不是正交矩阵。为了求得可用的姿态关系矩阵/>，需要对X轴、Y轴和Z轴的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到三个相互垂直的单位方向向量，从而得到由正交化后的方向向量组合成的姿态关系矩阵：

；

其中，为施密特正交化后得到的X轴单位方向向量，为施密特正交化后得到的Y轴单位方向向量，/>为施密特正交化后得到的Z轴单位方向向量。

步骤108、控制五轴运动平台复位。

需要说明的是，在求得姿态关系矩阵之后，将五轴运动平台复位回零，是五轴运动平台处于初始位置，再执行步骤109。

步骤109、将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标。

需要说明的是，将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，多次偏转C轴做点位运动，每运动到一个测量点，相机拍摄此时的标定板，获取标定板在相机坐标系下的第二空间坐标。

在一个实施例中，由于A轴的偏转可能会出现标定板偏转出相机视野范围的情况，如图4所示。为避免标定板偏转出相机视野范围导致的结果误差，在步骤109中，将五轴运动平台的A轴偏转预置角度之后，先判断标定板是否在相机视野范围内，若是，则偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标，若否，则控制五轴运动平台做平移运动，将标定板移动回相机视野范围内，并根据平移轴运动量和各平移轴的方向向量计算移动前标定板的第二空间坐标。具体地，控制五轴运动平台做平移运动，将标定板移动回相机视野范围内后，获取标定板在相机坐标系下的空间位置，同时记录各平移轴相较于回零点（初始位置）的运动量/>、/>和/>。显然此时的p坐标并不在以五轴运动平台基座坐标系原点为球心的空间球面上。假设五轴运动平台未移动时标定板在相机坐标系下的空间位置为/>，则有/>，可得：

；

为真正所要求解的在球面上的一点。此时用/>替换p即可。

步骤110、当采集到的第二空间坐标达到第二预置数量后，将所有第二空间坐标拟合成空间球面。

需要说明的是，若采集到的第二空间坐标数量已经足够，由于所有第二空间坐标点均在以五轴运动平台基座坐标系原点为圆心的球面上，可直接将所有第二空间坐标拟合成空间球面，其中，可以采用最小二乘法将所有第二空间坐标拟合成空间球面。若采集到的第二空间坐标数量不足，则可将A轴再偏转一定角度，多次偏转C轴做点位运动，每运动到一个测量点，相机拍摄此时的标定板，获取标定板在相机坐标系下的第二空间坐标。以此重复，直到获得足够的第二空间坐标数量。

步骤111、判断所有第二空间坐标偏离空间球面的距离是否在第二最大偏移距离范围内，若是，则计算空间球面的球心坐标，得到位置关系矩阵，若否，则剔除偏离距离最大的第二空间坐标，返回步骤110。

需要说明的是，当拟合出空间球面之后，判断所有第二空间坐标偏离空间球面的距离是否在第二最大偏移距离范围内，若所有第二空间坐标偏离空间球面的距离均在第二最大偏移距离范围内，则可计算出空间球面的球心坐标，空间球面的球心坐标即为位置关系矩阵：

；

其中，为空间球面的球心坐标。

若存在有第二空间坐标偏离空间球面的距离不在第二最大偏移距离范围内的情况，则剔除偏离距离最大的第二空间坐标，返回步骤110重新拟合空间球面。

步骤112、根据姿态关系矩阵和位置关系矩阵，得到手眼关系矩阵。

需要说明的是，手眼标定实际为求解相机坐标系与平台坐标系之间的一个固定不变的位姿矩阵，即手眼关系矩阵。在得到姿态关系矩阵/>和位置关系矩阵/>之后，可得到手眼关系矩阵：

；

本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法，通过控制五轴运动平台的平移轴做单轴点位运动，使用相机对五轴运动平台末端上的标定板进行第一空间坐标的获取，对获取到的所有第一空间坐标进行空间直线拟合，得到空间直线单位方向向量，然后对得到的XYZ三个方向上的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到姿态关系矩阵，然后通过旋转五轴运动平台的A轴和C轴的方式获取标定板的第二空间坐标，对所有第二空间坐标进行空间球面拟合，计算球心坐标，得到位置关系矩阵，从而得到由姿态关系矩阵和位置关系矩阵组合而成的手眼关系矩阵，整个手眼标定过程无需平台运动学模型而可以简单便捷地准确求解出手眼关系矩阵，避免了平台运动学模型不准确导致的手眼关系矩阵求解错误的情况发生，解决了眼在手外的手眼标定方式下的由于平台运动学模型推算出的理论平台末端位姿矩阵与实际平台末端位姿矩阵之间的误差，导致手眼标定结果不准确的技术问题。

