CN102294695A - 机器人标定方法及标定*** - Google Patents

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张都学
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Abstract

一种机器人标定方法，其包括步骤：提供一个独立于机器人本体的摄像机及一个平面标定板，用所述摄像机拍摄平面标定板的图像，标定并存储摄像机的内参数和外参数，计算成像坐标系与标定板坐标系之间的转换关系；在平面标定板上设定三个特征角点，在机器人本体上固定安装标定工具，机器人本体带动该标定工具从一个特征角点平移至另外两个特征角点，存储标定工具在机器人基坐标系中的运动轨迹，根据该三个特征角点的位置关系以及该标定工具的运动轨迹，计算机器人基坐标系与标定板坐标系之间的转换关系；计算成像坐标系与机器人基坐标系之间的转换关系。上述机器人标定方法具有简便快捷的优点。本发明还提供一种应用上述标定方法的机器人标定***。

Description

机器人标定方法及标定***
技术领域
本发明涉及一种机器人标定方法及应用该标定方法的机器人标定***。
背景技术
目前，机器人在精密装配作业、食品罐装等自动化生产线的应用越来越广泛。以应用机器人进行电路板电子元件的精密装配为例，装配过程中，机器人可利用视觉传感器，如摄像机对工件或者工作面自动定位，计算工作场景相对于机器人的相对位置，以辅助机器人自动完成作业。机器人的标定，即建立机器人基坐标系与摄像机的成像坐标系之间的转换关系，是机器人作业过程中的关键技术之一。然而，现有的机器人标定方法普遍存在计算量大、复杂程度较高的缺点，在实际生产应用中不能满足简便快速标定的要求。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种简便快捷的机器人标定方法及标定***。
一种机器人标定方法，其包括步骤：A、提供一个独立于机器人本体的摄像机及一个位于摄像机视场内的平面标定板，用该摄像机拍摄该平面标定板的图像，标定并存储摄像机的内参数和外参数，计算成像坐标系与标定板坐标系之间的转换关系；B、在平面标定板上设定三个特征角点，在机器人本体上固定安装标定工具，机器人本体带动该标定工具运动，使该标定工具接触其中一个特征角点，并以该特征角点为起点平移至另外两个特征角点，存储标定工具在机器人基坐标系中的运动轨迹，根据该三个特征角点的位置关系以及该标定工具的运动轨迹，计算机器人基坐标系与标定板坐标系之间的转换关系；以及C、根据成像坐标系与标定板坐标系之间的转换关系，以及机器人基坐标系与标定板坐标系之间的转换关系，计算成像坐标系与机器人基坐标系之间的转换关系。
一种机器人标定***，其包括：机器人本体、由机器人本体带动的标定工具、一个独立于机器人本体的摄像机、一个位于摄像机视场内的平面标定板以及一个内置有预置的程序的控制器，该摄像机用于拍摄平面标定板的图像，该平面标定板上设定有三个特征角点，该控制器用于控制该机器人本体运动以带动该标定工具，使该标定工具接触其中一个特征角点，并使以该特征角点为起点平移至另外两个特征角点，该控制器还用于执行以下任务：获取摄像机拍摄的平面标定板的图像，标定并存储摄像机的内参数和外参数，计算成像坐标系与标定板坐标系之间的转换关系；存储标定工具在机器人基坐标系中的运动轨迹，以根据该三个特征角点的位置关系以及该标定工具的运动轨迹，计算机器人基坐标系与标定板坐标系之间的转换关系；根据成像坐标系与标定板坐标系之间的转换关系，以及机器人基坐标系与标定板坐标系之间的转换关系，计算成像坐标系与机器人基坐标系之间的转换关系。
上述机器人标定方法以平面标定板坐标系为中介，在分别计算成像坐标系与标定板坐标系之间的转换关系，以及机器人基坐标系与标定板坐标系之间的转换关系后得到成像坐标系与机器人基坐标系之间的转换关系，因此，上述标定方法具有简便快捷的优点。
