基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术属于智能机器人技术领域，公开了一种基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法，包括以下步骤：保持机械臂上指定点固定，绕以指定点为原点的坐标系的至少两个坐标轴分别旋转一周；获得旋转过程中标定板上各角点的坐标；计算标定板运动轨迹的圆心坐标及指定帧上视觉采集坐标系下各角点到指定点的空间偏移向量；机械臂上从指定点开始至机械臂末端姿态保持不变，分别向不同平面平移机械臂；平移过程中对标定板采样若干帧数的图像，同时通过机械臂系统获得机械臂末端坐标；计算视觉采集坐标系和机械臂坐标系间的变换关系。采用本发明专利技术的方法，不需要对标定板块精确固定，不需要其他测量设备，即可计算出视觉采集设备与机械臂系统的坐标系变换关系。

Visual acquisition and calibration method, device and system based on multi-degree-of-freedom manipulator

The invention belongs to the technical field of intelligent robots, and discloses a visual acquisition and calibration method based on multi-degree-of-freedom manipulator, which includes the following steps: keeping the designated points fixed on the manipulator, rotating around at least two coordinate axes of the coordinate system with the designated points as the origin, obtaining the coordinates of the corners of the calibration plate in the process of rotation, and calculating the circular center of the trajectory of the calibration plate. The space offset vectors from each corner point to the designated point in the coordinate system of visual acquisition on the calibration frame and the designated frame are calibrated; the attitude of the manipulator from the designated point to the end of the manipulator remains unchanged, and the manipulator is translated to different planes separately; the image of several frames is sampled from the calibration board during the translation process, and the end coordinates of the manipulator are obtained through the manipulator system; the coordinates of visual acquisition and the manipulator are calculated. The transformation relations between coordinate systems. By adopting the method of the present invention, the coordinate transformation relationship between the visual acquisition device and the manipulator system can be calculated without precise fixing of the calibration plate and other measuring devices.

【技术实现步骤摘要】
基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法、装置及系统
本专利技术属于智能机器人
，具体涉及一种基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法、装置及系统。
技术介绍