同时，本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法，在求解姿态关系矩阵时，先求得各平移轴在相机坐标系下的方向向量，而后再根据方向向量使用施密特正交化求得姿态关系矩阵，可以确保五轴运动平台在组装过程中即使存在各轴不完全垂直的问题下，也能求解得出准确的三阶正交矩阵，保证了手眼标定结果的可靠性。

进一步的，本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法，在求解位姿关系矩阵时，对于偏离出相机视野的点也可以根据所求得的平移轴方向向量间接求解出标定板在相机坐标系下的空间位置，大大拓宽了进行手眼标定时五轴运动平台的运动范围。

进一步地，本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法，对偏离空间直线或偏离空间球面大的数据进行了剔除，提高了求解手眼关系矩阵的精度，进一步提高了手眼标定结果的准确性。

为了便于理解，请参阅图5，本发明中提供了一种无运动学参与的手眼标定系统的实施例，包括：

平台搭建单元，用于基于五轴运动平台搭建眼在手外的手眼标定平台；

平移运动单元，用于控制五轴运动平台其中一个平移轴做单轴点位运动，其中，控制五轴运动平台的平移轴包括X轴、Y轴和Z轴；

第一采点单元，用于通过相机采集控制五轴运动平台做单轴点位运动过程中的标定板的第一空间坐标；

第一拟合单元，用于当采集到的第一空间坐标达到第一预置数量后，将所有第一空间坐标拟合成空间直线；

第一距离判断单元，用于判断所有第一空间坐标偏离空间直线的距离是否在第一最大偏移距离范围内，若是，则根据空间直线方程获取空间直线单位方向向量，若否，则剔除偏离距离最大的第一空间坐标，返回执行第一拟合单元；

平移轴判断单元，用于判断是否已完成五轴运动平台所有平移轴的单轴点位运动，若否，则控制五轴运动平台对下一个平移轴做单轴点位运动，返回执行第一采点单元，若是，则执行正交化单元；

正交化单元，用于对X轴、Y轴和Z轴的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到由正交化后的方向向量组合成的姿态关系矩阵；

复位单元，用于控制五轴运动平台复位；

第二采点单元，用于将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标；

第二拟合单元，用于当采集到的第二空间坐标达到第二预置数量后，将所有第二空间坐标拟合成空间球面；

第二距离判断单元，用于判断所有第二空间坐标偏离空间球面的距离是否在第二最大偏移距离范围内，若是，则计算空间球面的球心坐标，得到位置关系矩阵，若否，则剔除偏离距离最大的第二空间坐标，返回执行第二拟合单元；

定标单元，用于根据姿态关系矩阵和位置关系矩阵，得到手眼关系矩阵。

第二采点单元具体用于：

将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，判断标定板是否在相机视野范围内，若是，则偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标，若否，则控制五轴运动平台做平移运动，将标定板移动回相机视野范围内，并根据平移轴运动量和各平移轴的方向向量计算移动前标定板的第二空间坐标。

第二拟合单元具体用于：

判断第二空间坐标的数量是否达到第二预置数量，若否，则返回执行第二采点单元，若是，则将所有第二空间坐标拟合成空间球面。

第一拟合单元具体用于：

判断第一空间坐标的数量是否达到第一预置数量，若否，则返回执行第一采点单元，若是，则将所有第一空间坐标拟合成空间直线。

手眼关系矩阵为：

；

其中，为手眼关系矩阵，/>为姿态关系矩阵，/>为位置关系矩阵。

本发明提供的无运动学参与的手眼标定系统，用于执行本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法，其原理和所取得的技术效果与本发明提供的无运动学参与的手眼标定方法相同，在此不再赘述。

本发明的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种无运动学参与的手眼标定方法，其特征在于，包括：

S1、基于五轴运动平台搭建眼在手外的手眼标定平台；

S2、控制五轴运动平台其中一个平移轴做单轴点位运动，其中，控制五轴运动平台的平移轴包括X轴、Y轴和Z轴；

S3、通过相机采集控制五轴运动平台做单轴点位运动过程中的标定板的第一空间坐标；

S4、当采集到的第一空间坐标达到第一预置数量后，将所有第一空间坐标拟合成空间直线；

S5、判断所有第一空间坐标偏离空间直线的距离是否在第一最大偏移距离范围内，若是，则根据空间直线方程获取空间直线单位方向向量，若否，则剔除偏离距离最大的第一空间坐标，返回步骤S4；

S6、判断是否已完成五轴运动平台所有平移轴的单轴点位运动，若否，则控制五轴运动平台对下一个平移轴做单轴点位运动，返回步骤S3，若是，则执行步骤S7；

S7、对X轴、Y轴和Z轴的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到由正交化后的方向向量组合成的姿态关系矩阵；

