Stewart平台运动学参数的机器视觉标定方法技术

本发明专利技术公开了一种Stewart平台运动学参数的机器视觉标定方法，该方法将相机放置在Stewart平台的上平台上，然后移动上平台至特定位姿若干次，并拍摄每次移动后标定模板的图像，通过检测角点的方法检测出棋盘格标定模板上的十字相交点在图像中的像素坐标，并求解Perspective‑n‑Point问题来获取相机相对于标定模板的位姿，最后构建等式约束的运动学参数误差模型，并将模型转化为无约束模型来进行最优化求解。本发明专利技术提供的运动学参数标定方法，可以在相机坐标系和上平台坐标系变换关系未知的情况下，仅通过相对位姿变化得到运动学参数，可以有效确定支杆初始长度的误差。

【技术实现步骤摘要】
Stewart平台运动学参数的机器视觉标定方法
本专利技术涉及机器视觉和机器人学等领域。尤其涉及一种使用机器视觉方法来进行Stewart平台的运动学参数的标定方法。具体来说，涉及一种当相机的安装位置未知时，仅使用Stewart平台的前后移动的相对位姿测量信息来矫正平台支杆的寻零误差的方法。
技术介绍
Stewart平台是一种并联结构的六自由度机器人。它可以提供良好的运动精度和刚度，同时带负载能力强，在工业界得到了广泛的应用。运动学参数指的是Stewart平台上各个铰链大小，安装位置等。当一个Stewart平台的运动学参数定下来后，该平台达到某个特定姿态，每个关节所需要转动的角度或者伸长的长度就完全确定了。而对于一个并联结构的平台，其分为上平台，下平台，支杆三部分，其中每条支杆和上下平台均有一个交点。所以一个Stewart平台的运动学参数主要由这十二个交点的三维坐标(x,y,z)和初始杆长决定，一共12×3+6＝42个参数。其中十二个交点的坐标误差，主要由加工时候和装配时候的误差引起，通常较小。初始杆长的误差，主要由零位开关的安装位置和感应性能不一致性引起。在通常情况中，零位传感器是在运动关节制造完成后，手动装在T型槽中，误差相对较大。所以在本专利技术专利中，主要考虑对初始杆长的标定。在以往的方法中，标定运动学参数的方法主要步骤为：1、建立Stewart平台的运动学参数误差模型，该模型用来描述支杆初始长度误差和末端姿态的关系；2、将Stewart平台的下平台固定到特定位置上，而且已知该下平台和测量传感器的坐标变换关系；3、运动上平台到特定位姿，同时使用传感器测量该平台的绝对位姿；4、根据测量出来的绝对位姿和理论位姿比较，修正运动学参数；5、根据修正好的运动学参数，重新计算位姿误差；6、如果位姿误差小于设定阈值，标定完成；否则返回步骤3。上述传统方法在标定时需要精确测量下平台和上平台的绝对位姿，这会需要用到高精度的多维姿态测量仪器，提高了标定成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种Stewart平台运动学参数的机器视觉标定方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来显现的：Stewart平台运动学参数的机器视觉标定方法，包含如下步骤：(1)将相机固定在Stewart平台的上平台上，确保在整个标定过程中相机不会相对Stewart平台的上平台移动；任意放置棋盘格标定模板；(2)运动Stewart的上平台至不同位姿n次(n≥4)，相机拍摄这些位姿对应的标定模板图像；(3)在棋盘格标定模板最左上角的格点上建立世界坐标系原点，同时通过检测角点的方法检测出图像中的标定模板中十字相交点的像素坐标；通过机器视觉方法解决PnP问题来获取标定模板相对于相机的位姿；(4)构建Stewart运动学参数误差模型；根据Stewart平台的运动学关系，建立利用相对位姿变化的Stewart支杆误差模型；该模型是一个带等式约束的最优化模型；(5)将步骤4建立的带等式约束的模型，转化为无约束模型，并求解该最优化模型，得到Stewart平台运动学参数。进一步地，所述步骤2中，在移动Stewart上平台时，每一次运动均需要包含旋转和平移，即每次运动的旋转矩阵R不为单位矩阵，而且平移向量T不为0，而且各次运动的旋转矩阵R变换得到的旋转轴不能相同，旋转角度不做要求；其中，旋转轴的计算方法由Rodrigues公式给出，即R＝cos(θ)I+(1-cos(θ))nnT+sin(θ)n^；而且需要保证每次运动相机的图像均能将整个标定模板都放置在视野内；在运动过程中，需要记录每一次运动时候支杆长度的变化量Δl。进一步地，所述步骤4中，在建立模型时，需要对每一次的姿态都引入一个全新的SE(3)群上的量来表示上平台相对于下平台的姿态。同时该姿态满足Stewart自身的杆长模型方程。具体最优化模型为：Ti＝F-1(αi,βi，γi，tx,i，ty,i，tz,i)Ti+1＝F-1(αi+1,βi+1，γi+1，tx,i+1，ty,i+1，tz,i+1)式中，F表示坐标变换矩阵到姿态六元组[αi,βi,γi,txi,tyi,tzi]T的映射，表示相机坐标系c到Stewart上平台坐标系p的变换矩阵，为未知量；fj表示第j根支杆满足的姿态-杆长方程；表示第j根支杆在从第i次姿态移动到第i+1次姿态时候支杆长度变化量，为已知量。αi,βi,γi表示第i次运动姿态中，上平台相对于下平台绕x轴、y轴、z轴旋转的角度。txi,tyi,tzi表示第i次运动姿态中，上平台相对于下平台原点运动的向量，沿x轴、y轴、z轴的分量。进一步地，所述步骤5中，所述求解该最优化模型具体为：(5.1)取初始迭代支杆误差量δl为零向量[0,0,0,0,0,0]T，并将测量得到的姿态以任意方式分为两个集合，记为sa和sb；(5.2)更新当前每个姿态下的支杆长度li＝lmeasured+Δli+δl，其中lmeasured表示预测量得到的初始长度，Δli表示第i个姿态支杆的伸长量；(5.3)通过牛顿法迭代得到当前每个支杆长度下对应的姿态；(5.4)取sa集合中的Ti，通过最小二乘求解满足等式方程的(5.5)将步骤(5.3)和(5.4)的结果代入集合sb中的姿态，计算步骤4的目标函数obj；(5.6)如果obj小于设定阈值，则完成求解过程，否则进入(5-7)；(5.7)根据Levenberg-Marquardt算法计算δl的迭代步长δlΔ，然后更新δl＝δl+δlΔ，并返回步骤(5.2)。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的运动学参数标定方法，可以在相机坐标系和上平台坐标系变换关系未知的情况下，仅通过相对位姿变化得到运动学参数。可以有效确定支杆初始长度由于零位传感器装配误差和感应性能的不一致性带来的误差量。附图说明图1为本专利技术标定过程的流程图；图2为标定模板世界坐标系计算示意图；图3为本专利技术计算运动学正解的算法流程图；图4为本专利技术求解Stewart平台支杆误差量的算法流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述，本专利技术的目的和效果将变得更加明显。本专利技术提出了一种基于机器视觉的Stewart平台运动学参数在线标定方法。图1给出了本专利技术创造的方法流程图，本专利技术提出的方法可以很好地在仅利用相对位姿信息，并且在相机坐标系和上平台坐标系的变换关系等先验信息未知的情况下，同时完成Stewart平台运动学参数的标定和相机坐标系和平台坐标系变换阵的估计。Stewart平台是一种具有六个自由度的并联结构平台。该结构在航空航天运动等方面具有广泛的应用。对于Stewart平台结构而言，可以分为上平台，下平台和支杆三个部分。有关Stewart平台的详情，可以参见：StewartD.A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.Stewart平台运动学参数的机器视觉标定方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：/n(1)将相机固定在Stewart平台的上平台上，确保在整个标定过程中相机不会相对Stewart平台的上平台移动；任意放置棋盘格标定模板。/n(2)运动Stewart的上平台至不同位姿n次(n≥4)，相机拍摄这些位姿对应的标定模板图像。/n(3)在棋盘格标定模板最左上角的格点上建立世界坐标系原点，同时通过检测角点的方法检测出图像中的标定模板中十字相交点的像素坐标；通过机器视觉方法解决PnP问题来获取标定模板相对于相机的位姿。/n(4)构建Stewart运动学参数误差模型；根据Stewart平台的运动学关系，建立利用相对位姿变化的Stewart支杆误差模型；该模型是一个带等式约束的最优化模型。/n(5)将步骤4建立的带等式约束的模型，转化为无约束模型，并求解该最优化模型，得到Stewart平台运动学参数。/n

