一种基于单目视觉的六自由度机器人运动学标定方法技术

本发明专利技术涉及一种基于单目视觉的六自由度机器人运动学标定方法，包括：建立六自由度机器人的MDH模型，并根据初始标定变量U得到六自由度机器人末端的指令位移和安装于六自由度机器人上的单目视觉传感器与六自由度机器人末端之间的坐标变换关系

A kinematic calibration method for six degree of freedom robot based on monocular vision

The invention relates to a calibration method, the kinematics of six degrees of freedom robot based on monocular vision include: MDH model with six degrees of freedom of the robot, and according to the coordinate transformation between the monocular vision sensor calibration variables U get command displacement robot with six degrees of freedom at the end and mounted on six degrees of freedom robot with six freedom at the end of the robot

【技术实现步骤摘要】
一种基于单目视觉的六自由度机器人运动学标定方法
本专利技术涉及工业机器人标定领域，尤其是涉及一种基于单目视觉的六自由度机器人运动学标定方法。
技术介绍
精确测量机器人工作末端位移是完成机器人标定的核心。通常借助外界传感器测量其位姿。常用设备包括三坐标测量仪、经纬仪等精密测量仪器。但这些方案的共同缺点在于设备价格昂贵(数十万甚至上百万)，使用方法繁琐复杂，往往需要专业人员现场校正操控，使用门槛较高；另一方面，此类设备通常需要占据较大的空间，难以满足生产现场对于高效便捷的要求。受制于上述设备，工业现场往往采用根据机器人工作实际位置误差，手动拟合补偿函数，但这样并没有将模型中各个机械参数造成的误差解耦，难以满足精确度的要求。且标定结果适用范围具有很大的局限性，往往仅适用于标定过的位置，而其他位置存在较大误差。基于摄像头的运动学标定方案，以其经济、便捷的优点，能够很好的满足现场标定的要求。测量时，将相机固定在机器人末端，标靶位置固定且已知(或反之)。其基本原理是利用相机相对于固定标靶的移动，得到末端的位移信息。然而，现有的方案往往需要保持整个标靶始终处于视野范围内，利用标靶上所有的特征点，计算所需信息。这种方法很难利用普通相机做到高精度标定。主要原因是以下两点：1.机器人往往需要较大的工作空间，为了保持标靶始终处于视野范围内，这就要求相机的视野范围很大，相应的每个像素对应的尺寸就很大(很难控制在1mm2以内)，难以做到精确定位。2.标靶会较多的出现在视野中图片的边缘区域。而该部分有很严重的径向畸变。即使经过摄像头标定，其带来的误差也会使测量结果产生较大的波动，给结果的精准度造成干扰。另外，传统的对于机器人进行标定的方法，多是通过DH模型对机器人进行建模，这种建模方法存在一个根本缺陷，即当存在两轴平行或近于平行时，两轴线相对位置误差的建模不符合微小误差模型，可能会引起很大的杆件偏移量误差。而且现有的方法多是默认机器人末端和摄像头之间为平移关系，二者之间的坐标转换较为简单，对于六自由度机器人来讲，由于机器人自由度较高，这种坐标转换方式将会引起较大的误差。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题提供一种基于单目视觉的六自由度机器人运动学标定方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于单目视觉的六自由度机器人运动学标定方法，所述方法包括下列步骤：1)建立六自由度机器人的MDH模型，并根据初始标定变量U得到六自由度机器人末端的指令位移和安装于六自由度机器人上的单目视觉传感器与六自由度机器人末端之间的坐标变换关系2)根据六自由度机器人的初始标定变量U，利用绝对值编码棋盘对安装于六自由度机器人上的单目视觉传感器的多组位移Δ'进行分级测距并优化；3)标定棋盘格坐标系与基坐标系的转换角α，并根据转换角α对位移Δ'进行坐标变换得到六自由度机器人末端的实际位移Δ，并得到多组观测变量Vk；4)利用约束关系，结合步骤2)得到的多组观测变量Vk对标定变量U进行优化，判断标定变量U是否达到定位精度，若是则完成六自由度机器人的运动学标定，若否则返回步骤2)。所述六自由度机器人的MDH模型具体为5参数MDH模型，所述5参数包括关节角θi、杆件偏移量di、杆件长度Li、扭转角αi和扭转角βi。所述通过初始标定得到安装于六自由度机器人上的单目视觉传感器与六自由度机器人之间的坐标变换关系的方法包括单轴旋转法或双轴旋转法。所述单轴旋转法具体为：保持六自由度机器人的5个轴静止，只旋转最后1个轴，得到单目视觉传感器采集的图片，测量单目视觉传感器相对于棋盘格坐标系的位置，通过拟合得到单目视觉传感器的轨迹方程，结合当前机器人的末端执行器的位置即可得到单目视觉传感器与六自由度机器人末端之间的坐标变换关系。所述双轴旋转法具体为：保持六自由度机器人的4个轴静止，只旋转最后2个轴，拟合最后2个轴的轴线并将2个轴线的交点作为六自由度机器人的第六轴的坐标系的原点，通过单目视觉传感器与第六轴的坐标系的原点的位置关系得到单目视觉传感器与六自由度机器人末端之间的坐标变换关系。所述步骤2)具体为：21)对绝对值编码棋盘的角点在像素坐标系下的位置坐标进行优化；22)利用优化后的绝对值编码棋盘对安装于六自由度机器人上的单目视觉传感器的位移进行分级测距，得到多组位移Δ'，同时测量与位移Δ'对应的电机角度Θ。所述步骤21)具体为：211)根据绝对值编码棋盘的局部特征对角点在像素坐标系下的位置坐标进行优化；212)根据绝对值编码棋盘的整体属性，对优化后的角点在像素坐标系下的位置坐标进行进一步优化。所述位移Δ'为单目视觉传感器在绝对值编码棋盘下的中心栅格位置变化T与单目视觉传感器在中心栅格内部的相对位移T'之和。所述单目视觉传感器在绝对值编码棋盘下的中心栅格位置变化T具体为：根据识别中心栅格阵列的编码，确定单目视觉传感器所在的中心栅格的位置，继而确定单目视觉传感器在绝对值编码棋盘下的中心栅格位置变化T。所述单目视觉传感器在中心栅格内部的相对位移T'具体为：T'＝t(i+1)k-tikspik＝A[Riktik]Pik其中，i＝1,2,...表示单目视觉传感器的不同位置，k表示角点的编号，pik和Pik分别表示角点在像素坐标系与棋盘格坐标系下的坐标，s表示尺度参数，A表示单目视觉传感器内部参数，Rik和tik分别表示单目视觉传感器当前位姿在棋盘格坐标系下单旋转和平移。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)通过对六自由度机器人建立MDH模型，克服原有DH模型在存在两轴平行或近于平行时，两轴线相对位置误差的建模不符合微小误差模型，可能会引起很大的杆件偏移量误差的缺陷，使得机器人的建模更为准确，提高后续标定的准确程度。(2)本专利技术提出的方法，通过初始标定确定机器人末端和单目视觉传感器之间的坐标变换关系，而非传统的默认为二者是简单的平移关系，对于六自由度机器人来讲，此方法更符合实际，充分考虑到六自由度机器人活动的灵活程度，大大减小了标定的误差。(3)利用绝对值编码棋盘，实现单目视觉传感器的分级测距，保证了单目视觉传感器始终工作在较小的视野范围内，且图片有效信息集中在图像中央畸变较小的部分，提高单目视觉传感器的测距精度，进而提高了标定的准确性。(4)分别根据绝对值编码棋盘的局部特征和整体属性对角点的位置坐标进行了优化，使角点的精度达到了亚像素的级别，进一步提高了单目视觉传感器的测距准确度，提高了标定的准确性。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2为分级测距的示意图，其中(2a)为中心栅格的位置变化示意图，(2b)为光心相对位移示意图；图3为8阶反馈移位寄存器的示意图；图4为对伪随机序列进行二维延扩的示意图；图5为角点位置优化的示意图，其中(5a)为利用棋盘格的局部特征进行角点位置优化，(5b)为利用棋盘格的整体属性进行角点位置优化；图6为六自由度机器人的近似平行关节示意图；图7为两个位姿之差示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。机器人标定的通常步骤是根据机器人的结构特征，构建运动学模型。并利用模型特性建立观测变量与待标定变量的约束关系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单目视觉的六自由度机器人运动学标定方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：1)建立六自由度机器人的MDH模型，并根据初始标定变量U得到六自由度机器人末端的指令位移和安装于六自由度机器人上的单目视觉传感器与六自由度机器人末端之间的坐标变换关系

