一种3D线激光扫描相机手眼标定方法技术

本发明专利技术提供一种3D线激光扫描相机手眼标定方法，其计算量小，且可以获得更明显的特征，减少了标定时间，提高了标定精度。本发明专利技术技术方案中，设置正三棱锥做标定块，以标定块的顶点作为基准，机器人通过3D线扫描相机分别采集其在两个不同坐标系：线激光坐标系、基坐标系下的坐标，根据这个相同的点建立方程等价关系，得到标定矩阵，实现手眼标定。

【技术实现步骤摘要】
一种3D线激光扫描相机手眼标定方法
本专利技术涉及机器人标定
，具体为一种3D线激光扫描相机手眼标定方法。
技术介绍
近些年来，机器人视觉技术的发展极其迅速，基于视觉伺服的机械臂在工业自动化生产中得到了广泛的应用，它采用视觉引导的方式规划机械臂的运动路径，从而提高机械臂的智能化水平，提高生产效率。3D线激光扫描相机作为一种3D视觉传感器，可以用于测量物体的轮廓形状、尺寸、坐标位置等。通常3D线激光扫描相机会作为机器人的眼睛，被安装在机器人末端或安装与生产线上相对于机器人底座固定的位置。机械臂和视觉系统的位姿标定是确保视觉伺服机械臂系统正常工作的重要条件。相机标定一般都是通过标定模块来确定视觉传感器坐标系和机械臂坐标系之间的关系。现有技术中，3D线激光标定通常都是用球体作为标定块，以圆(球)心或者球表面为采集点；但是，这样在标定的时候，计算量比较大，对设备性能要求较高；同时，在机器人变换位姿扫描的时候，基于点云处理获得的表面特征不够明显，导致标定结果不够精确，进而导致机器人动作不准确。
技术实现思路
为了解决现有技术中基于球体作为标定块，计算量较大，且获得的表面特征不够明显的问题，本专利技术提供一种3D线激光扫描相机手眼标定方法，其计算量小，且可以获得更明显的特征，减少了标定时间，提高了标定精度。本专利技术的技术方案是这样的：一种3D线激光扫描相机手眼标定方法，其包括以下步骤：S1：将标定块放置在机器人运动空间范围之内；其特征在于：所述标定块为正三棱锥型；其还包括以下步骤：S2：驱动机器人将3D线扫描相机移动至所述标定块的正三棱锥顶点上方的数据采集位置；S3：在设置N个不同的所述数据采集位置，分别进行数据采集，其中N为正整数；分别记录在N个所述数据集采集位置采集的标定用数据，获得N组所述标定用数据；所述标定用数据包括：基坐标系下采集的所述标定块的顶点坐标，线激光坐标系下的所述标定块的顶点像素坐标；S4：根据所述标定块的顶点坐标分别在所述基坐标系、所述线激光坐标系下的对应关系，基于四元数和最小二乘法，求出所述基坐标系和的所述线激光坐标系之间的位姿变换矩阵，从而实现手眼标定。其进一步特征在于：步骤S4中，计算公式为：其中S1,S2...Sn为机器人基坐标系下的位姿变换矩阵，Pc1,Pc2...Pcn为对应的线激光坐标系下的像素坐标，X为3D线激光扫描相机的变换矩阵即手眼标定矩阵；所述基坐标系在机器人中读取；所述线激光坐标系在所述3D线扫描相机中读取；所述数据采集位置包括：正三棱锥型的所述标定块的顶点平面的上方平面中的位置；N个不同的所述数据采集位置与所述标定块的顶点不会构成一条直线；N取值为N≥3；所述正三棱锥型边长为30mm；每一组在所述基坐标系下采集的所述标定块的顶点坐标的数据包括：平移矩阵、旋转矩阵；步骤S4中，基于四元数和最小二乘法，求出所述基坐标系和的所述线激光坐标系之间的位姿变换矩阵，包括如下步骤：a1：读取所述线激光坐标系Qc下所述标定块的顶点像素坐标P＝(Pc1,Pc2…Pcn)；读取所述基坐标系Qb下的所述标定块的顶点坐标数据S＝(S1,S2…Sn)；a2：所述标定块的顶点坐标数据包括：平移矩阵R、旋转矩阵T；将所述标定块的顶点坐标的平移矩阵R基于四元数表示，记做Q；a3：将S、P、Q带入到公式：求取获得标定矩阵X后，基于最小二乘法求得最小解，即实现手眼标定。本专利技术提供的一种3D线激光扫描相机手眼标定方法，设置正三棱锥做标定块，以标定块的顶点作为基准，不同姿态下做对比时都可以保证光线照到同一个尖端上，同时点云图上对标定块顶点的判定更容易，所以本专利技术技术方案可以使用更小的计算量，获得更明显的特征，不但减少了标定时间，且提高了标定精度。附图说明图1为本专利技术的手眼标定方法示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术一种3D线激光扫描相机手眼标定方法，其包括以下步骤：S1：将正三棱锥型的标定块放置在机器人运动空间范围之内；选择标定块的时候，其尺寸需要确保在机器人可运动区域内方便机器人姿态转变，同时保证3D线激光扫描相机可以采集到标定块固定不变的顶点；过大会浪费材料，也不适于过小，本实施例中，正三棱锥型边长为30mm。S2：驱动机器人将3D线扫描相机移动至标定块的正三棱锥顶点上方的数据采集位置；数据采集位置包括：正三棱锥型的标定块的顶点平面的上方平面中的位置，即确保3D线激光扫描相机可以采集到标定块固定不变的顶点的位置。S3：在设置N个不同的数据采集位置，分别进行数据采集，其中N为正整数；N个不同的数据采集位置与标定块的顶点不会构成一条直线；采集的次数越多标定结果精度越高，3次之后就趋于稳定了，次数提高的精度会越高，在确保精度足够，且计算量适合的基础上，本实施例中，N取值为3；分别记录在N个数据集采集位置采集的标定用数据，获得N组标定用数据；标定用数据包括：基坐标系下采集的标定块的顶点坐标，线激光坐标系下的标定块的顶点像素坐标；其中，基坐标系在机器人的示教器中读取；线激光坐标系在3D线扫描相机中读取；每一组在基坐标系下采集的标定块的顶点坐标的数据包括：平移矩阵、旋转矩阵。如图1所示，标定块1放置在机器人3运动空间范围之内，机器人3驱动3D线激光扫描相机4在正三棱锥型的标定块1的顶点2的平面上方平面变化位姿，设置数据采集位置，本实施例中，包括：数据采集位置5、数据采集位置6、数据采集位置7。S4：根据标定块的顶点坐标分别在基坐标系、线激光坐标系下的对应关系，基于四元数和最小二乘法，求出基坐标系和的线激光坐标系之间的位姿变换矩阵，从而实现手眼标定；具体包括如下步骤：读取线激光坐标系Qc下标定块的顶点像素坐标P＝(Pc1,Pc2…Pcn)；读取基坐标系Qb下的标定块的顶点坐标数据S＝(S1,S2…Sn)；标定块的顶点坐标数据包括：平移矩阵R、旋转矩阵T；将标定块的顶点坐标的平移矩阵R基于四元数表示，记做Q；设机器人工具坐标系为Qt；线激光坐标系Qc到工具坐标系Qt的转换为：Pt＝r×Pc+t；其中r、t分别为线激光坐标系Qc到工具坐标系Qt的旋转矩阵和平移矩阵；工具坐标系Qt到基坐标系Qb的转换为：Pb＝R×Pt+T其中R、T分别为工具坐标系Qt到基坐标系Qb的旋转矩阵和平移矩阵；则：得到基坐标系Qb和线激光坐标系Qc的关系如下：Pb＝R×(r×Pc+t)+T即：因为已知在机器人基坐标系Qb下，即使机器人位姿发生改变，标定块的顶点坐标不变，则有：其中S1,S2...Sn为机器人基坐标系下的位姿变换矩阵，Pc1,Pc2.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D线激光扫描相机手眼标定方法，其包括以下步骤：/nS1：将标定块放置在机器人运动空间范围之内；/n其特征在于：/n所述标定块为正三棱锥型；/n其还包括以下步骤：/nS2：驱动机器人将3D线扫描相机移动至所述标定块的正三棱锥顶点上方的数据采集位置；/nS3：在设置N个不同的所述数据采集位置，分别进行数据采集，其中N为正整数；/n分别记录在N个所述数据集采集位置采集的标定用数据，获得N组所述标定用数据；/n所述标定用数据包括：基坐标系下采集的所述标定块的顶点坐标，线激光坐标系下的所述标定块的顶点像素坐标；/nS4：根据所述标定块的顶点坐标分别在所述基坐标系、所述线激光坐标系下的对应关系，基于四元数和最小二乘法，求出所述基坐标系和的所述线激光坐标系之间的位姿变换矩阵，从而实现手眼标定。/n