针对基于视觉算法的机械臂操作当中，通常有着获取视觉传感装置和机械臂之间的坐标系变换关系的需求，通过坐标系的变换关系可以将视觉传感装置获取的目标位置转换到机械臂坐标系当中。当前视觉传感装置采用的标定方法是，将标定用模板标签准确固定在机械臂上的指定位置A(已知该指定位置在机械臂坐标系中的坐标)；通过视觉传感装置的摄像头捕获图像中的标签；计算机计算出标签位置在视觉采集坐标系中的坐标B，再与机械臂坐标系联立，计算出坐标系变换关系。此方法的问题是，对模板标签的位置固定有较高要求，如果发生位置偏移(指用于计算坐标系变换关系的机械臂上指定位置在机械臂坐标系中的坐标A与实际该位置在机械臂坐标系中的坐标之间发生偏移)，则标定结果会发生偏移。另一种标定方法是，将标定板固定在机械臂上任意位置，并通过两台高精密的测量仪器对标定板上k个十字刻线记录方位、俯仰读数，并用相机同时记录对应的k个刻线的读数，计算机通过测量仪器标定的读数以及相机记录的读数，计算出坐标系变换关系。此方法的问题是，首先，由于增加了两台高精密的测量仪器从而增加了设备成本；其次，高精密仪器本身含有一定的标定误差，会叠加到最终的标定结果的误差当中。
技术实现思路
本专利技术目的是：针对现有技术的不足，提供一种适于简易环境使用的基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法、装置及系统。具体地说，本专利技术是采用以下技术方案实现的。一方面，本专利技术提供一种基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法，包括以下步骤：旋转及采样过程：使机械臂上指定点的空间位置保持固定，绕以所述指定点为原点的坐标系的至少两个坐标轴分别旋转一周；通过视觉采集设备采样获得此旋转过程中标定板上各个角点的坐标；计算圆心坐标和空间偏移向量过程：通过所述旋转及采样过程中采样所得标定板上各个角点的坐标计算标定板运动轨迹的圆心坐标以及指定帧上视觉采集坐标系下标定板上各个角点到指定点的空间偏移向量；平移及采样过程：使机械臂上从指定点开始至机械臂末端姿态保持不变，分别向不同平面平移机械臂；平移过程中通过视觉采集设备对标定板采样若干帧数的图像，获得相应图像上所有角点在视觉采集坐标系的坐标，同时通过机械臂系统获得机械臂坐标系下机械臂末端的坐标；根据所述平移及采样过程中图像上所有角点在视觉采集坐标系的坐标和所述空间偏移向量的差值获得视觉采集坐标系下机械臂末端的坐标；根据所述视觉采集坐标系下机械臂末端的坐标和机械臂坐标系下机械臂末端的坐标，获得视觉采集坐标系和机械臂坐标系间的变换关系。进一步而言，在旋转及采样过程之前还包括：将标定板固定于机械臂末端。进一步而言，所述标定板上的图形由视觉采集设备转化为二值化图像。进一步而言，所述指定点为机械臂最后一个关节旋转时的中心点。进一步而言，所述旋转及采样过程中每旋转一周至少采样3帧图像。进一步而言，所述平移及采样过程中不同平面至少为4个。进一步而言，所述平移及采样过程中每个平面至少采样一帧图像。进一步而言，当所述指定帧不是旋转及平移过程中最后一个采样帧时，机械臂保持与指定帧相应的姿态不变，通过视觉采集设备获取该姿态下标定板各个角点在视觉采集坐标系的空间坐标。另一方面，本专利技术还提供一种基于多自由度机械臂的视觉采集标定装置，包括：通讯单元，用于发送指令给视觉采集设备和/或机械臂系统，接收视觉采集设备采集的图像、机械臂系统返回的机械臂坐标系下坐标；以及计算单元，用于，响应于视觉采集设备的图像，计算标定板上角点在视觉采集坐标系下的坐标，根据标定板上角点在视觉采集坐标系下的坐标计算标定板旋转运动的旋转轴交点坐标，根据标定板上角点在视觉采集坐标系下的坐标计算其与所述旋转轴交点坐标间的空间偏移向量，根据所述空间偏移向量、机械臂保持同一姿态时视觉采集坐标系下角点坐标和机械臂末端在机械臂坐标系下的坐标，计算视觉采集坐标系与机械臂坐标系间的变换关系。再一方面，本专利技术还提供一种基于多自由度机械臂的视觉采集标定系统，包括上述的视觉采集标定装置、机械臂系统和视觉采集设备，所述视觉采集标定装置分别与机械臂系统和视觉采集设备间连接并通信；所述视觉采集设备，响应于视觉采集标定装置的指令，采集标定板的图像，并发送给视觉采集标定装置；所述机械臂系统，响应于视觉采集标定装置的指令，旋转、平移或保持固定于其上的标定板，并向视觉采集标定装置返回机械臂末端的坐标。又一方面，本专利技术还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法。又一方面，本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法。本专利技术的有益效果如下：采用本专利技术的基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法、装置及系统，不需要对标定板块精确固定，也不需要其他测量设备，即可计算出视觉采集设备与机械臂系统的坐标系变换关系。附图说明图1是本专利技术实施例的系统组成示意图。图2是本专利技术实施例的围绕固定点在两个旋转轴方向上旋转的轨迹示意图。图3是本专利技术实施例的旋转运动轨迹采样点(部分)与旋转轴交点示意图。图4是本专利技术实施例的坐标系转换前后在不同坐标系下机械臂坐标示意图。具体实施方式下面结合实施例并参照附图对本专利技术作进一步详细描述。实施例1：本专利技术的一个实施例，介绍了一种基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法。