附图说明
图1是本发明实施方式的机器人标定***的各组件的位置关系示意图。
图2是图1所示机器人标定***的平面标定板的平面示意图。
图3是本发明实施方式的机器人标定方法的流程图。
图4是标定工具相对于平面标定板移动的示意图。
主要元件符号说明
  机器人标定***  100
  机器人本体  11
  标定工具  21
  摄像机  31
  平面标定板  41
  控制器  51
  机械臂  112、112a
  关节  113
  触头  212
  特征角点  411、411a、411b、411c
  网格  410
  显示器  511
  示教器  512
  光源  61
具体实施方式
图1所示为本发明实施方式的机器人标定***100所使用的各组件的位置关系示意图。如图1所示，机器人标定***100包括机器人本体11、由机器人本体11带动的标定工具21、一个摄像机31、位于摄像机31视场内的一个平面标定板41以及控制器51。
机器人本体11包括多个机械臂112，这些机械臂112通过关节113相连接，并在相应关节113的带动下按照预设的轨迹运动。关节113安装有位移传感器，如旋转编码器，用于感测机械臂112的旋转角度。
标定工具21固定安装于机器人本体11末端的机械臂112a上。标定工具21可为细长的标定杆，其具有一触头212。在机械臂112a的带动下，标定工具21可沿预设的轨迹运动。
摄像机31安装于一固定支架(图未示)上，并独立于机器人本体11，且在整个标定过程中，摄像机31的空间位置保持不变。
请参见图2，平面标定板41为黑白棋盘网格并形成若干呈矩阵排布的特征角点411。各网格410大小相等且均为正方形。平面标定板41被合理放置，以使其位于摄像机31的视场内，从而摄像机31可拍摄平面标定板41的图像，并提取预设数量的特征角点411。
控制器51与机器人本体11及摄像机31相连，其内置有预置的程序以及一显示器511。控制器51用于控制机器人本体11的运动、获取摄像机31的图像信息，并执行预置的程序进行运算和分析，以获得各个需要标定的参数。控制器51还包括一个示教器512。通过操作示教器512，可控制机器人本体11按照预设的运动轨迹动作。
进一步，为使摄像机31拍摄到清晰的平面标定板41图像，还可设置一个光源61，并使光源61照射至平面标定板41，以提高拍摄环境的亮度。
图1示出了本发明机器人标定***100所涉及的各个坐标系，其中{W}为机器人基坐标系，{C}为摄像机坐标系，{I}为成像坐标系，{B}为标定板坐标系。
成像坐标系{I}定义在摄像机31所拍摄的平面，其原点OI为摄像机坐标系{C}原点OC在摄像机31所拍摄的平面中的对应点，即摄像机31所能拍摄最大范围的左上角点，其坐标轴OIxI、OIyI分别与摄像机坐标系{C}的坐标轴OCxC、OCyC平行。标定板坐标系{B}以平面标定板41的其中一个网格的特征角点为原点OB，以该网格的两垂直边为两坐标轴OBxB、OByB，另一座标轴OBzB通过右手定则得到。需要说明的是，如何建立坐标系不影响标定所实现的最终目的，但是，会对计算过程的复杂程度产生影响
请参见图3，本发明机器人标定方法包括以下步骤：
S201：提供一个独立于机器人本体的摄像机、位于摄像机视场内的一个平面标定板，用摄像机拍摄平面标定板的图像，标定并存储摄像机的内参数和外参数，计算成像坐标系与标定板坐标系之间的转换关系。
