CN107253190B - 一种高精度机器人手眼相机自动标定的装置及其使用方法 - Google Patents

一种高精度机器人手眼相机自动标定的装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度机器人手眼相机自动标定的装置，包括工业机器人、机器人末端工具、连接至工业机器人末端工具的激光发生器、标定板和相机，所述工业机器人与连接件的一侧连接，在连接件的另一侧上安装机器人末端工具，在机器人末端工具的一侧安装激光发生器，所述激光发生器包括红色激光发生器和绿色激光发生器，所述标定板为黑白相间的棋盘格，所述相机固定在工作台上，所述相机为2D相机。本发明有效解决了工业机器人手眼相机标定时需要高精度放置标定板以及安装末端工具的问题，同时，本发明无需将标定板放置在精确位置，仅需将标定板放在机器人工作空间中的任意位置并使得激光与标定板相交即可，极大的降低了相机标定的工作量。

Description

一种高精度机器人手眼相机自动标定的装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及工业机器人以及相机标定技术领域，具体是一种高精度机器人手眼相机自动标定的装置及其使用方法。
背景技术
随着劳动力成本的不断提高以及工业机器人控制、规划、识别方法的不断发展，用工业机器人代替人工进行自动化生产的程度越来越高。但目前工业中工业机器人手眼相机标定问题仍然没有得到解决。
手眼工业机器人***主要分为eye-in-hand与eye-to-hand两类***，其中，在eye-in-hand***中，相机固定在工业机器人末端，因而，随着机器人的运动，相机可以以不同的方向观察标定板以及工作空间，因而eye-in-hand***标定过程也相对较为简单，目前已经有很多成熟的方法可以使用。而对于 eye-to-hand***，由于相机固定，无法仅仅借助标定板以及机器人的运动实现相机与机器人相对位置的标定，其难点在于：1)如何将特征点的位置与机器人的运动关联起来；2)如何高精度的提取标定所需要的特征点的位置；3)如何自动化标定的过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度机器人手眼相机自动标定的装置及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高精度机器人手眼相机自动标定的装置，包括工业机器人、机器人末端工具、连接至工业机器人末端工具的激光发生器、标定板和相机，所述工业机器人与连接件的一侧连接，在连接件的另一侧上安装机器人末端工具，在机器人末端工具的一侧安装激光发生器，所述激光发生器包括红色激光发生器和绿色激光发生器，所述标定板为黑白相间的棋盘格，所述相机固定在工作台上，所述相机为2D相机。
作为本发明进一步的方案：所述激光发生器与机器人末端工具的相对位置固定。
一种高精度机器人手眼相机自动标定的装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：利用2D相机拍摄标定板图片，结合2D相机内参，估计相机外参相对于标定板的坐标变换矩阵；
步骤二：调整工业机器人关节角，使得固定在机器人末端工具上的激光发生器发出的激光与标定板相交于点P1、P2；
步骤三：采用2D相机拍摄标定板以及其上激光点的图片，计算点P1、P2在标定板坐标系中的位置；P1在标定板(board)坐标系中的坐标记作(u1，v1，0)，仿射形式记作(u1，v1，0，1)；P2在标定板坐标系中的坐标记作(u2，v2，0)，仿射形式记作(u2，v2，0，1)；
步骤四：根据步骤三中激光点P1、P2在标定板坐标系中的位置，计算其在机器人基座坐标系中的位置：
Figure GSB0000188109820000021
Figure GSB0000188109820000022
其中，
Figure GSB0000188109820000023
分别为激光点P1、P2在机器人基座坐标系(base)中的位置；
Figure GSB0000188109820000024
为标定板坐标系相对于机器人基座坐标系的坐标变换；
Figure GSB0000188109820000025
分别为激光点P1、P2在标定板坐标系(board)中的位置；
Figure GSB0000188109820000026
