机器人手眼系统结构光平面参数标定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种机器人手眼系统结构光平面参数标定装置及方法，该装置将摄像机与激光器安装在机器人末端构成机器人手眼系统，在获知摄像机内参数的前提下，通过对激光器投射出的结构光平面参数标定，可实现结构光三维视觉测量。本发明专利技术还公开了一种机器人手眼系统结构光平面参数标定方法，在标定区域内放置一块平面棋盘格靶标，激光投射到靶标上形成第一线结构光条纹；通过控制机器人有约束地运动，使激光投射到靶标的另一位置处形成第二线结构光条纹；摄像机分别采集两个标定位置处的两条结构光条纹图像，并计算两个标定位置处摄像机坐标系下条纹直线上点的三维坐标所满足的关系，实现以结构光条纹直线作为标定基元的结构光平面参数标定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人结构光视觉测量领域，尤其是机器人手眼系统中一种基于直线基元的结构光平面参数标定装置及方法。
技术介绍
结构光视觉因其测量精度高、抗干扰能力强等优点，被认为是一种有发展前途的视觉测量方式。对空间景物点的三维位置进行测量，是结构光视觉系统的主要任务。以线结构光视觉系统为例，其在三维视觉测量中有两种配置形式一种利用两台或多台摄像机采集结构光条纹图像，通过双目视觉匹配计算景物点的三维位置，此种配置方式无需标定结构光参数；另一种利用一台摄像机和一台激光器实现景物点三维信息的测量。与前者相t匕，单目结构光视觉测量方式成本较低，占用空间小且易于安装。然而单目视觉测量缺失景深信息，因此需要附加其它约束条件，在单目摄像机构成的结构光视觉系统中，这一约束条 件即为结构光平面方程，求取平面方程参数的过程即为结构光参数标定，结构光参数的标定精度直接影响到空间景物点的测量精度。对线状结构光的标定方法中，根据所用靶标不同分为两类一类是利用特定靶标，另一类是利用普通靶标。但无论采用何种方式，一般来说，结构光平面的标定大都是通过选取结构光平面与靶标相交的特征点作为标定基元，利用最小二乘拟合确定结构光平面的参数。如清华大学的徐光佑等人在文章“一种新的基于结构光的三维视觉系统标定方法.计算机学报，1995，18 (6) :450-456”中提出了一种利用交比不变性原理获取标定点的方法，通过制作特定靶标，得到至少三个坐标精确的共线点，利用交比不变性来获得结构光条纹与已知三点所在直线交点的坐标，从而获得光平面上的标定点。北京航空航天大学的周富强等人在文章 “Constructing featurepoints for calibrating a structuredlight vision sensor by viewing a plane fromunknown orientations. Optics andLasers in Engineering,2005,43 (10) :1056_1070· ” 和文章“Complete calibrationof a structured light stripe visionsensor through planar target of unknownorientations. Image and VisionComputing, 2005, 23 (I) :59_67. ”中提出了基于双重交比不变性的结构光标定点的获取方法，利用自由移动的平面棋盘格靶标，获取光平面上足够多的标定点。上述两种方法均通过选取条纹上的特征点实现结构光参数的标定，其具有以下几点局限性首先，提取标定特征点的方法仅能获取数量有限的标定特征点；第二，由于激光条纹存在一定宽度，在图像处理阶段，通过提取特征点的方法容易带来测量误差，无法较好地保证特征点的共面性，从而影响了光平面的标定精度；第三，对于自由移动平面靶标的标定方法，需要由人员移动靶标来获取特征点，且每一次移动靶标还需人工通断激光器的电源，操作过程比较繁琐。近年来，对结构光标定的研究中，与机器人运动相结合的结构光标定问题已成为研究热点，如中科院自动化研究所徐德等人在文章“基于运动的手眼系统结构光参数标定[J]·仪器仪表学报，2005, 26 (11) :1101-1105. ”中提出了一种机器人手眼系统中线结构光的标定方法，通过调整机器人末端位姿，控制摄像机在不同姿态时采集结构光条纹上的两个特征点，该标定方法仍然采用点基元实现结构光平面标定，且需要人员手动测量两个特征点间激光束的长度。
技术实现思路
本专利技术公开了一种机器人手眼系统中的结构光平面参数标定装置及方法，该装置将摄像机与激光器安装在机器人末端构成机器人手眼系统，在获知摄像机内参数的前提下，通过对激光器投射出的结构光平面参数标定，实现结构光三维视觉测量。该方法以机器人手眼系统为硬件平台；在标定区域内放置一块平面棋盘格靶标，激光投射到靶标上形成第一线结构光条纹；通过控制机器人有约束地运动，使激光投射到靶标的另一位置处形成第二线结构光条纹，摄像机分别采集两个标定位置处的两条结构光条纹图像，并计算两个标定位置处摄像机坐标系下条纹直线上点的三维坐标所满足的关系，实现以结构光条纹直线作为标定基元的结构光平面参数标定。根据本专利技术的一方面，本专利技术提出了一种机器人手眼系统结构光平面参数标定装 置，其特征在于，该装置包括机器人、摄像机、激光器和平面棋盘格靶标，其中所述摄像机与所述激光器固定在所述机器人的末端，构成机器人结构光视觉传感系统；所述平面棋盘格靶标置于所述摄像机和所述激光器下方的标定区域内；通过调整所述机器人末端的位姿，使得所述激光器投射出一束激光平面到所述平面棋盘格靶标上形成线结构光条纹，然后由所述摄像机采集得到所述线结构光条纹的图像。