一種用於工業機器人手眼相機的自動標定裝置及標定方法與流程
2023-05-17 09:21:16 1
本發明涉及工業機器人技術領域，具體是一種用於工業機器人手眼相機的自動標定裝置及標定方法。
背景技術：
隨著勞動力成本的不斷提高以及工業機器人控制、規劃、識別方法的不斷發展，用工業機器人代替人工進行自動化生產的程度越來越高。但目前工業中工業機器人手眼相機標定問題仍然沒有得到解決。
手眼工業機器人系統主要分為eye-in-hand與eye-to-hand兩類系統，其中，在eye-in-hand系統中，相機固定在工業機器人末段，因而，隨著機器人的運動，相機可以以不同的方向觀察標定板以及工作空間，eye-in-hand系統標定過程也相對較為簡單，目前已經有很多成熟的方法可以使用。而對於eye-to-hand系統，由於相機固定，無法僅僅藉助標定板以及機器人的運動實現相機與機器人相對位置的標定，其難點在於：1)如何將特徵點的位置與機器人的運動關聯起來；2)如何高精度的提取標定所需要的特徵點的位置；3)如何自動化標定的過程。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種用於工業機器人手眼相機的自動標定裝置及標定方法，通過在機器人末端工具上增加一個雷射發生器，並結合標定板實現工業機器人與相機相對位置標定，以解決上述背景技術中提出的問題。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種用於工業機器人手眼相機的自動標定裝置，包括雷射發生器、標定板和相機；所述雷射發生器設置在機器人末端工具上，機器人末端工具安裝在工業機器人上；所述標定板放置在工作檯面上，標定板上設置有黑白相間的棋盤格；所述相機固定在工作檯面上方，且位於標定板的上方。
作為本發明進一步的方案：所述雷射發生器設置在連接件上，連接件安裝在工業機器人與末端工具之間。
一種基於所述用於工業機器人手眼相機的自動標定裝置的標定方法，步驟如下：
1)利用相機拍攝標定板的圖片；
2)計算相機相對於標定板的坐標變換矩陣，即相機外參
3)控制工業機器人動作，使固定在機器人末端工具上的雷射發生器發出的雷射點與標定板相交於點p；
4)採用相機拍攝標定板及其上雷射點的圖片，計算點p在標定板坐標系中的位置，點p在標定板坐標系中的坐標記作(u，v，0)，仿射形式記作(u，v，0，1)；
5)根據步驟4)中點p在標定板坐標系中的坐標，計算其在機器人基座坐標系中的位置：
其中為點p在機器人基座坐標系中的位置；為標定板坐標系相對於基座坐標系的坐標變換；為點p在標定板坐標系中的位置；
6)根據點p在雷射坐標系中的位置，結合機器人的運動學方程計算點p在機器人基座坐標系中的位置：點p在雷射坐標系中位置記作(0，0，lp)，仿射形式記作(0，0，lp，0)，其中lp為投射雷射的長度，因而，點p在機器人基座坐標系中的位置為：
其中，為機器人末端工具坐標系相對於機器人基座的坐標變換，即機器人正運動學變換；為雷射發生器3相對於機器人末端工具坐標系的坐標變換；為點p在雷射發生器坐標系中的位置，其中：
lp為點p到雷射發生器3的長度，即雷射的距離；
7)將步驟5)和步驟6)得到的點p在機器人基座坐標系中位置進行等效，可以得到標定方程：
即：
8)控制工業機器人動作，任意確定至少個線性不相關的特徵點，然後通過優化方法對標定方程進行優化求解；
9)根據步驟8)獲得的求解結果得到最終標定後的系統參數。
作為本發明再進一步的方案：步驟2)中，計算相機的相機外參的具體步驟如下：
a：相機拍攝標定板的圖片；
b：利用圖像處理算法從拍攝的圖片中提取特徵點；
c：計算特徵點在標定板坐標系中的坐標(u，v，0，1)，以及特徵點在相機坐標系中的坐標(p，q，0，1)；
d：利用相機外參標定理論得到一組標定方程；
e：利用優化方法計算相機外參
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
本發明有效解決了工業機器人手眼相機標定時需要高精度放置標定板以及安裝末端工具的問題。同時，本發明無需將標定板放置在精確位置，僅需將標定板放在機器人工作空間中的任意位置並使得雷射與標定板相交即可，極大的降低了相機標定的工作量。另外，在本發明中，標定板僅為簡單的棋盤格，具有成本低，操作靈活，結構簡單的特徵。
