一种机器人手眼标定方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种机器人手眼标定方法，机器人的末端上固定有设有标定点的标定板，标定方法包括：获取机器人的工具中心点在机器人基坐标系内的位姿信息，将位姿信息转换为对偶四元数的形式得到手运动螺旋信息；获取标定板的图像信息，并根据图像信息计算标定点在相机坐标系内的坐标信息，将坐标信息转换为对偶四元数的形式得到眼运动螺旋信息；建立手运动螺旋信息与眼运动螺旋信息之间的运动变换方程，并提取运动变换方程的矩阵因子；获取机器人位于不同位姿时的多个矩阵因子，根据各矩阵因子构建变换矩阵；对变换矩阵进行奇异值分解得到机器人基坐标系相对于相机坐标系的单位对偶四元数。本发明专利技术具有标定速度快、计算简单的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人手眼标定方法及系统
本专利技术涉及机器视觉
，尤其涉及一种机器人手眼标定方法及系统。
技术介绍
随着工业机器人广泛的应用于装配、抓取等作业过程中，机器人手眼标定精度的要求也越来越高。在传统的手眼标定方法中，大多数是通过齐次变换矩阵建立手眼标定方程，并利用最小二乘法对标定方程进行求解，其计算过程包括旋转矩阵以及平移矩阵的求解，具有计算过程复杂、计算速度慢、精度低等缺点，此外对于标定数据的获取也有一定的限制。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种机器人手眼标定方法，通过建立对偶四元数形式的运动变换方程对机器人进行手眼标定，计算过程简单，标定速度快，标定精度高。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种机器人手眼标定方法，机器人的末端上固定有标定板，所述标定板上设有标定点，所述方法包括以下步骤：步骤S1、获取机器人的工具中心点在机器人基坐标系内的位姿信息，将所述位姿信息转换为对偶四元数的表示形式得到所述工具中心点的手运动螺旋信息；步骤S2、获取所述标定板的图像信息，并根据所述图像信息计算所述标定点在相机坐标系内的坐标信息，将所述坐标信息转换为对偶四元数的表示形式得到所述标定点的眼运动螺旋信息；步骤S3、建立所述手运动螺旋信息与所述眼运动螺旋信息之间的运动变换方程，并提取所述运动变换方程中的矩阵因子；步骤S4、获取机器人位于不同位姿时的多个所述矩阵因子，根据各所述矩阵因子构建变换矩阵；对所述变换矩阵进行奇异值分解得到机器人基坐标系相对于相机坐标系的单位对偶四元数，进而实现机器人的手眼标定。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过对偶四元数的形式表示手运动以及眼运动，并建立手眼变换的对偶四元数形式的运动变换方程，提取对偶四元数形式的运动变换方程中的矩阵因子，得出单位对偶四元数。相对于直接直接运用矩阵构建的运动变换方程而言，本专利技术构建的运动变换方程的求解过程更加简便，计算难度低，标定精度更高。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：进一步：所述步骤S3具体包括：步骤S31、建立所述手运动螺旋信息与所述眼运动螺旋信息之间的运动变换方程:上式中，表示所述手运动螺旋信息，表示所述眼运动螺旋信息，表示所述单位对偶四元数，表示所述单位对偶四元数的共轭对偶四元数；步骤S32、将所述运动变换方程分为对偶部分和非对偶部分:上式中，h和h'分别表示手运动螺旋信息的非对偶部分和对偶部分，e和e'分别表示眼运动螺旋信息的非对偶部分和对偶部分，q和q'分别表示单位对偶四元数的非对偶部分和对偶部分，q*和q*'分别表示共轭对偶四元数的非对偶部分和对偶部分；步骤S33、利用所述运动变换方程与对偶四元数的标量部分无关的特性，将所述运动变换方程的对偶部分以及非对偶部分表示为:上式中，e1为眼运动螺旋信息非对偶部分e的矢量部分，e′1为眼运动螺旋信息对偶部分e'的矢量部分，h1为手运动螺旋信息非对偶部分h的矢量部分，h′1为手运动螺旋信息对偶部分h'的矢量部分，[e1+h1]∨为e1+h1的反对称矩阵，[e′1+h′1]∨为e′1+h′1的反对称矩阵。