一种无运动学参与的手眼标定方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无运动学参与的手眼标定方法和系统，通过控制五轴运动平台的平移轴做单轴点位运动，使用相机获取标定板的第一空间坐标，对所有第一空间坐标进行空间直线拟合，得到空间直线单位方向向量，对得到的XYZ三个方向上的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到姿态关系矩阵，通过旋转A轴和C轴的方式获取标定板的第二空间坐标，对所有第二空间坐标进行空间球面拟合，计算球心坐标，得到位置关系矩阵，得到由姿态关系矩阵和位置关系矩阵组合而成的手眼关系矩阵。解决了眼在手外的手眼标定方式下的由于平台运动学模型推算出的理论平台末端位姿矩阵与实际平台末端位姿矩阵之间的误差，导致手眼标定结果不准确的技术问题。的技术问题。的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种无运动学参与的手眼标定方法和系统


[0001]本专利技术涉及机器人手眼标定
，尤其涉及一种无运动学参与的手眼标定方法和系统。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，多自由度的精密运动平台在工业生产中得到了广泛的应用，在生产中利用视觉方法进行位姿估计来帮助运动平台实现精准的目标抓取或加工具有重要意义。
[0003]机器人手眼标定是利用视觉方法进行位姿估计来帮助运动平台实现精准的目标抓取或加工的一个非常基础且关键的技术。简单来说，手眼标定的目的就是获取运动平台坐标系和相机坐标系之间的关系，以便于将视觉识别的结果转移到运动平台坐标系下。手眼标定按照相机的安装方式可以分为两类：眼在手外的手眼标定和眼在手上的手眼标定。现有的手眼标定方法是利用一个标定板，通过求解形如AX=BX的高维非线性矩阵方程来进行手眼标定，该矩阵方程中，A与B均是已知量，分别为相机测量出的标定板坐标系在相机坐标系下的位姿矩阵和平台运动学模型（即描述平台在加工过程中刀具与工件的相对运动关系的数学模型）推算出的平台末端位姿矩阵，X为待求解的手眼关系矩阵。然而，由于平台运动学模型推算出的理论平台末端位姿矩阵与实际平台末端位姿矩阵之间的误差难以消除，尤其是误差较大的情况下，无法准确求解手眼关系矩阵，导致手眼标定结果不准确。因此，本专利技术中提供了一种无运动学参与的手眼标定方法，用于针对眼在手外的手眼标定方式，解决由于平台运动学模型推算出的理论平台末端位姿矩阵与实际平台末端位姿矩阵之间的误差难以消除，尤其是误差较大的情况下，无法准确求解手眼关系矩阵，导致手眼标定结果不准确的技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供了一种无运动学参与的手眼标定方法和系统，用于解决眼在手外的手眼标定方式下的由于平台运动学模型推算出的理论平台末端位姿矩阵与实际平台末端位姿矩阵之间的误差，导致手眼标定结果不准确的技术问题。
[0005]有鉴于此，本专利技术第一方面提供了一种无运动学参与的手眼标定方法和方法，包括：S1、基于五轴运动平台搭建眼在手外的手眼标定平台；S2、控制五轴运动平台其中一个平移轴做单轴点位运动，其中，控制五轴运动平台的平移轴包括X轴、Y轴和Z轴；S3、通过相机采集控制五轴运动平台做单轴点位运动过程中的标定板的第一空间坐标；S4、当采集到的第一空间坐标达到第一预置数量后，将所有第一空间坐标拟合成空间直线；
S5、判断所有第一空间坐标偏离空间直线的距离是否在第一最大偏移距离范围内，若是，则根据空间直线方程获取空间直线单位方向向量，若否，则剔除偏离距离最大的第一空间坐标，返回步骤S4；S6、判断是否已完成五轴运动平台所有平移轴的单轴点位运动，若否，则控制五轴运动平台对下一个平移轴做单轴点位运动，返回步骤S3，若是，则执行步骤S7；S7、对X轴、Y轴和Z轴的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到由正交化后的方向向量组合成的姿态关系矩阵；S8、控制五轴运动平台复位；S9、将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标；S10、当采集到的第二空间坐标达到第二预置数量后，将所有第二空间坐标拟合成空间球面；S11、判断所有第二空间坐标偏离空间球面的距离是否在第二最大偏移距离范围内，若是，则计算空间球面的球心坐标，得到位置关系矩阵，若否，则剔除偏离距离最大的第二空间坐标，返回步骤S10；S12、根据姿态关系矩阵和位置关系矩阵，得到手眼关系矩阵。
[0006]可选地，步骤S9具体包括：将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，判断标定板是否在相机视野范围内，若是，则偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标，若否，则控制五轴运动平台做平移运动，将标定板移动回相机视野范围内，并根据平移轴运动量和各平移轴的方向向量计算移动前标定板的第二空间坐标。
[0007]可选地，步骤S10具体包括：判断第二空间坐标的数量是否达到第二预置数量，若否，则返回步骤S9，若是，则将所有第二空间坐标拟合成空间球面。
[0008]可选地，步骤S4具体包括：判断第一空间坐标的数量是否达到第一预置数量，若否，则返回步骤S3，若是，则将所有第一空间坐标拟合成空间直线。
[0009]可选地，手眼关系矩阵为：；其中，为手眼关系矩阵，为姿态关系矩阵，为位置关系矩阵。
[0010]可选地，步骤S4中，采用最小二乘法将所有第一空间坐标拟合成空间直线，步骤S10中，采用最小二乘法将所有第二空间坐标拟合成空间球面。