步骤五：根据激光点P1、P2在激光发生器坐标系中的位置结合工业机器人的运动学方程计算激光点P1、P2在机器人基座坐标系中的位置：
由于投射激光为一条直线，因而，激光点P1在激光发生器坐标系中位置可以记作(0，0，lP1)，仿射形式记作(0，0，lP1，0)，激光点P2在激光发生器坐标系中位置可以记作(0，0，lP2)，仿射形式记作(0，0，lP2，0)，其中lp1为红色激光发生器投射的红色激光的长度，即为点P1到激光发生器的长度，也即红色激光的距离，lp2为绿色激光发生器投射的绿色激光的长度，即为点P2到激光发生器的长度，也即绿色激光的距离；
因而，激光点P1、P2在机器人基座坐标系中的位置分别为：
Figure GSB0000188109820000027
Figure GSB0000188109820000028
其中，
Figure GSB0000188109820000029
为机器人末端工具坐标系相对于工业机器人基座坐标系的坐标变换，即工业机器人正运动学变换；
Figure GSB00001881098200000210
为激光发生器坐标系相对于机器人末端工具坐标系的坐标变换；
Figure GSB00001881098200000211
分别为激光点P1、P2在自身激光发生器坐标系中的位置；
其中：
Figure GSB0000188109820000031
Figure GSB0000188109820000032
lp1，lp2为点P1、P2到激光发生器的长度，即激光的距离；
步骤六：将步骤四与步骤五得到的激光点P1、P2在机器人基座坐标系中位置进行等效，得到：
Figure GSB0000188109820000033
Figure GSB0000188109820000034
即
Figure GSB0000188109820000035
步骤七：上述步骤六得到的方程含有18个参数，其中6个已知数，确定四个限制条件，因而，需要至少6个特征点便可以计算上述18个参数中的12个未知数；如果特征点的个数大于5，则通过优化方法确定上述12个未知数；通过工业机器人的运动任意大于5个线性无关的特征点，再通过优化方法求取。
与现有技术相比，本发明有效解决了工业机器人手眼相机标定时需要高精度放置标定板以及安装末端工具的问题，同时，本发明无需将标定板放置在精确位置，仅需将标定板放在工业机器人工作空间中的任意位置并使得激光与标定板相交即可，极大的降低了相机标定的工作量；另外，在本发明中，标定板仅为简单的棋盘格，具有成本低，操作灵活，结构简单的特征；相对与单激光机器人手眼标定***，计算量大大降低，精度大大提高。
附图说明
图1为高精度机器人手眼相机自动标定的装置的结构示意图。
图2为高精度机器人手眼相机自动标定的装置中末端工具的结构示意图。
图3为高精度机器人手眼相机自动标定的装置进行自动标定的方法结构框图。
图4为高精度机器人手眼相机自动标定的装置中相机外参标定过程的结构框图。
图5为根据相机拍摄图片中激光点的坐标计算激光点在标定板坐标系中的位置的示意图。
图6为高精度机器人手眼相机自动标定的装置通过运动调整激光与标定板橡胶垫位置的示意图。
图中：1-工业机器人、2-机器人末端工具、31-红色激光发生器、32-绿色激光发生器、4-标定板、 5-相机、6-连接件。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
本发明提出了一种将激光发生器固定在机器人末端工具上，然后通过激光与标定板相交，然后通过相机提取特征点的位置，最终利用激光特征点在标定板中的位置以及在机器人坐标系中的位置，实现对工业机器人与相机相对位置的标定。
请参阅图1-6，一种高精度机器人手眼相机自动标定的装置，包括工业机器人1、机器人末端工具2、连接至机器人末端工具2的激光发生器、标定板4和相机5，所述工业机器人1与连接件6的一侧连接，在连接件6的另一侧上安装机器人末端工具2，在机器人末端工具2的一侧安装激光发生器，所述激光发生器包括红色激光发生器31和绿色激光发生器32，所述标定板4为黑白相间的棋盘格，所述相机5固定在工作台上，所述相机为2D相机。
所述激光发生器与机器人末端工具的相对位置固定。
一种高精度机器人手眼相机自动标定的装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：利用2D相机拍摄标定板图片，结合2D相机内参，估计相机外参相对于标定板的坐标变换矩阵；
