一種基於兩自由度3d視覺傳感器的機器人手眼標定方法
2023-05-25 23:29:51
一種基於兩自由度3d視覺傳感器的機器人手眼標定方法
【專利摘要】本發明提供了一種基於兩自由度3D視覺傳感器的機器人手眼標定方法，包括以下步驟：第一步，初始位置視覺坐標系與機器人基坐標系之間坐標轉換矩陣T0的計算；第二步，視覺傳感器從初始位置在豎直和水平方向分別旋轉角度θ和後，坐標系間的轉化關係矩陣Tθ和的計算；第三步，通過各轉換矩陣相乘即可得到手眼轉換關係矩陣；本發明具有方法簡單、測量精度高、易於推廣等優點，能有效滿足機器人手眼標定的需要。
【專利說明】一種基於兩自由度3D視覺傳感器的機器人手眼標定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及工業機器人視覺標定【技術領域】，具體地說，它涉及一種基於兩自由度 3D視覺傳感器的機器人手眼標定方法。
【背景技術】
[0002] 隨著3D視覺傳感器視覺技術的應用與發展，越來越多的機器人將3D視覺傳感器 作為其自主導航的重要工具。然而，現有技術中存在著導航能力受3D視覺傳感器視場範圍 的限制的問題，為擴大視場範圍必須對傳感器增加水平、堅直方向的自由度，依此來帶動3D 視覺傳感器進行更大視場範圍角度的場景信息採集。
【發明內容】
[0003] 針對現有技術中的不足，本發明要解決的技術問題是，提供一種基於兩自由度3D視覺傳感器的機器人手眼標定方法，該方法具有運算簡單、測量精度較高、易推廣等特點， 並能有效滿足機器人手眼標定的需要。
[0004] 為了解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：一種基於兩自由度3D視覺 傳感器的機器人手眼標定方法，包括以下步驟：
[0005] 第一步，在3D視覺傳感器視場範圍內事先標記四個點，該四個點的相互關係為任 意三點不共線且四點不共面，由固定在機器人樣機初始位置上的3D視覺傳感器採集該四 點的點雲信息，得到相對於3D視覺傳感器坐標系的四個標記點的三維坐標值；採用三維動 態測量設備測量得到相對於機器人基坐標系下的空間四個標記點的三維坐標值，求出轉換 矩陣，得到3D視覺傳感器初始位置的坐標系與機器人基坐標系間的轉換關係矩陣；
[0006] 第二步，通過控制電機帶動3D視覺傳感器沿水平方向旋轉一定角度，並採集空間 中四點在當前3D視覺傳感器下的點雲數據，計算四個點的三維坐標，利用空間四點在3D視 覺傳感器下的兩組三維坐標計算3D視覺傳感器坐標系的旋轉軸，建立旋轉角度與3D視覺 傳感器旋轉後坐標系與初始坐標系間的轉換關係矩陣；3D視覺傳感器沿堅直方向旋轉時 對應的關係矩陣的計算方法相同；
[0007] 第三步，通過各轉換矩陣相乘即可得到手眼轉換關係矩陣。
[0008] 與現有技術相比，由於採用上述技術方案，本發明一種基於兩自由度3D視覺傳感 器的機器人視覺標定方法，為擴大視場範圍必須對傳感器增加水平、堅直方向的自由度，依 此帶動了 3D視覺傳感器進行更大視場範圍角度的場景信息採集，解決了導航能力受3D視 覺傳感器視場範圍的限制的問題，並且有效解決了傳感器坐標系沿水平堅直方向旋轉任意 角度後與機器人基坐標系間轉換關係的計算，標定方法依賴於嚴格的數學理論推導，計算 精度高。
[0009] 本發明的有益效果是：具有方法簡單、測量精度高、易於推廣等優點，能有效滿足 機器人手眼標定的需要。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 下面通過參考附圖並結合實例具體地描述本發明，本發明的優點和實現方式將會 更加明顯，其中附圖所示內容僅用於對本發明的解釋說明，而不構成對本發明的任何意義 上的限制，在附圖中：
[0011] 圖1為本發明兩自由度3D視覺傳感器與機器人基坐標系的標定過程示意圖；圖 中：（1)為NDI三維動態測量儀，（2)為空間中四個不共面的標記點，（3)為機器人基坐標 系，（4)為3D視覺傳感器初始位置坐標系，（5)是3D視覺傳感器沿堅直方向旋轉0後的坐 標系，（7)表示對應的旋轉軸，（9)與（10)是旋轉軸上的兩個點，（6)是3D視覺傳感器從位 置（5)處沿堅直方向旋轉P後的坐標系，（8)表示對應的旋轉軸，（11)與（12)是旋轉軸上 的兩個點；
