一种全自动机器人手眼标定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种全自动机器人手眼标定方法，采使用激光测距传感器，通过串口服务器将高度信息传送给标定系统；随机生成十个标定点拍照并记录标定点数据，机器人根据随机生成的标定点运动

【技术实现步骤摘要】
一种全自动机器人手眼标定方法及系统


[0001]本专利技术属于自动化机器人领域
，涉及一种全自动机器人手眼标定方法及系统
。

技术介绍

[0002]工业领域的自动化实现往往依赖于预编程的机械臂来完成重复机械化的劳动任务
。
但是随着场景的复杂度提高，预编程设定机械臂工作的模式越来越难以覆盖所有作业的场景，工业上逐渐出现了采用相机拍摄，图像处理的方式引导机械臂去完成各种非结构化场景的任务，进一步实现
24
小时工业自动化的需求
。
而机
+
机械臂的应用组合，我们称之为手眼系统
。
如同人的眼睛和手，眼睛看到东西后，让手能够准确的移动到物体的位置并抓取
。
相机所能看到的图像是
2D
屏幕，而手的移动是在
3D
空间中，因此手眼系统的功能就是能够将相机所拍摄到的
2D
画面，转换为手所在的
3D
空间的坐标
。
为了使得相机亦即机器人的眼，与机器人亦即机器人的手，坐标系之间建立关系就必须要对机器人与相机坐标系进行标定，该标定过程也就叫做手眼标定
。
[0003]传统依赖手工调节标定板以及机械臂的位姿，有很大的不确定性，可能会产生较大的标定误差
。
因此，亟需一种自动化的手眼标定系统，通过走固定程序的标定方法，保证标定误差在一定的范围之内
。