步骤二：调整工业机器人关节角，使得固定在机器人末端工具上的激光发生器发出的激光与标定板相交于点P1、P2；
步骤三：采用2D相机拍摄标定板以及其上激光点的图片，计算点P1、P2在标定板坐标系中的位置；P1在标定板(board)坐标系中的坐标记作(u1，v1，0)，仿射形式记作(u1，v1，0，1)；P2在标定板坐标系中的坐标记作(u2，v2，0)，仿射形式记作(u2，v2，0，1)；
步骤四：根据步骤三中激光点P1、P2在标定板坐标系中的位置，计算其在机器人基座坐标系中的位置：
Figure GSB0000188109820000041
Figure GSB0000188109820000042
其中，
Figure GSB0000188109820000043
分别为激光点P1、P2在机器人基座坐标系(base)中的位置；
Figure GSB0000188109820000044
为标定板坐标系相对于机器人基座坐标系的坐标变换；
Figure GSB0000188109820000045
分别为激光点P1、P2在标定板坐标系(board)中的位置；
Figure GSB0000188109820000051
步骤五：根据激光点P1、P2在激光发生器坐标系中的位置结合工业机器人的运动学方程计算激光点P1、P2在机器人基座坐标系中的位置：
由于投射激光为一条直线，因而，激光点P1在激光发生器坐标系中位置可以记作(0，0，lP1)，仿射形式记作(0，0，lP1，0)，激光点P2在激光发生器坐标系中位置可以记作(0，0，lP2)，仿射形式记作(0，0，lP2，0)，其中lp1为红色激光发生器投射的红色激光的长度，即为点P1到激光发生器的长度，也即红色激光的距离，lp2为绿色激光发生器投射的绿色激光的长度，即为点P2到激光发生器的长度，也即绿色激光的距离；
因而，激光点P1、P2在机器人基座坐标系中的位置分别为：
Figure GSB0000188109820000052
Figure GSB0000188109820000053
其中，
Figure GSB0000188109820000054
为机器人末端工具坐标系相对于工业机器人基座坐标系的坐标变换，即工业机器人正运动学变换；
Figure GSB0000188109820000055
为激光发生器坐标系相对于机器人末端工具坐标系的坐标变换；
Figure GSB0000188109820000056
分别为激光点P1、P2在自身激光发生器坐标系中的位置；
其中：
Figure GSB0000188109820000057
Figure GSB0000188109820000058
lp1，lp2为点P1、P2到激光发生器的长度，即激光的距离；
步骤六：将步骤四与步骤五得到的激光点P1、P2在机器人基座坐标系中位置进行等效，得到：
Figure GSB0000188109820000059
Figure GSB00001881098200000510
即
Figure GSB0000188109820000061
步骤七：上述步骤六得到的方程含有18个参数，其中6个已知数，确定四个限制条件，因而，需要至少6个特征点便可以计算上述18个参数中的12个未知数；如果特征点的个数大于5，则通过优化方法确定上述12个未知数；通过机器人的运动任意大于5个线性无关的特征点，再通过优化方法求取。
图1为本发明所提出装置的具体结构。其包括工业机器人1、机器人末端工具2、连接至工业机器人末端工具的激光发生器、标定板4、相机5。
图2展示的为本发明所提出的包含机器人末端工具以及激光发生器的具体结构。
图3为本发明所提出标定方法的具体实现过程。其包括相机外参标定，特征点坐标计算以及最终的标定等过程。在图3中，首先利用相机拍摄的图片对相机外参进行标定，然后实时的根据相机拍摄的图片提取特征激光点的位置，进一步的，结合当前机器人的姿态，建立关于标定板相对于机器人以及机器人激光发生器相对于机器人末端工具的坐标。最终，根据得到的方程组，利用优化方法计算机器人与相机相对位置。
图4展示的根据拍摄到的标定板图像对相机外参进行标定的过程。
图5展示的为根据相机拍摄图片中激光点的坐标计算激光点在标定板坐标系中位置的过程。
图6展示的为工业机器人通过运动调整激光点在标定板上的位置的过程。