【技术特征摘要】
1.一种3D线激光扫描相机手眼标定方法，其包括以下步骤：
S1：将标定块放置在机器人运动空间范围之内；
其特征在于：
所述标定块为正三棱锥型；
其还包括以下步骤：
S2：驱动机器人将3D线扫描相机移动至所述标定块的正三棱锥顶点上方的数据采集位置；
S3：在设置N个不同的所述数据采集位置，分别进行数据采集，其中N为正整数；
分别记录在N个所述数据集采集位置采集的标定用数据，获得N组所述标定用数据；
所述标定用数据包括：基坐标系下采集的所述标定块的顶点坐标，线激光坐标系下的所述标定块的顶点像素坐标；
S4：根据所述标定块的顶点坐标分别在所述基坐标系、所述线激光坐标系下的对应关系，基于四元数和最小二乘法，求出所述基坐标系和的所述线激光坐标系之间的位姿变换矩阵，从而实现手眼标定。


2.根据权利要求1所述一种3D线激光扫描相机手眼标定方法，其特征在于：步骤S4中，计算公式为：



其中S1,S2...Sn为机器人基坐标系下的位姿变换矩阵，Pc1,Pc2...Pcn为对应的线激光坐标系下的像素坐标，X为3D线激光扫描相机的变换矩阵即手眼标定矩阵。


3.根据权利要求1所述一种3D线激光扫描相机手眼标定方法，其特征在于：所述基坐标系在机器人中读取。


4.根据权利要求1所述一种3D线激光扫描相机手眼标定方法，其特征在于：所述线激光坐标系在所述3D线扫描相机中读取。


5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞经虎，朱行飞，周星宇，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32