本实施例采用的标定系统，主要包括视觉采集标定装置、视觉采集设备、机械臂系统；视觉采集标定装置可以用来处理视觉采集设备捕获的图像，并获取其中各点的坐标，计算得出坐标系间变换关系；视觉采集设备可以用来根据视觉采集标定装置的指令捕获标定板的图像，并将相应的图像发送给视觉采集标定装置；机械臂系统用来根据视觉采集标定装置的指令运动，并将标定板在机械臂坐标系下的坐标返回给视觉采集标定装置。其中，视觉采集标定装置可以由计算机来实现，如图1所示。计算机包括通讯单元和计算单元。通讯单元，用于发送指令给视觉采集设备和/或机械臂系统，接收视觉采集设备采集的图像、机械臂系统返回的机械臂坐标系下坐标。计算机通过TCP/IP协议与机械臂系统进行通信，根据机械臂系统手册提供的控制指令参考，计算机直接发送平移或旋转相应的指令对机械臂系统进行控制；并且通过固定频率向机械臂系统请求获取状态信息的数据包，根据机械臂系统手册提供的数据结构，解析数据包从而获取机械臂系统状态信息的各项参数。计算机通过网口或USB端口与视觉采集设备相连接，根据视觉采集设备自带的SDK软件包，调用对应的接口，接收视觉采集设备的可见光图像或深度图像。计算单元，用于根据从视觉采集设备接收到的可见光图像或深度图采样图像，计算标定板上角点在视觉采集坐标系下的坐标，并由此计算标定板旋转运动的旋转轴交点坐标及标定板上角点到该交点间的空间偏移向量，根据所述空间偏移向量、机械臂保持同一姿态时视觉采集坐标系下角点坐标和机械臂末端在机械臂坐标系下的坐标，计算视觉采集坐标系与机械臂坐标系间的变换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法，其特征在于，包括以下步骤：旋转及采样过程：使机械臂上指定点的空间位置保持固定，绕以所述指定点为原点的坐标系的至少两个坐标轴分别旋转一周；通过视觉采集设备采样获得此旋转过程中标定板上各个角点的坐标；计算圆心坐标和空间偏移向量过程：通过所述旋转及采样过程中采样所得标定板上各个角点的坐标计算标定板运动轨迹的圆心坐标以及指定帧上视觉采集坐标系下标定板上各个角点到指定点的空间偏移向量；平移及采样过程：使机械臂上从指定点开始至机械臂末端姿态保持不变，分别向不同平面平移机械臂；平移过程中通过视觉采集设备对标定板采样若干帧数的图像，获得相应图像上所有角点在视觉采集坐标系的坐标，同时通过机械臂系统获得机械臂坐标系下机械臂末端的坐标；根据所述平移及采样过程中图像上所有角点在视觉采集坐标系的坐标和所述空间偏移向量的差值获得视觉采集坐标系下机械臂末端的坐标；根据所述视觉采集坐标系下机械臂末端的坐标和机械臂坐标系下机械臂末端的坐标，获得视觉采集坐标系和机械臂坐标系间的变换关系。

【技术特征摘要】
1.一种基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法，其特征在于，包括以下步骤：旋转及采样过程：使机械臂上指定点的空间位置保持固定，绕以所述指定点为原点的坐标系的至少两个坐标轴分别旋转一周；通过视觉采集设备采样获得此旋转过程中标定板上各个角点的坐标；计算圆心坐标和空间偏移向量过程：通过所述旋转及采样过程中采样所得标定板上各个角点的坐标计算标定板运动轨迹的圆心坐标以及指定帧上视觉采集坐标系下标定板上各个角点到指定点的空间偏移向量；平移及采样过程：使机械臂上从指定点开始至机械臂末端姿态保持不变，分别向不同平面平移机械臂；平移过程中通过视觉采集设备对标定板采样若干帧数的图像，获得相应图像上所有角点在视觉采集坐标系的坐标，同时通过机械臂系统获得机械臂坐标系下机械臂末端的坐标；根据所述平移及采样过程中图像上所有角点在视觉采集坐标系的坐标和所述空间偏移向量的差值获得视觉采集坐标系下机械臂末端的坐标；根据所述视觉采集坐标系下机械臂末端的坐标和机械臂坐标系下机械臂末端的坐标，获得视觉采集坐标系和机械臂坐标系间的变换关系。2.根据权利要求1所述的基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法，其特征在于，在旋转及采样过程之前还包括：将标定板固定于机械臂末端。3.根据权利要求1所述的基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法，其特征在于，所述标定板上的图形由视觉采集设备转化为二值化图像。4.根据权利要求1所述的基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法，其特征在于，所述指定点为机械臂最后一个关节旋转时的中心点。5.根据权利要求1所述的基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法，其特征在于，所述旋转及采样过程中每旋转一周至少采样3帧图像。6.根据权利要求1所述的基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法，其特征在于，所述平移及采样过程中不同平面至少为4个。7.根据权利要求1至6任一所述的基于多自由度机械臂的视觉采集标定方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王松，冯海东，项导，王锋，毛成林，
申请(专利权)人：亿嘉和科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32