技术实现思路

[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0005]本专利技术提供一种全自动机器人手眼标定方法，包括，步骤如下：
[0006]模式选择：系统在启动后可选择标定模式，分为
Eye
‑
In
‑
Hand
模式和
Eye
‑
To
‑
Hand
模式；
[0007]放置标定板：
Eye
‑
In
‑
Hand
模式，需将标定板放在机器人视野内；
Eye
‑
To
‑
Hand
模式，需要将标定板安装到机械臂末端；保证标定板在相机视野内，输入标定板的信息，所述标定板的信息包括标定板的规格和尺寸；
[0008]记录相机坐标系下标定点数据：利用手动调节相机使标定板处于相机视野中心，记录当前位置为标定的起始位置并记录当前位置距离标定板的垂直距离，即工作距离
H
；使用激光测距传感器，通过串口服务器将高度信息传送给标定系统；随机生成十个标定点拍照并记录标定点数据，所述标定点为机械臂末端姿态拍照点，所述标定点数据包括图像和机械臂位姿信息；
[0009]判断是否有足够标定点数据：判断图像中标定板是否完整；
[0010]若图像完整，记录当前标定点数据，机器人按照随机生成的标定点顺序移动拍照采集图像；
[0011]若图像不完整，机器人不记录当前图像和机械臂位姿信息，重复步骤记录标定点数据，直到获取足够数量的标定点数据；
[0012]标定：利用张正友标定法计算不同图像中相机与标定板的外参，通过标定板的信息和标定点数据中图像上标定板角点的位置转换，得到相机坐标系转换为机器人的坐标系的坐标变换矩阵；
[0013]计算标定点的位置坐标：在
Eye
‑
In
‑
Hand
和
Eye
‑
To
‑
Hand
两种方式下，初始角度设置为
θ
，通过工作距离
H
来确定参数
ψ
的取值范围，根据平面半径公式计算出标定板到相机的距离；再根据球面的参数方程计算标定点的位置坐标；机器人按照计算出的标定点的位置坐标运动并拍照，确定标定板是否在视野内，若在保留图像；
[0014]完成标定流程，保存标定点数据
。
[0015]进一步地，在所述记录相机坐标系下标定点数据步骤中，记录相机坐标系下标定点的位置坐标：通过已知的工作距离
H
，在世界坐标系中，以标定板所在世界坐标系中的位置为原点，作一个半径为
H
的球面，标定所需要的相机拍照点位于球面上，球面的参数方程为：
X
＝
rsin
θ
cos
ψ
，
y
＝
rsin
θ
sin
ψ
，
z
＝
rcos
θ
，限定其中
θ
与
ψ
随工作距离
H
的变化而变化，
[0016][0017]其中：
θ
*
与
ψ
*
是随当前工作距离
H
*
变化的；
θ0是起始的默认角度值；
H0是起始高度值，
θ
取值范围为
(0
，2π
)
，
ψ
设定范围为
15
°
到
30
°
任一值
。
[0018]进一步地，在所述记录相机坐标系下标定点数据步骤中，随机生成标定点并记录坐标数据为：在
θ
与
ψ
的限定范围内根据高斯分布随机生成标定点
。
[0019]进一步地，在所述记录相机坐标系下标定点数据步骤中，随机生成标定点并记录坐标数据为：
θ
取0π
、2/9
π
、4/9
π
、6/9
π
、8/9
π
、10/9
π
、12/9
π
、14/9
π
、16/9
π
和2π
，
ψ
取
15
°
到
30
°
的任一值
。
[0020]进一步地，所述坐标变换矩阵为：在
Eye
‑
In
‑
Hand
中，相机坐标系转换为机器人坐标系的坐标变换矩阵公式为：
[0021]Base
T
End2
×
End2
T
Camera2
×
Camera2
T
object
＝
Base
T
End1
×
End1
T
Camera1
×
Camera1
T
end2
；
[0022]在
Eye
‑
To
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种全自动机器人手眼标定方法，其特征在于，包括，步骤如下：模式选择：系统在启动后可选择标定模式，分为
Eye
‑
In
‑
Hand
模式和
Eye
‑
To
‑
Hand
模式；放置标定板：
Eye
‑
In
‑
Hand
模式，需将标定板放在机器人视野内；
Eye
‑
To
‑
Hand
模式，需要将标定板安装到机械臂末端；保证标定板在相机视野内；输入标定板的信息，所述标定板的信息包括标定板的规格和尺寸；记录相机坐标系下标定点数据：利用手动调节相机使标定板处于相机视野中心，记录当前位置为标定的起始位置并记录当前位置距离标定板的垂直距离，即工作距离
H
；使用激光测距传感器，通过串口服务器将高度信息传送给标定系统；随机生成十个标定点拍照并记录标定点数据，所述标定点为机械臂末端姿态拍照点，所述标定点数据包括图像和机械臂位姿信息；判断是否有足够标定点数据：判断图像中标定板是否完整；若图像完整，记录当前标定点数据，机器人按照随机生成的标定点顺序移动拍照采集图像；若图像不完整，机器人不记录当前图像和机械臂位姿信息，重复步骤记录标定点数据，直到获取足够数量的标定点数据；标定：利用张正友标定法计算不同图像中相机与标定板的外参，通过标定板的信息和标定点数据中图像上标定板角点的位置转换，得到相机坐标系转换为机器人的坐标系的坐标变换矩阵；计算标定点的位置坐标：在
Eye
‑
In
‑
Hand
和
Eye
‑
To
‑
Hand
两种方式下，初始角度设置为
θ
，通过工作距离
H
来确定参数
ψ
的取值范围，根据平面半径公式计算出标定板到相机的距离；再根据球面的参数方程计算标定点的位置坐标；机器人按照计算出的标定点的位置坐标运动并拍照，确定标定板是否在视野内，若在保留图像；完成标定流程，保存标定点数据
。2.
根据权利要求1所述的全自动机器人手眼标定方法，其特征在于，在所述记录相机坐标系下标定点数据步骤中，记录相机坐标系下标定点的位置坐标：通过已知的工作距离
H
，在世界坐标系中，以标定板所在世界坐标系中的位置为原点，作一个半径为
H
的球面，标定所需要的相机拍照点位于球面上，球面的参数方程为：
X
＝
rsin
θ
cos
ψ
，
y
＝
rsin
θ
sin
ψ
，
z
＝
rcos
θ
，限定其中
θ
与
ψ
随工作距离
H
的变化而变化，其中：
θ
*
与
ψ
*
是随当前工作距离
H
*
变化的；
θ0是起始的默认角度值；
H0是起始高度值，
θ
取值范围为
(0
，2π
)
，
ψ
设定范围为
15
°
到
30
°
任一值
。3.
根据权利要求2所述的全自动机器人手眼标定方法，其特征在于，在所述记录相机坐标系下标定点数据步骤中，随机生成标定点并记录坐标数据为：在
θ
与
ψ
的限定范围内根据高斯分布随机生成标定点
。4.
根据权利要求2所述的全自动机器人手眼标定方法，其特征在于，在所述记录相机...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭坤旺，吴祖迥，贾春英，
申请(专利权)人：广州市斯睿特智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：