本发明专利技术涉及基于视觉运动捕捉的机械臂关节的标定和转动角度计算的方法。本发明专利技术是一种基于视觉运动捕捉的机械臂标定和跟踪系统，所述的系统包括光学被动式运动捕捉系统，计算机主控设备和视觉软件和外接显示屏，包括如下组成模块：运动捕捉数据采集和处理模块；机械臂关节标定模块；关节角度计算模块；基于OpenGL的三维虚拟场景重现模块。本发明专利技术是一种非常实用有效的机器臂关节标定及角度计算的解决方案，具有很好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及基于视觉运动捕捉的机械臂关节的标定和转动角度计算的方法。
技术介绍
机械臂在エ业生产、军事、航天、机器人等领域都有广泛的应用，机械臂运动的精度直接影响其性能。对机械臂进行反馈控制需要获取各关节的状态，包括当前关节的绝对角度位置及电机相对于初始状态运动的相对角度，采用传统的接触式检测元件(如电位计、霍尔等)虽然可以获得精确的数值，但是需要 对机械臂进行改造，可能会影响其运动性能。因此采用非接触式的基于高精度高速率的视觉捕捉系统来获取机械臂和关节状态是理想的解决方案。基于视觉的运动捕捉技术的出现可以追溯到20世纪70年代，迪士尼公司尝试通过捕捉演员的动作来使动画效果更加逼真。近年来，运动捕捉技术迅速发展，在影视动画制作、虚拟现实、3D视频游戏、运动仿真等领域均有大量运用。但目前对于运动捕捉的应用更多的强调动作的形似，对于各个关节运动的跟踪精度要求并不严苛。而且需要强调的是，目前基于视觉的运动捕捉都是对目标物体的绝对姿态进行还原(如机械臂当前各个关节的角度)，无法对目标各部分的相对运动(如机械臂各个关节相对于初始状态运动了多少角度)进行还原，而且由于目标的初始状态由于误差或者人为影响会有偏差，导致相对运动的还原更加困难。基于此，本专利技术提出了ー种高精度基于高速视觉的机械臂运动捕捉系统和实现方法，通过捕捉机械臂上的标志点空间位置，并引入标定环节，不仅可获得机械臂各关节世界坐标系的位置、绝对角度，还可获得高精度的各关节相对于初始位置的相对运动角度，从而对关节电机运动进行跟踪反馈和性能评估，具有广泛的应用前景。
技术实现思路
本专利技术提出了一种可以实时获取机械臂各关节在世界坐标系下位置的方法，同时能计算各关节的转角大小。本专利技术的具体技术方案如下 本专利技术是ー种基于视觉运动捕捉的机械臂标定和跟踪系统，所述的系统包括光学被动式运动捕捉系统，计算机主控设备和视觉软件和外接显示屏，包括如下组成模块 a)运动捕捉数据采集和处理模块； b)机械臂关节标定模块； c)关节角度计算模块； d)基于OpenGL的三维虚拟场景重现模块。本专利技术是ー种基于视觉运动捕捉的机械臂标定和跟踪系统的实现方法， (I)、所述的运动捕捉数据采集和处理模块在机械臂上设置标记点，利用视觉运动捕捉系统提供的API函数接ロ获取标记点的空间坐标，计算得到机械臂各个刚性部件的空间位置，数据获取帧率为200帧每秒； (2)、所述的机械臂关节标定模块机械臂在长时间运行过程中各关节零位会发生偏移从而引入误差，在毎次机械臂基座发生移动时，本模块结合机械臂关节的驱动命令与实时捕获的机械臂关节的位置，通过计算，将机械臂关节的局部坐标系与世界坐标系标定关联起来； (3)、所述的关节角度计算和数据保存模块通过外部视觉观测推导得到机械臂关节旋转角度的方法，机械臂关节的旋转角度以当前初始位置为零位，与电机驱动一致，数据以文本格式保存为csv类型文件，数据的计算和保存帧率为200帧每秒； (4)、所述的基于OpenGL的三维虚拟场景重现模块根据上层实时处理结果或离线读取数据保存文件，在三维虚拟场景中实时显示或者记录回放机械臂运动，可根据用户需求切換任意视角，并输出到显示屏幕上。本专利技术所述的结合机械臂关节的电机驱动命令与观测到的标记点信息对机械臂关节进行标定所采用的方法如下 (1)、记录初始状态下机械臂单个关节上的标记点； (2)、给关节上电机ー组随机的转动命令,并让机械臂在目标位置保持不动，记录该组命令值，计算给定命令对应的仿射变换矩阵； (3)、记录该位置下机械臂关节的标记点，计算视觉捕捉系统得到的从初始状态到该位置的仿射变换矩阵； (4)、重复步骤(2)(3)得到若干组仿射变换矩阵； (5)、通过这若干组仿射变换矩阵计算得到初始状态下机械臂关节的位置； (6)、根据该关节的初始状态计算标定数据，对机械臂的其他关节重复步骤(1广(5)得到各个关节的标定数据，最后将所有关节的标定数据保存为标定文档。