【技术特征摘要】
1.Stewart平台运动学参数的机器视觉标定方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：
(1)将相机固定在Stewart平台的上平台上，确保在整个标定过程中相机不会相对Stewart平台的上平台移动；任意放置棋盘格标定模板。
(2)运动Stewart的上平台至不同位姿n次(n≥4)，相机拍摄这些位姿对应的标定模板图像。
(3)在棋盘格标定模板最左上角的格点上建立世界坐标系原点，同时通过检测角点的方法检测出图像中的标定模板中十字相交点的像素坐标；通过机器视觉方法解决PnP问题来获取标定模板相对于相机的位姿。
(4)构建Stewart运动学参数误差模型；根据Stewart平台的运动学关系，建立利用相对位姿变化的Stewart支杆误差模型；该模型是一个带等式约束的最优化模型。
(5)将步骤4建立的带等式约束的模型，转化为无约束模型，并求解该最优化模型，得到Stewart平台运动学参数。


2.根据权利要求1所述的运动学参数标定方法，其特征在于，所述步骤2中，在移动Stewart上平台时，每一次运动均需要包含旋转和平移，即每次运动的旋转矩阵R不为单位矩阵，而且平移向量T不为0，而且各次运动的旋转矩阵R变换得到的旋转轴不能相同，旋转角度不做要求；其中，旋转轴的计算方法由Rodrignes公式给出，即R＝cos(θ)I+(1-cos(θ))nnT+sin(θ)n^；而且需要保证每次运动相机的图像均能将整个标定模板都放置在视野内；在运动过程中，需要记录每一次运动时候支杆长度的变化量Δl。


3.根据权利要求1所述的运动学参数标定方法，其特征在于，所述步骤4中，在建立模型时，需要对每一次的姿态都引入一个全新的SE(3)群上的量来表示上平台相对于下平台的姿态。同时该姿态满足Stewart自身的杆长模型方程。具体最优化模型为：

【专利技术属性】
技术研发人员：郑祥谱，杜歆，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33