CN108942922A - 基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法、装置及*** - Google Patents

基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法、装置及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法、装置及***，该方法通过位置固定的相机拍摄圆锥标定物的多角度照片获取三维点云库，匹配圆锥标定物，确定圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标，确定圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，根据圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标和圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t，并对求解出来的结果进行验证，实现机械臂的手眼标定。本发明通过在机械臂末端固定一个圆锥标定物，使圆锥尖端到达几个固定位置点即可精准标定机械臂的手眼关系，简便易用、自动化程度高、成本低且高效能。

Description

基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法、装置及***
技术领域
本发明涉及机器视觉的技术领域，尤其涉及基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法、装置及***。
背景技术
在机器视觉领域，机械臂需要根据视觉***给出的信号进行相应的路径规划等操作，而机械臂坐标***与视觉坐标***又为两个独立的模块，所以需要通过机械臂手眼标定将两者坐标相统一，从而达到准确定位的目的。
手眼工业机械臂***主要有eye-in-hand和eye-to-hand两类***，其中，eye-in-hand***中，相机固定在机械臂末端，可以随同机械臂末端从不同方位观察标定板，所以标定过程相对简单，但是精度不够高。而eye-to-hand***由于相机固定，无法协同机械臂末端从不同方位观察标定板进行标定，现有的借助其他标定物的方法复杂度较高，自动化程度还有待改进，不适合工业现场应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法、装置及***，旨在解决现有技术的两类手眼工业机械臂***一类精度不够高，另一类标定复杂度高、成本较高、效能较低的问题。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法，机械臂末端固定有圆锥标定物，且圆锥标定物中心轴线与机械臂末端中心轴线重合，所述方法包括：
点云库步骤，通过位置固定的相机拍摄圆锥标定物的多角度照片获取三维点云库，并在三维点云库中匹配圆锥标定物；
视觉步骤，对匹配的圆锥标定物与机械臂末端提取中心轴，确定圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标；
世界步骤，获取机械臂末端在机械臂世界坐标系中的坐标和圆锥标定物中心轴线长度，确定圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标；
标定步骤，根据圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标和圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t，并对求解出来的结果进行验证，实现机械臂的手眼标定。
在上述实施例的基础上，优选的，所述视觉步骤中，对匹配的圆锥标定物与机械臂末端通过主成分分析提取中心轴。
在上述任意实施例的基础上，优选的，所述标定步骤中，采用RANSAC算法求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t。
一种基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置，机械臂末端固定有圆锥标定物，且圆锥标定物中心轴线与机械臂末端中心轴线重合，所述装置包括：
点云库模块，用于通过位置固定的相机拍摄圆锥标定物的多角度照片获取三维点云库，并在三维点云库中匹配圆锥标定物；
视觉模块，用于对匹配的圆锥标定物与机械臂末端提取中心轴，确定圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标；
世界模块，用于获取机械臂末端在机械臂世界坐标系中的坐标和圆锥标定物中心轴线长度，确定圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标；
标定模块，用于根据圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标和圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t，并对求解出来的结果进行验证，实现机械臂的手眼标定。
在上述实施例的基础上，优选的，所述视觉模块对匹配的圆锥标定物与机械臂末端通过主成分分析提取中心轴。
在上述任意实施例的基础上，优选的，所述标定模块采用RANSAC算法求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t。
一种基于圆锥标定物的机械臂手眼标定***，包括：
上述任一项实施例中的基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置；
机械臂；
机械臂末端，与机械臂连接；
圆锥标定物，固定在机械臂末端上，圆锥标定物中心轴线与机械臂末端中心轴线重合；
相机，位置固定，用于拍摄圆锥标定物的多角度照片并发送到所述机械臂手眼标定装置。
在上述实施例的基础上，优选的，所述机械臂手眼标定装置为计算机或服务器。
在上述任意实施例的基础上，优选的，所述机械臂末端为条形连接杆。
在上述任意实施例的基础上，优选的，所述圆锥标定物的圆锥尖端点的直径小于0.5mm。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明公开了基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法、装置及***，该***包括机械臂手眼标定装置、机械臂、机械臂末端、圆锥标定物、相机，圆锥标定物固定在机械臂末端上，且圆锥标定物中心轴线与机械臂末端中心轴线重合。标定装置通过位置固定的相机拍摄圆锥标定物的多角度照片获取三维点云库，匹配圆锥标定物，确定圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标，确定圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，根据圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标和圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t，并对求解出来的结果进行验证，实现机械臂的手眼标定。本发明通过在机械臂末端固定一个圆锥标定物，使圆锥尖端到达几个固定位置点即可精准标定机械臂的手眼关系，简便易用、自动化程度高、成本低且高效能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了本发明实施例提供的一种基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法的流程示意图；