本专利技术所述的结合标定文档与实时观测到的标记点信息，计算机械臂关节的电机转角大小采用如下方法 (1)、从标定文档中得到标定数据； (2)、记录初始状态下机械臂关节的标记点； (3)、确定初始状态下机械臂关节的位置； (4)、机械臂作业时，实时捕获机械臂关节的标记点； (5)、解算在世界坐标系下机械臂各关节的位置，计算电机的旋转角度。本专利技术所述的三维虚拟场景显示重现采用如下方法 (1)、三维虚拟场景显示模块通过OpenGL实现，可以在线设定虚拟场景内物体的绘制參数； (2)、将机械臂作业的实时数据或者历史记录数据传入三维虚拟场景显示模块，可以直观地三维显示实时机械臂状态，并可根据用户需要任意切换视角，输出到显示屏幕中。本系统最大的特点是从外部实时获得机械臂作业时的重要參数，为机械臂的动作设计和执行评估提供条件，可以很容易地推广到其它运动项目及民用、军エ等类似场景中。本专利技术具如下有益效果 I)实现机械臂关节的精确标定，并能实时计算出关节各电机中的转角大小。2)本专利技术中的方法和系统可为机械臂的动作设计和动作执行评估提供基本且重要的数据支持。因此，本专利技术是ー种非常实用有效的机器臂关节标定及角度计算的解决方案，具有很好的应用前景。附图说明图I系统硬件结构框图 图2系统的运行流程图 图3标志点粘贴示例图 图4标记点按模版分类图 图5机械臂局部坐标系 图6程序运行界面——机械臂关节标定 图7程序运行界面——虚拟3维场景显示具体实施例方式下面结合附图，详细描述本专利技术利用视觉运动捕捉系统进行机器臂关节标定和关节角解算的方法与系统的实施方式。在该实例中，本系统能对机械臂关节进行标定(给出关节的初始位置)，实时地获得关节中各电机的转角，并进行三维虚拟空间的场景重现。图I给出了系统的硬件结构框图，整个系统由8个以上摄像机I、图像数据采集卡2、主控计算机3和视觉软件4、以及外接显示屏5构成。摄像机以机械臂为中心、半径3、米呈环形均匀分布，离地面高度为cTl. 5米，视野交叉覆盖机械臂运动的有效区域；摄像机通过数据线与图像数据采集卡相连；图像数据采集卡通过主控机的PCI总线将采集到的数据传送到主控机标定程序中进行处理；处理结果输出到主控机的外接显示屏上进行显示。图2是系统的运行流程图，视觉运动捕捉系统的硬件平台搭建完成后，首先要标定系统的世界坐标系，然后为机械臂建立刚性模版模型。刚性模版即在机械臂运动的过程中几乎不发生形变的模块，如上、下机械臂等。模版上的标记点应不小于3个，标记点之间的距离应尽可能大，不同模版上的标记点的分布应不同，图3为机械臂上的标记点。系统运行时，摄像机I采集图像后经图像数据采集卡2传输到主控计算机3，标定软件利用视觉捕捉系统提供的API函数提取标记点数据，并结合机械臂的刚性模版文件将标记点按刚性模板归类，见图4。利用视觉捕捉系统的配套软件可以以CSV文件格式记录捕捉数据，包含时间戳、标记点位置、模版跟踪情况等相关信息。读取关节的离线标定文件，在机械臂第一次作业前根据当前的标记点信息生成各个关节的初始位置矩阵。在正式作业时，根据当前标记点信息和关节的初始位置矩阵，计算各关节中电机的转角大小。最后将得到的关节角信息、模版的标本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于视觉运动捕捉的机械臂标定和跟踪系统，其特征在于，所述的系统包括光学被动式运动捕捉系统，计算机主控设备和视觉软件和外接显示屏，包括如下组成模块：？？？？a)？运动捕捉数据采集和处理模块；？？？？b）机械臂关节标定模块；？？？？c）关节角度计算模块；？？？？d)？基于OpenGL的三维虚拟场景重现模块。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰华，章逸丰，熊蓉，褚健，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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