一种手眼标定的方法技术

本发明专利技术涉及一种手眼标定的方法。本方法通过拟合相交与均值计算的方法获取目标点在视觉坐标系中的坐标值，利用旋转矩阵特性求得末端视觉坐标系同工具坐标系的转换矩阵，完成视觉

【技术实现步骤摘要】
一种手眼标定的方法


[0001]本专利技术属于工业机器人视觉
，尤其涉及一种手眼标定的方法。

技术介绍

[0002]在工业机器人视觉领域中，手眼标定的主要目的是获取相机到机器人末端的转换关系，根据这种转换关系将空间中点的坐标转换到机器人基坐标系下，这样才能更好地控制机器人的手臂去完成相应的任务，因此手眼标定的研究对于工业机器人视觉有着重大的意义。
[0003]飞机装配中，蒙皮对缝间隙要求一般小于0.8mm，随着第五代飞机对隐身性能的追求，对缝间隙要求也相应提高到0.3mm，甚至更高。
[0004]机器人智能修边系统的机械臂末端将搭载视觉测量模块和铣削加工模块，其中视觉测量模块的3D线激光扫描仪将实时采集视野范围内的对象，形成其视觉测量坐标系下的点云，而在实际加工过程中，系统将控制铣削加工模块中的加工刀具进行目标路径运行。因此，系统需要标定视觉测量坐标系同设置于加工刀具的机器人工具坐标系之间的转换关系。根据“手在眼上”标定方法以及3D线激光扫描仪的成像特点，系统阶梯标定板、激光跟踪仪等设备辅助完成系统手眼转换矩阵的标定。为方便视觉设备采集信息的进一步处理，需要将其进行坐标系的统一，其间较为关键的环节即是确定末端视觉测量设备的测量矩阵同机器人工具坐标系位姿矩阵之间的转换关系，该过程称为手眼标定。但是，目前机器人加工系统中使用的手眼标定方法准确性和稳定性并不尽如人意，开发具有更高准确性和稳定性的手眼标定方法是技术人员需要面对的重要课题。

