基于球形合作目标的立体相机位姿标定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于球形合作目标的立体相机位姿标定方法及系统，标定方法包括：将由多个位置确定的球体摆放组成的球形合作目标平稳放置；控制工业机器人带动安装在末端机械手上的面结构光立体相机运动至各标定位姿，面结构光立体相机采集各个标定位姿下球形合作目标的轮廓点云；对球形合作目标的轮廓点云进行识别、分割，计算各个球体的球心坐标；根据各个标定位姿下，工业机器人与面结构光立体相机的位姿变化信息，计算得到面结构光立体相机与工业机器人的位姿转换信息。本发明专利技术标定过程简单、高效，在智能工业机器人作业过程中也能在线校验或标定面结构光立体相机与工业机器人的位姿，可自动化实现，具有较高的标定精度。具有较高的标定精度。具有较高的标定精度。

Stereo camera pose calibration method and system based on spherical cooperative target

【技术实现步骤摘要】
基于球形合作目标的立体相机位姿标定方法及系统


[0001]本专利技术属于智能工业机器人领域，具体涉及一种基于球形合作目标的立体相机位姿标定方法及系统。

技术介绍

[0002]具有视觉感知能力的智能工业机器人，能够识别动态场景中的环境、作业对象以及设备自身的状态，智能地规划适用当前场景的作业工序和工艺，已经广泛应用于高端智造领域当中多规格、小批量、形变产品的柔性生产任务，实现逆向三维重建、尺寸及形位公差检测、装配、焊接、加工引导等。
[0003]目前在工业生产领域，安装于工业机器人末端的面结构光立体相机应用场景越来越多。面结构光立体相机控制工业机器人作业时，必须将其测量数据高精度地转换为工业机器人末端机械手或其它工艺执行单元需要的工业机器人坐标系下的数据，智能工业机器人在使用前，需要标定面结构光立体相机与工业机器人的安装位姿，得到坐标转换矩阵。
[0004]行业内目前绝大多数采用的是传统2D工业相机与工业机器人坐标转换矩阵的标定方法，存在标定步骤多，耗时长，精度低，实现自动化困难，无法在使用过程中在线校验或标定面结构光立体相机与工业机器人的坐标转换矩阵。
[0005]行业内也有采用立体合作目标进行标定的方案。一类是在安装作业机械手单元前，在机器人法兰上安装对尖工装，将面结构光立体相机采集到的三维特征，通过对尖的方式建立两个坐标系的对应关系。另一类是结构经过特别设计的立体合作目标，通过提取棱线、尖顶等特征信息，求解得到面结构光立体相机与工业机器人的坐标转换矩阵。现有的这两类标定方法对立体合作目标的加工要求高，成本高，准备周期长，为了评价立体合作目标的点云数据质量，标定算法复杂，易出错，在线自动化算法有难度。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于球形合作目标的立体相机位姿标定方法及系统，标定过程简单、高效，在智能工业机器人作业过程中也能在线校验或标定面结构光立体相机与工业机器人的位姿，可自动化实现，具有较高的标定精度。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术有如下的技术方案：
[0008]一种基于球形合作目标的立体相机位姿标定方法，包括：
[0009]将由多个位置确定的球体摆放组成的球形合作目标平稳放置；
[0010]控制工业机器人带动安装在末端机械手上的面结构光立体相机运动至各标定位姿，面结构光立体相机采集各个标定位姿下球形合作目标的轮廓点云；
[0011]对球形合作目标的轮廓点云进行识别、分割，计算各个球体的球心坐标；
[0012]根据各个标定位姿下，工业机器人与面结构光立体相机的位姿变化信息，计算得到面结构光立体相机与工业机器人的位姿转换信息。
[0013]作为本专利技术立体相机位姿在线标定方法一种优选的方案，所述将球形合作目标平
稳放置包括如下步骤：
[0014]选择由不少于三个球体组成的球形合作目标平稳放置；
[0015]两两标定位姿下，球形合作目标的全部球体在面结构光立体相机视场范围内。
[0016]作为本专利技术立体相机位姿在线标定方法一种优选的方案，所述的控制工业机器人运动至多个标定位姿包括如下步骤：
[0017]选择不少于三个标定位姿；
[0018]控制工业机器人带动面结构光立体相机运动，面结构光立体相机的视角向下，采集到球形合作目标多个球体的顶部轮廓；
[0019]读取工业机器人的位姿参数作为初始标定位姿，绕面结构光立体相机的X轴顺时针、逆时针旋转尽可能大的角度增加标定姿态，绕面结构光立体相机的Y轴顺时针、逆时针旋转尽可能大的角度增加标定姿态。
[0020]作为本专利技术立体相机位姿在线标定方法一种优选的方案，所述对球形合作目标的轮廓点云进行识别、分割，计算各个球体的球心坐标包括：
[0021]识别各个标定位姿下有着物理空间对应关系的球形合作目标；
[0022]从包含背景点云数据以及多个球形合作目标轮廓点云的点云集中分割出球形合作目标的轮廓点云；
[0023]拟合计算分割后的轮廓点云的球心坐标。
[0024]作为本专利技术立体相机位姿在线标定方法一种优选的方案，计算各个标定位姿下工业机器人的位姿变化信息包括如下步骤：
