一种机器人手眼静态标定方法技术

本发明专利技术涉及一种机器人手眼静态标定方法，用于求解机器人手眼矩阵。首先建立经典的摄像机几何成像模型，通过张正友标定法得到摄像机的内参；其次通过光学测量设备分别确定测量坐标系与世界坐标系、机器人末端法兰坐标系的转换关系；通过对标定板一次成像可得到摄像机的外参即摄像机坐标系与标定板坐标系的转换关系，由此可快速计算得到机器人手眼关系。避免传统方法的复杂求解，且整个标定过程机器人不需要运动，因此是静态标定，避免了主动视觉法由于机器人连杆参数等误差导致的标定精度降低。本发明专利技术的方法具有可靠、计算简单、精度高的特点，且适用于摄像机与任意基座的转换关系，不局限于机器人末端，拓展性较强。

Hand eye static calibration method for robot

The invention relates to a robot hand eye static calibration method, which is used for solving the hand eye matrix of a robot. Firstly, the camera imaging model in the classic, get the camera control through the zhangzhengyou calibration method; followed by optical measuring equipment respectively to determine the transformation between measurement coordinate system and the world coordinate system, the robot end flange coordinate system; through a calibration plate imaging can be obtained outside the parameters of the camera or camera coordinate system and calibration board coordinate conversion relation, which can calculate the robot hand eye. To avoid the complex solution of traditional methods, the robot does not need to move in the entire calibration process, so it is static calibration, and avoids the reduction of the calibration accuracy caused by the error of robot connecting rod parameters. The method of the invention has the advantages of reliability, simple calculation and high accuracy, and is suitable for the conversion relation of the camera and any base, and is not limited to the end of the robot, so the expansion is stronger.