S8、控制五轴运动平台复位；

S9、将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标；

S10、当采集到的第二空间坐标达到第二预置数量后，将所有第二空间坐标拟合成空间球面；

S11、判断所有第二空间坐标偏离空间球面的距离是否在第二最大偏移距离范围内，若是，则计算空间球面的球心坐标，得到位置关系矩阵，若否，则剔除偏离距离最大的第二空间坐标，返回步骤S10；

S12、根据姿态关系矩阵和位置关系矩阵，得到手眼关系矩阵。

2.根据权利要求1所述的无运动学参与的手眼标定方法，其特征在于，步骤S9具体包括：

将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，判断标定板是否在相机视野范围内，若是，则偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标，若否，则控制五轴运动平台做平移运动，将标定板移动回相机视野范围内，并根据平移轴运动量和各平移轴的方向向量计算移动前标定板的第二空间坐标。

3.根据权利要求2所述的无运动学参与的手眼标定方法，其特征在于，步骤S10具体包括：

判断第二空间坐标的数量是否达到第二预置数量，若否，则返回步骤S9，若是，则将所有第二空间坐标拟合成空间球面。

4.根据权利要求1所述的无运动学参与的手眼标定方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

判断第一空间坐标的数量是否达到第一预置数量，若否，则返回步骤S3，若是，则将所有第一空间坐标拟合成空间直线。

5.根据权利要求1所述的无运动学参与的手眼标定方法，其特征在于，手眼关系矩阵为：

；

其中，为手眼关系矩阵，/>为姿态关系矩阵，/>为位置关系矩阵。

6.根据权利要求1所述的无运动学参与的手眼标定方法，其特征在于，步骤S4中，采用最小二乘法将所有第一空间坐标拟合成空间直线，步骤S10中，采用最小二乘法将所有第二空间坐标拟合成空间球面。

7.一种无运动学参与的手眼标定系统，其特征在于，包括：

平台搭建单元，用于基于五轴运动平台搭建眼在手外的手眼标定平台；

平移运动单元，用于控制五轴运动平台其中一个平移轴做单轴点位运动，其中，控制五轴运动平台的平移轴包括X轴、Y轴和Z轴；

第一采点单元，用于通过相机采集控制五轴运动平台做单轴点位运动过程中的标定板的第一空间坐标；

第一拟合单元，用于当采集到的第一空间坐标达到第一预置数量后，将所有第一空间坐标拟合成空间直线；

第一距离判断单元，用于判断所有第一空间坐标偏离空间直线的距离是否在第一最大偏移距离范围内，若是，则根据空间直线方程获取空间直线单位方向向量，若否，则剔除偏离距离最大的第一空间坐标，返回执行第一拟合单元；

平移轴判断单元，用于判断是否已完成五轴运动平台所有平移轴的单轴点位运动，若否，则控制五轴运动平台对下一个平移轴做单轴点位运动，返回执行第一采点单元，若是，则执行正交化单元；

正交化单元，用于对X轴、Y轴和Z轴的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到由正交化后的方向向量组合成的姿态关系矩阵；

复位单元，用于控制五轴运动平台复位；

第二采点单元，用于将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标；

第二拟合单元，用于当采集到的第二空间坐标达到第二预置数量后，将所有第二空间坐标拟合成空间球面；

第二距离判断单元，用于判断所有第二空间坐标偏离空间球面的距离是否在第二最大偏移距离范围内，若是，则计算空间球面的球心坐标，得到位置关系矩阵，若否，则剔除偏离距离最大的第二空间坐标，返回执行第二拟合单元；

定标单元，用于根据姿态关系矩阵和位置关系矩阵，得到手眼关系矩阵。

8.根据权利要求7所述的无运动学参与的手眼标定系统，其特征在于，第二采点单元具体用于：

将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，判断标定板是否在相机视野范围内，若是，则偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标，若否，则控制五轴运动平台做平移运动，将标定板移动回相机视野范围内，并根据平移轴运动量和各平移轴的方向向量计算移动前标定板的第二空间坐标。

9.根据权利要求8所述的无运动学参与的手眼标定系统，其特征在于，第二拟合单元具体用于：

判断第二空间坐标的数量是否达到第二预置数量，若否，则返回执行第二采点单元，若是，则将所有第二空间坐标拟合成空间球面。

10.根据权利要求7所述的无运动学参与的手眼标定系统，其特征在于，第一拟合单元具体用于：

判断第一空间坐标的数量是否达到第一预置数量，若否，则返回执行第一采点单元，若是，则将所有第一空间坐标拟合成空间直线。