[0025]读取工业机器人各个标定位姿的参数；
[0026]工业机器人各个标定位姿的参数根据厂家的坐标系定义进行计算；设定位姿参数对应的位姿矩阵姿态矩阵为Rr
n
，位姿矩阵平移矩阵为Tr
n
，其中r表示工业机器人；分解计算工业机器人两两标定位姿的旋转变化信息，计算公式为：
[0027]Rr
n1n2
＝Rr
n1
*Rr
n2
‑1[0028]式中，Rr
n1n2
表示第n2标定位姿至第n1标定位姿的旋转变化；
[0029]计算两两标定位姿的平移变化信息，计算公式为：
[0030]Tr
n1n2
＝Tr
n1
‑
Rr
n1n2
*Tr
n1
[0031]式中，Tr
n1n2
表示第n2标定位姿至第n1标定位姿的平移变化。
[0032]作为本专利技术立体相机位姿在线标定方法一种优选的方案，计算各个标定位姿下面结构光立体相机的位姿变化信息包括如下步骤：
[0033]读取各个标定位姿下球形合作目标的球心坐标；
[0034]球形合作目标各个标定位姿的位姿定义为球形合作目标带有编码的球心坐标集合；设定位姿参数对应的位姿矩阵姿态矩阵为Rc
n
，位姿矩阵平移矩阵为Tc
n
，其中c表示面结构光立体相机；分解计算面结构光立体相机采集球形合作目标的两两标定位姿旋转变化信息，计算公式为：
[0035]Rc
n1n2
＝Rc
n1
*Rc
n2
‑1[0036]公式中，Rc
n1n2
表示第n2标定位姿至第n1标定位姿的旋转变化；
[0037]计算两两标定位姿的平移变化信息，计算公式为：
[0038]Tc
n1n2
＝Tc
n1
‑
Rc
n1n2
*Tc
n1
[0039]式中，Tr
n1n2
表示第n2标定位姿至第n1标定位姿的平移变化。
[0040]作为本专利技术立体相机位姿在线标定方法一种优选的方案，计算面结构光立体相机与工业机器人的位姿转换信息包括如下步骤：
[0041]工业机器人的两两标定位姿旋转变化矩阵对应的旋转向量Vr
n1n2
组成矩阵A；
[0042]面结构光立体相机采集的球形合作目标的两两标定位姿旋转变化矩阵对应的旋转向量Vc
n1n2
组成B；
[0043]面结构光立体相机与工业机器人的位姿旋转变化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于球形合作目标的立体相机位姿标定方法，其特征在于，包括：将由多个位置确定的球体摆放组成的球形合作目标(3)平稳放置；控制工业机器人(1)带动安装在末端机械手上的面结构光立体相机(2)运动至各标定位姿，面结构光立体相机(2)采集各个标定位姿下球形合作目标(3)的轮廓点云；对球形合作目标(3)的轮廓点云进行识别、分割，计算各个球体的球心坐标；根据各个标定位姿下，工业机器人(1)与面结构光立体相机(2)的位姿变化信息，计算得到面结构光立体相机(2)与工业机器人(1)的位姿转换信息。2.根据权利要求1所述基于球形合作目标的立体相机位姿标定方法，其特征在于，所述将球形合作目标(3)平稳放置包括如下步骤：选择由不少于三个球体组成的球形合作目标(3)平稳放置；两两标定位姿下，球形合作目标(3)的全部球体在面结构光立体相机视场范围(6)内。3.根据权利要求1所述基于球形合作目标的立体相机位姿标定方法，其特征在于，所述的控制工业机器人(1)运动至多个标定位姿包括如下步骤：选择不少于三个标定位姿；控制工业机器人(1)带动面结构光立体相机(2)运动，面结构光立体相机(2)的视角向下，采集到球形合作目标(3)多个球体的顶部轮廓；读取工业机器人(1)的位姿参数作为初始标定位姿，绕面结构光立体相机(2)的X轴顺时针、逆时针旋转尽可能大的角度增加标定姿态，绕面结构光立体相机(2)的Y轴顺时针、逆时针旋转尽可能大的角度增加标定姿态。4.根据权利要求1所述基于球形合作目标的立体相机位姿标定方法，其特征在于，所述对球形合作目标(3)的轮廓点云进行识别、分割，计算各个球体的球心坐标包括：识别各个标定位姿下有着物理空间对应关系的球形合作目标(3)；从包含背景点云数据以及多个球形合作目标(3)轮廓点云的点云集中分割出球形合作目标(3)的轮廓点云；拟合计算分割后的轮廓点云的球心坐标。5.根据权利要求1所述基于球形合作目标的立体相机位姿标定方法，其特征在于，计算各个标定位姿下工业机器人(1)的位姿变化信息包括如下步骤：读取工业机器人(1)各个标定位姿的参数；工业机器人(1)各个标定位姿的参数根据厂家的坐标系定义进行计算；设定位姿参数对应的位姿矩阵姿态矩阵为Rr
n
，位姿矩阵平移矩阵为Tr
n
，其中r表示工业机器人；分解计算工业机器人(1)两两标定位姿的旋转变化信息，计算公式为：Rr
n1n2
＝Rr
n1
*Rr
n2
‑1式中，Rr
n1n2
表示第n2标定位姿至第n1标定位姿的旋转变化；计算两两标定位姿的平移变化信息，计算公式为：Tr
n1n2
＝Tr
n1
‑
Rr
n1n2
*Tr
n1
式中，Tr
n1n2
表示第n2标定位姿至第n1标定位姿的平移变化。6.根据权利要求5所述基于球形合作目标的立体相机位姿标定方法，其特征在于，计算各个标定位姿下面结构光立体相机(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵军丽，高飞，张曦郁，路超，张恒，
申请(专利权)人：西安中科光电精密工程有限公司，
类型：发明
国别省市：