在步骤S201中，具体标定摄像机31的内参数及外参数的方法可采用张振友所提出的摄像机标定方法(Flexible Camera Calibration By Viewing a PlaneFrom Unknown Orientations.ICCV′99，Corfu，Greece，1999.666～673)。其过程大致为，将平面标定板41放置于摄像机31的视场内，摄像机31拍摄多幅平面标定板41的平面图像，且每幅图像的平面标定板41具有不同的方位。具体在本实施方式中，摄像机31共拍摄10幅平面标定板41的图像。每一次拍摄时，摄像机31抓取平面标定板41的上呈3×3矩阵排布的9个特征角点。控制器51根据摄像机31抓取的多幅平面标定板41的图像，通过运行其内置的程序计算摄像机31的内参数及外参数。其中由内参数构成转换矩阵为A，由外参数构成的转换矩阵分别为旋转矩阵R1和平移矩阵T1，可得到成像坐标系{I}与标定板坐标系{B}之间的转换关系如下式所示：
I＝A[R1T1]B    (1)
可以理解，也可以采用其他标定摄像机31的内参数及外参数的方法，在此不赘述。
进一步，在步骤S201中，可根据张振友的方法，通过控制器51提取摄像机31的畸变系数(distortion coefficient)，并对畸变系数进行判断。当畸变系数大于预设值，则调整摄像机焦距或者/和改变灯光，或者更换摄像机，并重新标定。在考虑到畸变的情况下，可以提高标定的精度。
S202：在平面标定板上设定三个特征角点，机器人带动标定工具移动并接触特征其中一个特征角点，并以该特征角点为起点平移至另外两个特征角点，并存储标定工具运动时在机器人基坐标系中的运动轨迹，根据该三个特征角点的位置关系以及标定工具的运动轨迹，计算机器人基坐标系与标定板坐标系之间的转换关系。
请参见图4，在平面标定板41上设置具有预设坐标值的三个特征角点411a，41b，411c，其中特征角点411a与标定板坐标系{B}的原点OB重合，特征角点411b位于标定板坐标系{B}的OBxB轴上，特征角点411c位于平面坐标系xBOByB的第一象限内。三个特征角点411a，411b，411c在平面坐标xBOByB中的坐标值可通过测量或者观察得到。具体在本实施方式中，特征角点411c与坐标轴OBxB的夹角为45度。
标定时，操作示教器512，使标定工具51的触头212与原点OB接触，然后将触头212分别在平面坐标xBOByB内平移动至角点412，413。在标定工具21移动的过程中，控制器51分别存储触头212在机器人基坐标{W}中的运动轨迹。从而，各特征角点在411a，411b，411c在标定板坐标系{B}中坐标值，以及相应的标定工具21在机器人基坐标{W}中位移均为已知。设标定板坐标系{B}相对于机器人基坐标{W}的旋转矩阵为R2，平移矩阵为T2，有如下关系：
W＝[R2T2]B    (2)
在特征角点在411a，411b，411c在标定板坐标系{B}中坐标值，以及相应的标定工具21在机器人基坐标{W}中位移均为已知的情况下，可求得旋转矩阵为R2及平移矩阵为T2，从而计算得到机器人基坐标系{W}与标定板坐标系{B}之间的转换关系。
在步骤S202中，可通过示教器512控制机器人本体11的运动，操作便利。摄像机31获取的图像，以及标定工具51的运行轨迹(在机器人基坐标{W}中的坐标值)均可通过显示器511进行显示。
S203：根据成像坐标系与标定板坐标系之间的转换关系，以及机器人基坐标系与标定板坐标系之间的转换关系，计算成像坐标系与机器人基坐标系之间的转换关系。
由步骤S201中得到的A、R1及T1，步骤S203中得到的R2及T2，以标定板坐标系{B}为中介，可得到下式：
W＝[R2T2][R1T1]-1A-1I  (3)
根据上式求得成像坐标系{I}与机器人基坐标系{W}之间的转换关系。
进一步，在步骤S205之后还可以通过图像匹配对标定的成像坐标系{I}与机器人基坐标系{W}之间的转换关系进行检验。即将平面标定板41沿其某一座标轴方向移动预设的距离，控制器51根据摄像机31获取的图像以及标定的成像坐标系{I}与机器人基坐标系{W}之间的转换关系，控制机器人本体11相应运动。根据平面标定板41的实际位移，及在控制器51控制下机器人本体11的移动距离，计算行程误差并进行判断。当行程误差在设定的范围内时，则确认上述标定的成像坐标系{I}与机器人基坐标系{W}之间的转换关系是正确的，否则，重复步骤S201至步骤S203，重新进行标定。