技术实现思路

[0005]为了克服现有手眼标定方法准确性低、稳定性差的缺陷，本专利技术提出了一种新的手眼标定方法。
[0006]整体而言，本专利技术方法通过拟合相交与均值计算的方法获取目标点在视觉坐标系中的坐标值，利用旋转矩阵特性求得末端视觉坐标系同工具坐标系的转换矩阵，完成视觉
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加工模块坐标系标定。
[0007]另外，本专利技术方法中改进了标定件结构设计，采集对象分为以垂直引导线和水平引导线同阶梯状凸台相交所确定的角点，由于两类引导线分别设置于角点两侧，因此，共形成了16个测量位置。可见，本专利技术中阶梯状设计的标定件丰富了所采数据的维度，而且以引导线的方式辅助人工标定过程，显著提升了系统的稳定性，进而优化了整体的测量效果，提高了测量精度，且基于点云的视觉坐标系下的目标点拾取同样具有较高的一致性和可靠性。
[0008]具体地，本专利技术提供了一种手眼标定的方法，本方法包括：
[0009]S1.由机器人工具坐标系{T}标定机器人基坐标系{B}，获得基坐标系{B}同工具坐标系{T}之间的转换关系
[0010]S2.以标定点P作为目标点，由外部测量坐标系{W}标定机器人基坐标系{B}形成并得到目标点在基坐标系{B}中的表达
B
P；
[0011]S3.由末端视觉测量设备获取同一目标点在末端视觉坐标系{S}中的表达
S
P；
[0012]S4.将手眼标定目标矩阵作为未知变量形成闭环尺寸链传递形式；
[0013]S5.构建数学方程，进行相关求解，完成末端视觉坐标系{S}与工具坐标系{T}的标定。
[0014]优选地，根据本专利技术的一些实施例，本专利技术手眼标定的方法步骤S2中所述外部测量坐标系{W}为激光跟踪仪，所述激光跟踪仪用于提供高精度的外部测量结果作为手眼标定过程中目标点的标准值。
[0015]优选地，根据本专利技术的一些实施例，本专利技术手眼标定的方法步骤S3中所述末端视觉测量设备为线激光扫描仪。
[0016]进一步地，根据本专利技术的一些实施例，本专利技术手眼标定的方法通过拟合相交与均值计算的方法获取目标点在末端视觉坐标系中的坐标值，利用旋转矩阵特性求得末端视觉坐标系同工具坐标系的转换矩阵，进而完成末端视觉坐标系{S}与工具坐标系{T}的标定。
[0017]进一步地，根据本专利技术的一些实施例，本专利技术手眼标定的方法中采用激光跟踪仪作为外部测量坐标系，利用其对基坐标系、外部标定物坐标系进行联合标定，形成转换矩阵使目标点和机械臂末端TCP能够通过激光跟踪仪进行高精度的测量，并以测量值代替实际值；进而再调整机械臂末端位姿使线激光扫描仪能够实现对标准刻度线标记目标点的测量，采集阶梯点云，通过拟合相交与均值计算的方法获取目标点在末端视觉坐标系中的坐标值。
[0018]进一步地，根据本专利技术的一些实施例，本专利技术手眼标定的方法步骤S2中所述标定点P取自外部标定物，所述外部标定物为阶梯状凸台结构，所述标定点P选自标准刻度线同台阶的交点。
[0019]进一步地，根据本专利技术的一些实施例，上述手眼标定的方法为保证方程的有解性和准确性，利用单侧阶梯状凸台结构和标准刻度线进行目标点采集，按照实际加工需求从外部标定物上采集多个不同位姿的点位信息；在采集过程中，激光跟踪仪依靠靶球进行采集，线激光扫描仪则通过机器人运动，依靠自动或手动调节至合适位置采集目标点信息。
[0020]进一步地，根据本专利技术的一些实施例，上述手眼标定的方法中标定点P的采集对象为垂直引导线和水平引导线同阶梯状凸台相交所确定的角点，两类引导线分别设置于角点两侧，共形成了16个测量位置。
[0021]进一步地，本专利技术手眼标定的方法中规定手眼标定的数据采集过程与最终的实际加工过程机械臂末端姿态保持一致，以提高手眼标定结果在实际加工过程中的准确性。
[0022]进一步地，本专利技术手眼标定的方法中包含如下计算过程：
[0023]通过激光跟踪仪，得到外部测量坐标系{W}下的目标点P的位置：
[0024]W
P＝(x
B
，y
B
，z
B
，1)
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0025]通过激光跟踪仪与机械臂联合标定出外部测量坐标系同机器人基坐标系之间的转换矩阵
[0026]在线激光扫描仪的末端视觉坐标系中，同一目标点的位置表示为：
[0027]S
P＝(x
S
，0，z
S
，1)
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0028]结合从机器人直接获取的工具坐标系同机器人基坐标系之间的转换关系可知，目标点P的矩阵变换关系如下：
[0029][0030]其中，根据机器人工具坐标系所处位姿x，y，z，α，β，γ计算获得：
[0031][0032]将式(3)变换可知：
[0033][0034]若令记
T
P＝(x
T
，y
T
，z
T
，1)
T
，将式(4)展开得：
[0035][0036][0037]采集多组目标点数据后可得矩阵：
[0038][0039]最后，利用数值拟合方法与旋转矩阵特性求得该末端视觉坐标系同工具坐标系的转换矩阵完成末端视觉坐标系{S}与工具坐标系{T}的标定；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种手眼标定的方法，其特征在于，所述方法包括：S1.由机器人工具坐标系{T}标定机器人基坐标系{B}，获得基坐标系{B}同工具坐标系{T}之间的转换关系S2.以标定点P作为目标点，由外部测量坐标系{W}标定机器人基坐标系{B}形成并得到目标点在基坐标系{B}中的表达
B
P；S3.由末端视觉测量设备获取同一目标点在末端视觉坐标系{S}中的表达
S
P；S4.将手眼标定目标矩阵作为未知变量形成闭环尺寸链传递形式；S5.构建数学方程，进行相关求解，完成末端视觉坐标系{S}与工具坐标系{T}的标定。2.根据权利要求1所述的手眼标定的方法，其特征在于，步骤S2中所述外部测量坐标系{W}为激光跟踪仪，所述激光跟踪仪用于提供高精度的外部测量结果作为手眼标定过程中目标点的标准值。3.根据权利要求1所述的手眼标定的方法，其特征在于，步骤S3中所述末端视觉测量设备为线激光扫描仪。4.根据权利要求1所述的手眼标定的方法，其特征在于，所述方法通过拟合相交与均值计算的方法获取目标点在末端视觉坐标系中的坐标值，利用旋转矩阵特性求得末端视觉坐标系同工具坐标系的转换矩阵，进而完成末端视觉坐标系{S}与工具坐标系{T}的标定。5.根据权利要求1所述的手眼标定的方法，其特征在于，所述方法中采用激光跟踪仪作为外部测量坐标系，利用其对基坐标系、外部标定物坐标系进行联合标定，形成转换矩阵使目标点和机械臂末端TCP能够通过激光跟踪仪进行高精度的测量，并以测量值代替实际值；进而再调整机械臂末端位姿使线激光扫描仪能够实现对标准刻度线标记目标点的测量，采集阶梯点云，通过拟合相交与均值计算的方法获取目标点在末端视觉坐标系中的坐标值。6.根据权利要求1所述的手眼标定的方法，其特征在于，步骤S2中所述标定点P取自外部标定物，所述外部标定物为阶梯状凸台结构，所述标定点P选自标准刻度线同台阶的交点。7.根据权利要求6所述的手眼标定的方法，其特征在于，所述方法为保证方程的有解性和准确性，利用单侧阶梯状凸台结构和标准刻度线进行目标点采集，按照实际加工需求从外部标定物上采集多个不同位姿的点位信息；在采集过程中，激光跟踪仪依靠靶球进行采集，线激光扫描仪则...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴楠，王偲佳，李现华，刘宁，叶玉玲，
申请(专利权)人：北京神工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：