本发明有效解决了工业机器人手眼相机标定时需要高精度放置标定板以及安装末端工具的问题，同时，本发明无需将标定板放置在精确位置，仅需将标定板放在工业机器人工作空间中的任意位置并使得激光与标定板相交即可，极大的降低了相机标定的工作量；另外，在本发明中，标定板仅为简单的棋盘格，具有成本低，操作灵活，结构简单的特征；相对与单激光机器人手眼标定***，计算量大大降低，精度大大提高。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种高精度机器人手眼相机自动标定的装置，其特征在于，包括工业机器人、机器人末端工具、连接至机器人末端工具的激光发生器、标定板和相机，所述工业机器人与连接件的一侧连接，在连接件的另一侧上安装机器人末端工具，在机器人末端工具的一侧安装激光发生器，所述激光发生器包括红色激光发生器和绿色激光发生器，所述标定板为黑白相间的棋盘格，所述相机固定在工作台上，所述相机为2D相机，所述激光发生器与机器人末端工具的相对位置固定；
所述的高精度机器人手眼相机自动标定的装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：利用2D相机拍摄标定板图片，结合2D相机内参，估计相机外参相对于标定板的坐标变换矩阵；
步骤二：调整工业机器人关节角，使得固定在机器人末端工具上的激光发生器发出的激光与标定板相交于点P1、P2；
步骤三：采用2D相机拍摄标定板以及其上激光点的图片，计算点P1、P2在标定板坐标系中的位置；P1在标定板坐标系中的坐标记作(u1，v1，0)，仿射形式记作(u1，v1，0，1)；P2在标定板坐标系中的坐标记作(u2，v2，0)，仿射形式记作(u2，v2，0，1)；
步骤四：根据步骤三中激光点P1、P2在标定板坐标系中的位置，计算其在机器人基座坐标系中的位置：
Figure FDA0002588885470000011
Figure FDA0002588885470000012
其中，
Figure FDA0002588885470000013
分别为激光点P1、P2在机器人基座坐标系中的位置；
Figure FDA0002588885470000014
为标定板坐标系相对于机器人基座坐标系的坐标变换；
Figure FDA0002588885470000015
分别为激光点P1、P2在标定板坐标系中的位置；
Figure FDA0002588885470000016
Figure FDA0002588885470000017
步骤五：根据激光点P1、P2在激光发生器坐标系中的位置结合工业机器人的运动学方程计算激光点P1、P2在机器人基座坐标系中的位置：
由于投射激光为一条直线，因而，激光点P1在激光发生器坐标系中位置可以记作(0，0，lp1)，仿射形式记作(0，0，lp1，0)，激光点P2在激光发生器坐标系中位置可以记作(0，0，lp2)，仿射形式记作(0，0，lp2，0)，其中lp1为红色激光发生器投射的红色激光的长度，即为点P1到激光发生器的长度，也即红色激光的距离，lp2为绿色激光发生器投射的绿色激光的长度，即为点P2到激光发生器的长度，也即绿色激光的距离；
因而，激光点P1、P2在机器人基座坐标系中的位置分别为：
Figure FDA0002588885470000021
Figure FDA0002588885470000022
其中，
Figure FDA0002588885470000023
为机器人末端工具坐标系相对于机器人基座坐标系的坐标变换，即工业机器人正运动学变换；
Figure FDA0002588885470000024
为激光发生器坐标系相对于机器人末端工具坐标系的坐标变换；
Figure FDA0002588885470000025
分别为激光点P1、P2在激光发生器坐标系中的位置；
其中：
Figure FDA0002588885470000026
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步骤六：将步骤四与步骤五得到的激光点P1、P2在机器人基座坐标系中位置进行等效，得到：
Figure FDA0002588885470000028
Figure FDA0002588885470000029
即
Figure FDA00025888854700000210
步骤七：上述步骤六得到的方程含有18个参数，其中6个已知数，确定四个限制条件，因而，需要至少6个特征点便可以计算上述18个参数中的12个未知数。
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