步骤S34、提取所述运动变换方程中的矩阵因子：上述进一步方案的有益效果是：建立对偶四元数的运动变换方程，并根据对偶四元数的性质，提取运动变换方程的矩阵因子，并构造变换矩阵，便于后续的计算和求解。进一步：所述步骤S4具体包括：步骤S41、获取机器人位于不同位姿时的多个所述矩阵因子S1,S2,...,Sn，根据多个所述矩阵因子构建所述变换矩阵步骤S42、对所述变换矩阵M进行奇异值分解M＝UΣV，获取所述变换矩阵M中零特征值所对应的特征向量Vm、Vn，令：得到所述单位对偶四元数非对偶部分q和单位对偶四元数对偶部分q'的线性方程：步骤S43、求解所述线性方程的约束方程：得到约束系数λ1、λ2的值，根据λ1、λ2的值以及所述线性方程计算所述单位对偶四元数非对偶部分q以及对偶部分q′，进而得到所述单位对偶四元数上述进一步方案的有益效果是：利用奇异值分解对变换矩阵进行分解，并求解其零特征值所对应的特征向量，根据特征向量建立线性方程，最后结合约束条件求解出单位对偶四元数的值。进一步：还包括步骤S5、利用最小二乘法公式计算所述单位对偶四元数的标定误差根据所述标定误差检验所述单位对偶四元数的标定精度。上述进一步方案的有益效果是：最小二乘法是一种常用的误差计算方法，利用最小二乘法计算标定误差，并不断优化单位对偶四元数。本专利技术还提供一种机器人手眼标定系统，包括机器人、标定板、相机、工作台以及处理器，所述机器人以及所述相机均安装于所述工作台上，所述标定板固定于所述机器人的末端上，所述标定板上设有标定点，所述机器人以及相机均与所述处理器电连接；所述处理器用于获取机器人的工具中心点在机器人基坐标系内的位姿信息，并将所述位姿信息转换为对偶四元数的表示形式得到所述工具中心点的手运动螺旋信息；所述相机用于获取所述标定板的图像信息；所述处理器用于根据所述图像信息计算所述标定点在相机坐标系内的坐标信息，并将所述坐标信息转换为对偶四元数的表示形式得到所述标定点的眼运动螺旋信息；所述处理器还用于建立所述手运动螺旋信息与所述眼运动螺旋信息之间的运动变换方程，并提取所述运动变换方程中的矩阵因子；所述处理器还用于获取多个机器人位于不同位姿时的所述矩阵因子，根据各所述矩阵因子构建变换矩阵；对所述变换矩阵进行奇异值分解得到机器人基坐标系相对于相机坐标系的单位对偶四元数。本专利技术提供的机器人手眼标定系统，基于上述机器人手眼标定方法，因此，上述机器人手眼标定方法所具备的技术效果，机器人手眼标定系统同样具备，在此不再赘述。进一步：所述标定板为棋盘格标定板，所述棋盘格标定板上的棋盘格角点为所述标定点。上述进一步方案的有益效果是：棋盘格上的标准方格有利于相机快速标定标定点的位置。进一步：所述工作台包括至少一条支撑腿、安装板以及安装架，所述安装板通过所述支撑腿支撑设置于地面上，所述机器人安装于所述安装板上，所述相机通过所述安装架支撑设置于所述安装板的上方。上述进一步方案的有益效果是：安装板以及支撑腿为机器人提供稳定的运行环境，有利于提供手眼标定的精度，安装架为相机提供稳定支撑，并将相机支撑于机器人的上方，便于相机拍摄标定板的图像。进一步，所述处理器建立所述手运动螺旋信息与所述眼运动螺旋信息之间的运动变换方程，并提取所述运动变换方程中的矩阵因子，具体包括：建立所述手运动螺旋信息与所述眼运动螺旋信息之间的运动变换方程，将所述运动变换方程分为对偶部分和非对偶部分，利用所述运动变换方程与对偶四元数的标量部分无关的特性，将所述运动变换方程的对偶部分以及非对偶部分表示为矩阵形式，提取所述运动变换方程中的矩阵因子。上述进一步方案的有益效果是：建立对偶四元数的运动变换方程，并根据对偶四元数的性质，提取运动变换方程的矩阵因子，并构造变换矩阵，便于后续的计算和求解。