[0011]本专利技术第二方面提供了一种无运动学参与的手眼标定系统，包括：平台搭建单元，用于基于五轴运动平台搭建眼在手外的手眼标定平台；平移运动单元，用于控制五轴运动平台其中一个平移轴做单轴点位运动，其中，控制五轴运动平台的平移轴包括X轴、Y轴和Z轴；第一采点单元，用于通过相机采集控制五轴运动平台做单轴点位运动过程中的标
定板的第一空间坐标；第一拟合单元，用于当采集到的第一空间坐标达到第一预置数量后，将所有第一空间坐标拟合成空间直线；第一距离判断单元，用于判断所有第一空间坐标偏离空间直线的距离是否在第一最大偏移距离范围内，若是，则根据空间直线方程获取空间直线单位方向向量，若否，则剔除偏离距离最大的第一空间坐标，返回执行第一拟合单元；平移轴判断单元，用于判断是否已完成五轴运动平台所有平移轴的单轴点位运动，若否，则控制五轴运动平台对下一个平移轴做单轴点位运动，返回执行第一采点单元，若是，则执行正交化单元；正交化单元，用于对X轴、Y轴和Z轴的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到由正交化后的方向向量组合成的姿态关系矩阵；复位单元，用于控制五轴运动平台复位；第二采点单元，用于将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标；第二拟合单元，用于当采集到的第二空间坐标达到第二预置数量后，将所有第二空间坐标拟合成空间球面；第二距离判断单元，用于判断所有第二空间坐标偏离空间球面的距离是否在第二最大偏移距离范围内，若是，则计算空间球面的球心坐标，得到位置关系矩阵，若否，则剔除偏离距离最大的第二空间坐标，返回执行第二拟合单元；定标单元，用于根据姿态关系矩阵和位置关系矩阵，得到手眼关系矩阵。
[0012]可选地，第二采点单元具体用于：将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，判断标定板是否在相机视野范围内，若是，则偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标，若否，则控制五轴运动平台做平移运动，将标定板移动回相机视野范围内，并根据平移轴运动量和各平移轴的方向向量计算移动前标定板的第二空间坐标。
[0013]可选地，第二拟合单元具体用于：判断第二空间坐标的数量是否达到第二预置数量，若否，则返回执行第二采点单元，若是，则将所有第二空间坐标拟合成空间球面。
[0014]可选地，第一拟合单元具体用于：判断第一空间坐标的数量是否达到第一预置数量，若否，则返回执行第一采点单元，若是，则将所有第一空间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无运动学参与的手眼标定方法，其特征在于，包括：S1、基于五轴运动平台搭建眼在手外的手眼标定平台；S2、控制五轴运动平台其中一个平移轴做单轴点位运动，其中，控制五轴运动平台的平移轴包括X轴、Y轴和Z轴；S3、通过相机采集控制五轴运动平台做单轴点位运动过程中的标定板的第一空间坐标；S4、当采集到的第一空间坐标达到第一预置数量后，将所有第一空间坐标拟合成空间直线；S5、判断所有第一空间坐标偏离空间直线的距离是否在第一最大偏移距离范围内，若是，则根据空间直线方程获取空间直线单位方向向量，若否，则剔除偏离距离最大的第一空间坐标，返回步骤S4；S6、判断是否已完成五轴运动平台所有平移轴的单轴点位运动，若否，则控制五轴运动平台对下一个平移轴做单轴点位运动，返回步骤S3，若是，则执行步骤S7；S7、对X轴、Y轴和Z轴的空间直线单位方向向量进行施密特正交化，得到由正交化后的方向向量组合成的姿态关系矩阵；S8、控制五轴运动平台复位；S9、将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标；S10、当采集到的第二空间坐标达到第二预置数量后，将所有第二空间坐标拟合成空间球面；S11、判断所有第二空间坐标偏离空间球面的距离是否在第二最大偏移距离范围内，若是，则计算空间球面的球心坐标，得到位置关系矩阵，若否，则剔除偏离距离最大的第二空间坐标，返回步骤S10；S12、根据姿态关系矩阵和位置关系矩阵，得到手眼关系矩阵。2.根据权利要求1所述的无运动学参与的手眼标定方法，其特征在于，步骤S9具体包括：将五轴运动平台的A轴偏转预置角度，判断标定板是否在相机视野范围内，若是，则偏转多次五轴运动平台的C轴，记录每次偏转C轴时对应的标定板的第二空间坐标，若否，则控制五轴运动平台做平移运动，将标定板移动回相机视野范围内，并根据平移轴运动量和各平移轴的方向向量计算移动前标定板的第二空间坐标。3.根据权利要求2所述的无运动学参与的手眼标定方法，其特征在于，步骤S10具体包括：判断第二空间坐标的数量是否达到第二预置数量，若否，则返回步骤S9，若是，则将所有第二空间坐标拟合成空间球面。4.根据权利要求1所述的无运动学参与的手眼标定方法，其特征在于，步骤S4具体包括：判断第一空间坐标的数量是否达到第一预置数量，若否，则返回步骤S3，若是，则将所有第一空间坐标拟合成空间直线。5.根据权利要求1所述的无运动学参与的手眼标定方法，其特征在于，手眼关系矩阵
为：；其中，为手眼关系矩阵，为姿态关系矩阵，为位置关系矩阵。6.根据权利要求1所述的无运动学参与的手眼标定方法，其特征在于，步骤S4中，采用最小二乘法将所有第一空间坐标拟合成空间直线，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：高健，吴国庆，郑卓鋆，张揽宇，罗于恒，陈迪赛，陈新，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：