【技术特征摘要】
1.一种基于单目视觉的六自由度机器人运动学标定方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：1)建立六自由度机器人的MDH模型，并根据初始标定变量U得到六自由度机器人末端的指令位移和安装于六自由度机器人上的单目视觉传感器与六自由度机器人末端之间的坐标变换关系2)根据六自由度机器人的初始标定变量U，利用绝对值编码棋盘对安装于六自由度机器人上的单目视觉传感器的多组位移Δ'进行分级测距并优化；3)标定棋盘格坐标系与基坐标系的转换角α，并根据转换角α对位移Δ'进行坐标变换得到六自由度机器人末端的实际位移Δ，并得到多组观测变量Vk；4)利用约束关系，结合步骤2)得到的多组观测变量Vk对标定变量U进行优化，判断标定变量U是否达到定位精度，若是则完成六自由度机器人的运动学标定，若否则返回步骤2)。2.根据权利要求1所述的基于单目视觉的六自由度机器人运动学标定方法，其特征在于，所述六自由度机器人的MDH模型具体为5参数MDH模型，所述5参数包括关节角θi、杆件偏移量di、杆件长度Li、扭转角αi和扭转角βi。3.根据权利要求1所述的基于单目视觉的六自由度机器人运动学标定方法，其特征在于，所述通过初始标定得到安装于六自由度机器人上的单目视觉传感器与六自由度机器人之间的坐标变换关系的方法包括单轴旋转法或双轴旋转法。4.根据权利要求3所述的基于单目视觉的六自由度机器人运动学标定方法，其特征在于，所述单轴旋转法具体为：保持六自由度机器人的5个轴静止，只旋转最后1个轴，得到单目视觉传感器采集的图片，测量单目视觉传感器相对于棋盘格坐标系的位置，通过拟合得到单目视觉传感器的轨迹方程，结合当前机器人的末端执行器的位置即可得到单目视觉传感器与六自由度机器人末端之间的坐标变换关系。5.根据权利要求3所述的基于单目视觉的六自由度机器人运动学标定方法，其特征在于，所述双轴旋转法具体为：保持六自由度机器人的4个轴静止，只旋转最后2个轴，拟合最后2个轴的轴线并将2个轴线的交...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈启军，张奎，韩新承，陈玺，王志峰，周自强，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31