进一步，所述处理器获取多个机器人位于不同位姿时的所述矩阵因子，根据各所述矩阵因子构建变换矩阵，对所述变换矩阵进行奇异值分解得到机器人基坐标系相对于相机坐标系的单位对偶四元数，具体包括：获取机器人位于不同位姿时的多个所述矩阵因子，根据多个所述矩阵因子构建所述变换矩阵，对所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人手眼标定方法，其特征在于，机器人的末端上固定有标定板，所述标定板上设有标定点，所述方法包括以下步骤：步骤S1、获取机器人的工具中心点在机器人基坐标系内的位姿信息，将所述位姿信息转换为对偶四元数的表示形式得到所述工具中心点的手运动螺旋信息；步骤S2、获取所述标定板的图像信息，并根据所述图像信息计算所述标定点在相机坐标系内的坐标信息，将所述坐标信息转换为对偶四元数的表示形式得到所述标定点的眼运动螺旋信息；步骤S3、建立所述手运动螺旋信息与所述眼运动螺旋信息之间的运动变换方程，并提取所述运动变换方程中的矩阵因子；步骤S4、获取机器人位于不同位姿时的多个所述矩阵因子，根据各所述矩阵因子构建变换矩阵；对所述变换矩阵进行奇异值分解得到机器人基坐标系相对于相机坐标系的单位对偶四元数，进而实现机器人的手眼标定。

【技术特征摘要】
1.一种机器人手眼标定方法，其特征在于，机器人的末端上固定有标定板，所述标定板上设有标定点，所述方法包括以下步骤：步骤S1、获取机器人的工具中心点在机器人基坐标系内的位姿信息，将所述位姿信息转换为对偶四元数的表示形式得到所述工具中心点的手运动螺旋信息；步骤S2、获取所述标定板的图像信息，并根据所述图像信息计算所述标定点在相机坐标系内的坐标信息，将所述坐标信息转换为对偶四元数的表示形式得到所述标定点的眼运动螺旋信息；步骤S3、建立所述手运动螺旋信息与所述眼运动螺旋信息之间的运动变换方程，并提取所述运动变换方程中的矩阵因子；步骤S4、获取机器人位于不同位姿时的多个所述矩阵因子，根据各所述矩阵因子构建变换矩阵；对所述变换矩阵进行奇异值分解得到机器人基坐标系相对于相机坐标系的单位对偶四元数，进而实现机器人的手眼标定。2.根据权利要求1所述机器人手眼标定方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：步骤S31、建立所述手运动螺旋信息与所述眼运动螺旋信息之间的运动变换方程:上式中，表示所述手运动螺旋信息，表示所述眼运动螺旋信息，表示所述单位对偶四元数，表示所述单位对偶四元数的共轭对偶四元数；步骤S32、将所述运动变换方程分为对偶部分和非对偶部分:上式中，h和h'分别表示手运动螺旋信息的非对偶部分和对偶部分，e和e'分别表示眼运动螺旋信息的非对偶部分和对偶部分，q和q'分别表示单位对偶四元数的非对偶部分和对偶部分，q*和q*'分别表示共轭对偶四元数的非对偶部分和对偶部分；步骤S33、利用所述运动变换方程与对偶四元数的标量部分无关的特性，将所述运动变换方程的对偶部分以及非对偶部分表示为:上式中，e1为眼运动螺旋信息非对偶部分e的矢量部分，e1'为眼运动螺旋信息对偶部分e'的矢量部分，h1为手运动螺旋信息非对偶部分h的矢量部分，h1'为手运动螺旋信息对偶部分h'的矢量部分，[e1+h1]∨为e1+h1的反对称矩阵，[e1'+h1']∨为e1'+h1'的反对称矩阵。步骤S34、提取所述运动变换方程中的矩阵因子：3.根据权利要求2所述机器人手眼标定方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：步骤S41、获取机器人位于不同位姿时的多个所述矩阵因子S1,S2,...,Sn，根据多个所述矩阵因子构建所述变换矩阵步骤S42、对所述变换矩阵M进行奇异值分解M＝UΣV，获取所述变换矩阵M中零特征值所对应的特征向量Vm、Vn，令：得到所述单位对偶四元数非对偶部分q和单位对偶四元数对偶部分q'的线性方程：步骤S43、求解所述线性方程的约束方程：得到约束系数λ1、λ2的值，根据λ1、λ2的值以及所述线性方程计算所述单位对偶四元数非对偶部分q以及对偶部分q’，进而得到所述单位对偶四元数4.根据权利要求1-3任一所述机器人手眼标定方法，其特征在于，还包括步骤S5、利用最小二乘法公式计算所述单位对偶四元数的标定误差根据所述标定误差检验所述单位对偶四元数的标定精度。5.一种机器人手眼标定系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：李淼，闫琳，张少华，简伟明，万芳，杜科，杨洪，
申请(专利权)人：武汉库柏特科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42