一种基于坐标系伺服对准的结构光手眼标定方法技术

本发明专利技术涉及三维手眼标定领域，面向结构光相机坐标系与机器人末端坐标系的三维标定；在机器人末端安装结构光传感器，借助特殊设计的标定块的几何信息，经过离线和在线两步估算方法，高精度地估算结构光相机坐标系的三维相对位姿关系；本发明专利技术具体为：借助标定块的特殊几何信息，操作者可以手动调整机器人末端姿态，带动相机运动采集图像，快速获得结构光相机坐标系的初始相对位姿；在获得初始相对位姿后，机器人可以通过包含指定路径的自动运行作业，带动相机采集图像，算法循环迭代地估算结构光相机坐标系的相对位姿，最后获得高精度的标定结果；该方法在焊缝跟踪、机器人自动打磨等基于结构光的机器人手眼视觉应用中具很高的实用性。用性。用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于坐标系伺服对准的结构光手眼标定方法


[0001]本专利技术属于计算机视觉领域，具体的说涉及一种结构光相机坐标系和机器人末端坐标系的手眼标定方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展和工业自动化水平的不断提高，机器人在各个行业中得到了广泛的应用，视觉与机器人的结合使得机器人多了一双“眼睛”，结构光作为一种主动视觉比相比传统2D平面视觉，鲁棒性更强，也可以获取三维数据；在焊缝跟踪或是机器人自动打磨项目中，结构光与机器人的结合更是得到了大量应用。因此，手眼标定是结构光机器人手眼视觉应用中必不可少的环节。传统三维手眼标定方法往往通过机器人带动相机运动，对标定板采集多组姿态下的图像，获得足够的标定数据，再经过矩阵拟合，姿态分解等步骤完成手眼标定；这类方法有诸多缺点：(1)姿态分解过程往往面临精度不足的问题；(2)当系统存在微小扰动时，拟合的矩阵经过姿态分解后的结果一致性较差；(3)标定过程中，机器人拍照姿态的选择对标定结果起到了至关重要的作用，标定精度过度依赖操作者的专业水平；
[0003]本专利技术着眼于传统手眼标定方法的不足，力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于坐标系伺服对准的结构光手眼标定方法，其特征在于，通过标定块与安装在机器人末端的结构光相机，经过离线估算与在线估算，实现估算结构光相机坐标系的三维相对位姿，即结构光相机坐标系相对于机器人工具坐标系的位置和姿态，其中：离线估算为：根据标定块的几何信息，通过调整机器人末端姿态带动结构光相机采集标定块图像并建立初始机器人工具坐标系，同时获取初始机器人工具坐标系相对于结构光相机坐标系的相对位姿；在线估算为：机器人事先设定好运动路径，带动结构光相机采集标定块图像并实时建立当前时刻的机器人工具坐标系，结构光相机根据采集到的图像实时给机器人反馈在标定块用户坐标系下的运动坐标信息，机器人根据运动坐标信息的引导在原设定路径的基础上完成下一时刻的运动，循环迭代机器人工具坐标系在结构光相机坐标系下的相对位姿，直至与结构光坐标系下的相对位姿重合，停止迭代。2.根据权利要求1所述的一种基于坐标系伺服对准的结构光手眼标定方法，其特征在于，所述标定块为两相对侧面为直角梯形、上下底面为矩形的四棱柱，其中，上底面有三个不共线且每两个之间距离超过阈值的圆孔A、B、C，以及一个等腰三角形的凹槽；斜坡面有一个平行于斜坡的凹槽。3.根据权利要求2所述的一种基于坐标系伺服对准的结构光手眼标定方法，其特征在于，所述圆孔A、B、C用于建立标定块用户坐标系，以及离线估算相对姿态rx、rz；等腰三角形凹槽用于在离线估算时估算相对位置(tx,ty,tz)和相对姿态ry，在在线估算时估算相对位置(tx,ty,tz)和相对姿态rx、ry；平行于斜坡的凹槽用于在在线估算时估算相对姿态rz。4.根据权利要求1所述的一种基于坐标系伺服对准的结构光手眼标定方法，其特征在于，所述标定块的几何信息包括：一个带有等腰三角形的平面，平面上带有三个或以上不共线的圆孔，一个带有平行凹槽的斜坡面。5.根据权利要求1所述的一种基于坐标系伺服对准的结构光手眼标定方法，其特征在于，离线估算流程依次包括：估算相对姿态rz、估算相对姿态rx、估算相对姿态ry、估算相对位置(tx,ty,tz)。6.根据权利要求5所述的一种基于坐标系伺服对准的结构光手眼标定方法，其特征在于，相对姿态rz的估算：首先，机器人利用三个圆孔建立标定块用户坐标系，原点为圆孔A中心，x轴正向为从圆孔A中心到圆孔B中心，y轴正向为从圆孔A中心到圆孔C中心，坐标系符合右手定则，z轴垂直于标定块上表面向下，手动调整机器人末端姿态，使得结构光相机的激光线穿过孔A和B，此时结构光相机坐标系x轴与标定块用户坐标系x轴重合，得到相对姿态rz；相对姿态rx的估算：在不改变rz的前提下，手动调整机器人末端,升高或降低标定块用户坐标系下的机器人z坐标，如果结构光相机坐标系和机器人工具坐标系存在相对姿态rx偏差，则激光线会偏离孔A和B所在的直线，调整机器人rx使得在升高或降低的过程中激光线始终穿过孔A和B，此时结构光相机坐标系z轴与标定块用户坐标系z轴平行，估算得到相对姿态rx；相对姿态ry的估算：在不改变rx、rz的前提下，调整机器人末端使之沿着标定块用户坐标系Y轴平移距离Y
F
，使得激光线与三角形凹槽的两边相交于点D、E；结构光计算出结构光
相机坐标系x轴与过点D、E的直线构成的夹角，即相对姿态ry，机器人调整ry，此时结构光相机坐标系与标定块用户坐标系三个坐标轴平行，得到相对姿态ry；ry计算公式如下：其中结构光相机坐标系下的D点测量坐标为(X
D
，Z
D
)，E点测量坐标为(X
E
，Z
E
)，θ为结构光相机坐标系x轴与过点D、E的直线构成的夹角；相对位置(tx,ty,...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴清潇，李思聪，欧锦军，王化明，段红旭，王爽，朱枫，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：