【技术实现步骤摘要】
一种机器人手眼静态标定方法
本专利技术涉及一种机器人手眼标定方法，特别涉及一种机器人手眼关系可快速求解的静态标定方法。
技术介绍
实际应用中，常常将视觉传感器(如摄像机)固定在机器人的末端执行器上，即将“眼”安装在“手”上，形成手眼关系。这样做可以让机器人通过摄像机实时测量目标与摄像机的位姿关系，从而决定机器人下一步的运动，而在此之前，必须进行手眼标定。国内外常用的标定方法主要分为三大类：传统标定法、自标定法和主动视觉标定法。传统标定法精度较高但计算过程复杂；自标定方法鲁棒性不强；主动视觉标定法计算简单，鲁棒性较强，但需要一个高精度的主动视觉平台，而机器人由于加工、安装等误差，理想结构参数通常与实际存在较大偏差，因此该方法精度不高。针对上述技术情况，本专利技术提出一种机器人手眼静态标定方法。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足，本专利技术提供一种机器人手眼关系静态标定方法，机器人不需要运动就能够可靠并快速计算得到机器人手眼矩阵，且该方法不局限于机器人末端，适用于摄像机与任意基座的转换关系，拓展性较强。本专利技术技术方案步骤如下：(1)建立摄像机几何成像模型用经典的针孔模型建立摄像机几何成像模型；(2)摄像机内参数标定从多个不同角度采集20幅黑白方格棋盘(标定板)的图像，用Matlab工具箱张正友标定法对摄像机进行内参数标定；(3)构建世界坐标系通过光学测量设备，构建整个标定系统的世界坐标系Tw，并确定世界坐标系相对于测量坐标系的关系ctrackTw；(4)构建机器人末端法兰坐标系通过光学测量设备，构建机器人末端法兰坐标系Tf，并确定机器人末端法兰坐标系相对于测量坐标系的关系ctrackTf；(5)构建标定板坐标系标定板坐标系建立在标定板的角点处，直接测量得到标定板坐标系相对于世界坐标系的关系wTcalib；(6)摄像机外参数标定机器人在某一位姿下，通过固定安装在其末端的摄像机对标定板进行一次成像，由已知的内参数及Matlab标定工具箱，得到摄像机的外参数，即标定板坐标系相对于摄像机坐标系的关系cTcalib；综上，即可得到摄像机坐标系相对于机器人末端法兰坐标系的关系，如下：fTc＝(ctrackTf)-1.ctrackTw·wTcalib·(cTcalib)-1本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种机器人手眼标定方法计算简单、结果可靠、精度高。避免了传统方法的复杂求解，且整个标定过程机器人不需要运动，因此是静态标定，避免了主动视觉法由于机器人连杆参数等误差导致的标定精度降低。本专利技术不局限于机器人末端，适用于摄像机与任意基座的转换关系，拓展性较强。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术，并与其他方法比较后而了解。附图说明图1是手眼静态标定系统现场简图；图2是经典的摄像机针孔模型示意图；图3是机器人手眼静态标定流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的优先实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。参见附图1～3，本专利技术的机器人手眼静态标定方法，包括以下几个步骤：(1)建立摄像机几何成像模型用经典的针孔模型建立摄像机几何成像模型。设[xwywzw1]T是世界坐标系下给定物体的参考点坐标；[uv]T是该点在图像坐标系下的坐标；k是比例系数；fu，fv分别是成像平面上u轴和v轴的尺度因子；[u0v0]T是主点坐标；s为倾斜因子，这里认定s为0，即内参数模型为4参数模型；为外参数；从而可得到空间中点的坐标与图像中点的坐标的对应关系：(2)摄像机内参数标定标定板选用9×7黑白相间的棋盘格标定板，并将其贴在一块精度较高的大理石平板上，从多个不同角度采集20幅标定板的图像，用Matlab工具箱张正友标定法对摄像机进行内参数标定；(3)构建世界坐标系光学测量设备是加拿大Creaform公司研发的Ctrack380系统，在目标物体上贴上靶点后实现对目标的动态跟踪，同时通过手持式测量头(Handyprobe)实现对曲面的静态测量,精度可达到0.05mm，Tctrack为测量坐标系，是Ctrack380固有的参考系，原点位于设备的中心处，所有通过Ctrack检测得到的点(刚体)的位置(位姿)信息都是相对于该坐标系。通过Handyprobe分别测量大理石3个平面上的若干个点，然后拟合出各个平面，其法向即为坐标系的3个轴向，原点为三个平面的交点即大理石的一个角点，由此构建出整个标定系统的世界坐标系Tw，并确定世界坐标系相对于测量坐标系的关系ctrackTw；(4)构建机器人末端法兰坐标系通过Handyprobe测量机器人末端圆柱面上的点，向法兰平面投影后可拟合得到一个圆面，圆心即为该坐标系的原点，圆面法向即为z轴，由此构建出机器人末端法兰坐标系Tf，并确定机器人末端法兰坐标系相对于测量坐标系的关系ctrackTf；(5)构建标定板坐标系标定板坐标系建立在标定板的角点处，直接测量得到标定板坐标系相对于世界坐标系的关系wTcalib；(6)摄像机外参数标定机器人在某一位姿下，通过固定安装在其末端的摄像机对标定板进行一次成像，由已知的内参数及Matlab标定工具箱，得到摄像机的外参数，即标定板坐标系相对于摄像机坐标系的关系cTcalib；综上，即可得到摄像机坐标系相对于机器人末端法兰坐标系的关系，如下：fTc＝(ctrackTf)-1·ctrackTw·wTcalib·(cTcalib)-1由此，机器人不需要运动即可得到等号右端各矩阵，仅需相乘便能够可靠并快速计算得到机器人手眼矩阵；该方法不局限于机器人末端，适用于摄像机与任意基座的转换关系，拓展性较强。上述虽然结合附图对本专利技术的具体实施方式进行了描述，但并非对本专利技术保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本专利技术的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本专利技术的保护范围以内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机器人手眼静态标定方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)建立摄像机几何成像模型用经典的针孔模型建立摄像机几何成像模型；(2)摄像机内参数标定从多个不同角度采集20幅黑白方格棋盘(标定板)的图像，用Matlab工具箱张正友标定法对摄像机进行内参数标定；(3)构建世界坐标系通过光学测量设备，构建整个标定系统的世界坐标系T

【技术特征摘要】
1.一种机器人手眼静态标定方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)建立摄像机几何成像模型用经典的针孔模型建立摄像机几何成像模型；(2)摄像机内参数标定从多个不同角度采集20幅黑白方格棋盘(标定板)的图像，用Matlab工具箱张正友标定法对摄像机进行内参数标定；(3)构建世界坐标系通过光学测量设备，构建整个标定系统的世界坐标系Tw，并确定世界坐标系相对于测量坐标系的关系ctrackTw；(4)构建机器人末端法兰坐标系通过光学测量设备，构建机器人末端法兰坐标系Tf，并确定机器人末端法兰坐标系相对于测量坐标系的关系ctrackTf；(5)构建标定板坐标系标定板坐标系建立在标定板的角点处，直接测量得到标定板坐标系相对于世界坐标系的关系wTcalib；(6)摄像机外参数标定机器人在某一位姿下，通过固定安装在其末端的摄像机对标定板进行一次成像，由已知的内参数及Matlab标定工具箱，得到摄像机的外参数，即标定板坐标系相对于摄像机坐标系的关...

【专利技术属性】
技术研发人员：平雪良，王晨学，贝旭颖，蒋毅，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32