根据本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种使用所述标定装置对机器人手眼系统结构光平面参数进行标定的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤步骤1，调整机器人末端的位置和姿态，使得激光器投射出的激光能够投射到平面棋盘格靶标上形成线结构光条纹，且摄像机能够采集到线结构光条纹图像；步骤2，在第一标定位置，即当前标定位置处采集并保存所述线结构光条纹图像，提取图像中线结构光条纹所在的直线，并求取图像坐标系下第一线结构光条纹直线上点的坐标所满足的关系；步骤3，求取所述第一标定位置处第一摄像机坐标系下，所述第一线结构光条纹直线对应的射影平面上点的三维坐标所满足的关系；步骤4，求取所述第一标定位置处所述第一摄像机坐标系下，平面棋盘格靶标所在平面上点的三维坐标所满足的关系；步骤5，在所述第一标定位置处所述第一摄像机坐标系下，基于所述步骤3得到的所述线结构光条纹直线对应的射影平面上点的三维坐标所满足的关系和所述步骤4得到的平面棋盘格靶标所在平面上点的三维坐标所满足的关系，得到所述第一线结构光条纹直线上点的三维坐标所满足的关系；步骤6，控制机器人绕其腕部坐标系的X轴或y轴旋转一角度，使得固定于机器人末端的摄像机与位置固定的平面棋盘格靶标之间的相对位置和姿态发生改变，得到第二标定位置，同时使得激光器在第二标定位置处投射出一束激光到平面棋盘格靶标上形成第二线结构光条纹，且摄像机能够采集到第二线结构光条纹图像；步骤7，与所述步骤2-5类似，通过求取第二标定位置处图像坐标系下第二线结构光条纹直线上点的坐标所满足的关系，第二标定位置处第二摄像机坐标系下所述第二线结构光条纹直线对应的射影平面上点的三维坐标所满足的关系，以及平面棋盘格靶标所在平面上点的三维坐标所满足的关系，得到第二标定位置处第二摄像机坐标系下所述第二线结构光条纹直线上点的三维坐标所满足的关系；步骤8，在第一摄像机坐标系下，基于所述步骤5和步骤7得到的两条线结构光条纹直线上点的三维坐标所满足的关系，得到结构光平面上点的三维坐标所满足的关系，从而实现基于直线基元的结构光平面参数标定。本专利技术的优点是以结构光条纹直线作为基元进行标定，克服了传统利用点基元标定的方法中，由于特征点少、且无法精确保证特征点共面性而影响结构光平面标定精度的问题；标定过程不需要高成本的辅助调整设备；只需控制机器人做一次旋转运动，而不需标定人员多次移动靶标，可以提高标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机器人手眼系统结构光平面参数标定装置，其特征在于，该装置包括：机器人、摄像机、激光器和平面棋盘格靶标，其中：所述摄像机与所述激光器固定在所述机器人的末端，构成机器人结构光视觉传感系统；所述平面棋盘格靶标置于所述摄像机和所述激光器下方的标定区域内；通过调整所述机器人末端的位姿，使得所述激光器投射出一束激光平面到所述平面棋盘格靶标上形成线结构光条纹，然后由所述摄像机采集得到所述线结构光条纹的图像。

【技术特征摘要】
1.一种机器人手眼系统结构光平面参数标定装置，其特征在于，该装置包括机器人、摄像机、激光器和平面棋盘格靶标，其中 所述摄像机与所述激光器固定在所述机器人的末端，构成机器人结构光视觉传感系统； 所述平面棋盘格靶标置于所述摄像机和所述激光器下方的标定区域内； 通过调整所述机器人末端的位姿，使得所述激光器投射出一束激光平面到所述平面棋盘格靶标上形成线结构光条纹，然后由所述摄像机采集得到所述线结构光条纹的图像。2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述机器人为六自由度工业机器人。3.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述摄像机为CCD摄像机。4.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述激光器为红光半导体线激光器。5.一种使用权利要求I所述的标定装置对机器人手眼系统结构光平面参数进行标定的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 步骤I，调整机器人末端的位置和姿态，使得激光器投射出的激光能够投射到平面棋盘格靶标上形成线结构光条纹，且摄像机能够采集到线结构光条纹图像； 步骤2，在第一标定位置，即当前标定位置处采集并保存所述线结构光条纹图像，提取图像中线结构光条纹所在的直线，并求取图像坐标系下第一线结构光条纹直线上点的坐标所满足的关系； 步骤3，求取所述第一标定位置处第一摄像机坐标系下，所述第一线结构光条纹直线对应的射影平面上点的三维坐标所满足的关系； 步骤4，求取所述第一标定位置处所述第一摄像机坐标系下，平面棋盘格靶标所在平面上点的三维坐标所满足的关系； 步骤5，在所述第一标定位置处所述第一摄像机坐标系下，基于所述步骤3得到的所述线结构光条纹直线对应的射影平面上点的三维坐标所满足的关系和所述步骤4得到的平面棋盘格靶标所在平面上点的三维坐标所满足的关系，得到所述第一线结构光条纹直线上点的三维坐标所满足的关系； 步骤6，控制机器人绕其腕部坐标系的X轴或y轴旋转一角度，使得固定于机器人末端的摄像机与位置固定的平面棋盘格靶标之间的相对位置和姿态发生改变，得到第二标定位置，同时使得激光器在第二标定位置处投射出一束激光到平面棋盘格靶标上形成第二线结构光条纹，且摄像机能够采集到第二线结构光条纹图像； 步骤7，与所述步骤2-5类似，通过求取第二标定位置处图像坐标系下第二线结构光条纹直线上点的坐标所满足的关系，第二标定位置处第二摄像机坐标系下所述第二线结构光条...

【专利技术属性】
技术研发人员：景奉水，戚玉涵，谭民，曾隽芳，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，北京三博中自科技有限公司，
类型：发明
国别省市：