附圖說明
圖1為用於工業機器人手眼相機的自動標定裝置的結構示意圖。
圖2為用於工業機器人手眼相機的自動標定裝置中雷射發生器的安裝示意圖。
圖3為基於所述用於工業機器人手眼相機的自動標定裝置的標定方法的流程示意圖。
圖4為基於所述用於工業機器人手眼相機的自動標定裝置的標定方法中相機外參標定流程示意圖。
圖5為根據相機拍攝圖片中雷射點的坐標計算雷射點在標定板坐標系中的位置的示意圖。
圖6為工業機器人通過運動調整雷射與標定板相交點位置的示意圖。
圖中：1-工業機器人、2-機器人末端工具、3-雷射發生器、4-標定板、5-相機、6-連接件。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明的技術方案作進一步詳細地說明。
請參閱圖1-6，一種用於工業機器人手眼相機的自動標定裝置，包括雷射發生器3、標定板4和相機5；所述雷射發生器3設置在機器人末端工具2上，機器人末端工具2安裝在工業機器人1上，本實施例中，優選的，所述雷射發生器3設置在連接件6上，連接件6安裝在工業機器人1與末端工具2之間，從而使雷射發生器3能夠隨著機器人末端工具2的移動而移動；所述標定板4放置在工作檯面上，標定板4上設置有黑白相間的棋盤格，如此設置，能夠通過圖像很容易的提取其上的特徵點，雷射發生器3為點光源，其發射的直線雷射照射在標定板4上形成交點；所述相機5固定在工作檯面上方，且位於標定板4的上方，能夠清晰地採集到標定板4上的棋盤格信息以及當前雷射點與棋盤格的交點。
一種基於所述用於工業機器人手眼相機的自動標定裝置的標定方法，步驟如下：
1)利用相機5拍攝標定板4的圖片；
2)計算相機5相對於標定板4的坐標變換矩陣，即相機外參
3)控制工業機器人1動作，使固定在機器人末端工具2上的雷射發生器3發出的雷射點與標定板4相交於點p；
4)採用相機5拍攝標定板4及其上雷射點的圖片，計算點p在標定板坐標系中的位置，點p在標定板坐標系中的坐標記作(u，v，0)，仿射形式記作(u，v，0，1)；
5)根據步驟4)中點p在標定板坐標系中的坐標，計算其在機器人基座坐標系中的位置：
其中為點p在機器人基座坐標系中的位置；為標定板坐標系相對於基座坐標系的坐標變換；為點p在標定板坐標系中的位置
6)根據點p在雷射坐標系中的位置結合機器人的運動學方程計算點p在機器人基座坐標系中的位置：由於投射雷射為一條直線，因而，點p在雷射坐標系中位置可以記作(0，0，lp)，仿射形式記作(0，0，lp，0)，其中lp為投射雷射的長度，因而，點p在機器人基座坐標系中的位置為：
其中，為機器人末端工具坐標系相對於機器人基座的坐標變換，即機器人正運動學變換；為雷射發生器3相對於機器人末端工具坐標系的坐標變換；為點p在雷射發生器坐標系中的位置，其中：
lp為點p到雷射發生器3的長度，即雷射的距離；
7)將步驟5)和步驟6)得到的點p在機器人基座坐標系中位置進行等效，可以得到標定方程：
即：
8)上述步驟7)得到的標定方程含有12個未知數，確定兩個限制條件，因而，需要至少6個特徵點便可以計算上述12個參數，如果特徵點的個數大於6，則可以通過優化方法確定上述12個未知數。在本發明中，優選的，控制工業機器人1動作，任意確定至少6個線性不相關的特徵點，然後通過優化方法對標定方程進行優化求解；
9)根據步驟8)獲得的求解結果得到最終標定後的系統參數。
其中，步驟2)中，計算相機5的相機外參的具體步驟如下：
a：相機5拍攝標定板4的圖片；
b：利用圖像處理算法從拍攝的圖片中提取特徵點；
c：計算特徵點在標定板坐標系中的坐標(u，v，0，1)，以及特徵點在相機坐標系中的坐標(p，q，0，1)；
d：利用相機外參標定理論得到一組標定方程；
e：利用優化方法計算相機外參。
本發明有效解決了工業機器人手眼相機標定時需要高精度放置標定板以及安裝末端工具的問題。同時，本發明無需將標定板放置在精確位置，僅需將標定板放在機器人工作空間中的任意位置並使得雷射與標定板相交即可，極大的降低了相機標定的工作量。另外，在本發明中，標定板僅為簡單的棋盤格，具有成本低，操作靈活，結構簡單的特徵。
上面對本發明的較佳實施方式作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。