上述机器人标定方法具有简单、实用、快捷的优点。
可以理解，上述检验步骤可进行多次。行程误差也可根据实际需要的定位精度进行设定。在图3所示的机器人标定方法中，步骤S201与步骤S203可以交换执行顺序。
可以理解的是，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化等用于本发明的设计，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人标定方法，其特征在于包括步骤：
A、提供一个独立于机器人本体的摄像机及一个位于摄像机视场内的平面标定板，用该摄像机拍摄该平面标定板的图像，标定并存储摄像机的内参数和外参数，计算成像坐标系与标定板坐标系之间的转换关系；
B、在平面标定板上设定三个特征角点，在机器人本体上固定安装标定工具，机器人本体带动该标定工具运动，使该标定工具接触其中一个特征角点，并以该特征角点为起点平移至另外两个特征角点，存储标定工具在机器人基坐标系中的运动轨迹，根据该三个特征角点的位置关系以及该标定工具的运动轨迹，计算机器人基坐标系与标定板坐标系之间的转换关系；以及
C、根据成像坐标系与标定板坐标系之间的转换关系，以及机器人基坐标系与标定板坐标系之间的转换关系，计算成像坐标系与机器人基坐标系之间的转换关系。
2.如权利要求1所述的机器人标定方法，其特征在于：在步骤A中，标定并存储摄像机的畸变系数，并对畸变系数进行判断，当畸变系数大于预设值，重新进行标定。
3.如权利要求1所述的机器人标定方法，其特征在于：在步骤B中，该三个特征角点中，其中第一个特征角点与位于标定板坐标系的原点重合，第二个特征角点位于标定板坐标系一个坐标轴上，第三个特征角点设置在标定板坐标系中包含该第一个及第二个特征角点的一个平面坐标内。
4.如权利要求3所述的机器人标定方法，其特征在于：第三个特征角点与标定板坐标系的原点的连线与该平面坐标的一个坐标轴的夹角为45度。
5.如权利要求3所述的机器人标定方法，其特征在于：还包括在步骤C之后通过图像匹配对标定的成像坐标系与机器人基坐标系之间的转换关系进行检验的步骤。
6.一种机器人标定***，其包括：机器人本体、由机器人本体带动的标定工具、一个独立于机器人本体的摄像机、一个位于摄像机视场内的平面标定板以及一个内置有预置的程序的控制器，该摄像机用于拍摄平面标定板的图像，该平面标定板上设定有三个特征角点，该控制器用于控制该机器人本体运动以带动该标定工具，使该标定工具接触其中一个特征角点，并使以该特征角点为起点平移至另外两个特征角点，该控制器还用于执行以下任务：获取摄像机拍摄的平面标定板的图像，标定并存储摄像机的内参数和外参数，计算成像坐标系与标定板坐标系之间的转换关系；存储标定工具在机器人基坐标系中的运动轨迹，以根据该三个特征角点的位置关系以及该标定工具的运动轨迹，计算机器人基坐标系与标定板坐标系之间的转换关系；根据成像坐标系与标定板坐标系之间的转换关系，以及机器人基坐标系与标定板坐标系之间的转换关系，计算成像坐标系与机器人基坐标系之间的转换关系。
7.如权利要求6所述的机器人标定***，其特征在于：该机器人本体包括多个机械臂，该多个机械臂通过关节相连接，并在该关节的带动下按照预设的轨迹运动，该关节安装有位移传感器用于感测机械臂的运动。
8.如权利要求7所述的机器人标定***，其特征在于：该标定工具为具有一触头的的标定杆，且固定安装于机器人本体末端的机械臂上。
9.如权利要求6所述的机器人标定***，其特征在于：该控制器还包括一个示教器，该示教器用于控制机器人本体按照预设的运动轨迹动作。
10.如权利要求6所述的机器人标定***，其特征在于：还包括照射至平面标定板的光源。
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