[0012] 圖2為本發明實施例的具體操作流程圖；
[0013] 圖3為本發明3D視覺傳感器初始坐標系與機器人基坐標系之間的轉換關係示意 圖；圖中：〇-xyz為世界坐標系，oK-xKyKzK為機器人基坐標系，ov_xvyvzv為3D視覺傳感器的 坐標系，〇NDI-xmiymizNDI為NDI三維動態測量儀器坐標系；
[0014] 圖4為本發明3D視覺傳感器坐標系隨垂直軸旋轉時坐標系的轉化關係示意 圖；圖中：3D視覺傳感器沿由PmPu兩點構成的直線旋轉角度0前後的坐標系分別用 〇vi_xvlyvlzvl 與oV2_xV2yV2zV2 表不。
【具體實施方式】
[0015] 下面結合實施例及其附圖進一步敘述本發明：
[0016] 如圖1至圖4所示，本發明一種基於兩自由度3D視覺傳感器的機器人手眼標定方 法，設機器人頭部堅直方向、水平方向相對於初始位置的旋轉角度分別為e，史，標定過程 主要分為以下步驟：
[0017] 第一步，初始位置視覺坐標系與機器人基坐標系之間坐標轉換矩陣I；的計算；
[0018] 選取空間中不共面的四個點Pi，P2,P3,P4，通過視覺傳感器獲取4個點在視覺坐標 系下的三維坐標，分別記為：
[0019] Pvi (Xvl，yvl，Zvi)，f*V2 (Xv2，yv2，Zv2)，f*V3 (Xv3，yv3，Zv3)，f*V4 (Xv4，yv4，Zv4)
[0020] 通過控制手臂各關節的運動，以及運動學正解得到該4個點在機器人基坐標系下 的三維坐標，分別記為：
[0021]PR1 (xrl，yrl，zrl)，PR2 (xr2，yr2，zr2)，PR3 (xr3，yr3，zr3)，PR4 (xr4，yr4，zr4)
[0022] 計算轉移矩陣Tq
[0023]
【權利要求】
1. 一種基於兩自由度3D視覺傳感器的機器人手眼標定方法，其特徵在於，包括以下步 驟： 第一步，初始位置視覺坐標系與機器人基坐標系之間坐標轉換矩陣Ttl的計算；在3D視 覺傳感器視場範圍內事先標記四個點，該四個點的相互關係為任意三點不共線且四點不共 面，由固定在機器人樣機初始位置上的3D視覺傳感器採集該四點的點雲信息，得到相對於 3D視覺傳感器坐標系的四個標記點的三維坐標值；採用三維動態測量設備測量得到相對 於機器人基坐標系下的空間四個標記點的三維坐標值，求出轉換矩陣，得到3D視覺傳感器 初始位置的坐標系與機器人基坐標系間的轉換關係矩陣Ttl ; 第二步，視覺傳感器從初始位置在堅直和水平方向分別旋轉角度Θ和爐後，坐標系間 的轉化關係矩陣Te和?；的計算；通過控制電機帶動3D視覺傳感器沿堅直方向旋轉任意角 度Θ，並採集空間中四點在當前3D視覺傳感器下的點雲數據，計算四個點的三維坐標，利 用空間四點在3D視覺傳感器下的兩組三維坐標計算3D視覺傳感器坐標系的旋轉軸，建立 旋轉角度與3D視覺傳感器旋轉後坐標系與初始坐標系間的轉換關係矩陣Τθ ;3D視覺傳感 器沿水平方向旋轉任意角度P時，對應的關係矩陣％的計算方法與計算Τθ的方法相同； 第三步，通過各轉換矩陣相乘即可得到手眼轉換關係矩陣；當視覺模塊相對於機器人 基坐標系做堅直與水平方向旋轉運動時其相應於機器人基坐標的關係轉換矩陣為?
2. 根據權利要求1所述的基於具有兩自由度3D視覺傳感器的機器人手眼標定方法，其 特徵在於，3D視覺傳感器做水平或堅直方向旋轉標定時，旋轉軸上兩個點，通過利用旋轉軸 上任意點在3D傳感器坐標系下的三維坐標值不隨旋轉而變化的特性來求得。
【文檔編號】G01B11/00GK104236456SQ201410446352
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】譚治英, 駱敏舟, 李濤, 方世輝, 羅豔, 趙娜娜, 鄭俊君, 孫曉瑜, 黃海衛 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院, 常州先進位造技術研究所