图2示出了本发明实施例提供的一种基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置的结构示意图；
图3示出了本发明实施例提供的一种基于圆锥标定物的机械臂手眼标定***的结构示意图；
图4a、图4b示出了本发明实施例提供的获取三维点云库的方法示意图；
图5示出了本发明实施例提供的提取中心轴的方法示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
在本发明中，机械臂手眼标定***可以由机械臂手眼标定装置、机械臂、机械臂末端、圆锥标定物和相机组成，如图3所示。其中，圆锥标定物中心轴线与机械臂末端中心轴线重合。由于圆锥标定物的圆锥尖端从多角度都可见，因而相机可从多角度提取圆锥尖端点的坐标。
基于相机观测拍摄建立的坐标系为视觉坐标系。
具体实施例一
如图1和图3所示，本发明实施例提供了一种基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法，机械臂末端固定有圆锥标定物，且圆锥标定物中心轴线与机械臂末端中心轴线重合，所述方法包括：
点云库步骤S101，如图4a、图4b所示，通过位置固定的相机拍摄圆锥标定物的多角度照片获取三维点云库，并在三维点云库中匹配圆锥标定物；
视觉步骤S102，如图5所示，对匹配的圆锥标定物与机械臂末端提取中心轴，确定圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标；
世界步骤S103，获取机械臂末端在机械臂世界坐标系中的坐标和圆锥标定物中心轴线长度，确定圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标；
标定步骤S104，根据圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标和圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t，并对求解出来的结果进行验证，实现机械臂的手眼标定。
本发明实施例通过位置固定的相机拍摄圆锥标定物的多角度照片获取三维点云库，匹配圆锥标定物，确定圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标，确定圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，根据圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标和圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t，并对求解出来的结果进行验证，从而实现机械臂的手眼标定。本发明实施例通过在机械臂末端固定一个圆锥标定物，使圆锥尖端到达几个固定位置点即可精准标定机械臂的手眼关系，简便易用、自动化程度高、成本低且高效能。
本发明实施例对提起中心轴的方式不做限定，优选的，所述视觉步骤S102中，可以对匹配的圆锥标定物与机械臂末端通过主成分分析提取中心轴。这样做的好处是，主成分分析能够有效降低数据维度，在原数据中除掉最小的特征值所对应的成分，所得的低维度数据是最优化的，这样降低维度也是失去数据特征讯息最少的方法。
本发明实施例对求解旋转矩阵R和平移向量t的方式不做限定，优选的，所述标定步骤S104中，可以采用RANSAC算法求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t。这样做的好处是，RANSAC算法在计算机视觉领域技术成熟、应用广泛。
在上述的具体实施例一中，提供了基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法，与之相对应的，本申请还提供基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置。由于装置实施例基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。下述描述的装置实施例仅仅是示意性的。
具体实施例二
如图2所示，本发明实施例提供了一种基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置，机械臂末端固定有圆锥标定物，且圆锥标定物中心轴线与机械臂末端中心轴线重合，所述装置包括：
点云库模块201，用于通过位置固定的相机拍摄圆锥标定物的多角度照片获取三维点云库，并在三维点云库中匹配圆锥标定物；
视觉模块202，用于对匹配的圆锥标定物与机械臂末端提取中心轴，确定圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标；
世界模块203，用于获取机械臂末端在机械臂世界坐标系中的坐标和圆锥标定物中心轴线长度，确定圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标；
标定模块204，用于根据圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标和圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t，并对求解出来的结果进行验证，实现机械臂的手眼标定。
本发明实施例通过位置固定的相机拍摄圆锥标定物的多角度照片获取三维点云库，匹配圆锥标定物，确定圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标，确定圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，根据圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标和圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t，并对求解出来的结果进行验证，从而实现机械臂的手眼标定。本发明实施例通过在机械臂末端固定一个圆锥标定物，使圆锥尖端到达几个固定位置点即可精准标定机械臂的手眼关系，简便易用、自动化程度高、成本低且高效能。
优选的，所述视觉模块202可以对匹配的圆锥标定物与机械臂末端通过主成分分析提取中心轴。
优选的，所述标定模块204可以采用RANSAC算法求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t。
具体实施例三
如图3所示，本发明实施例提供了一种基于圆锥标定物的机械臂手眼标定***，包括：
具体实施例二中的基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置5；
机械臂1；
机械臂末端2，与机械臂1连接；
圆锥标定物3，固定在机械臂末端2上，圆锥标定物3的中心轴线与机械臂末端2的中心轴线重合；
相机4，位置固定，相机4与机械臂手眼标定装置5连接，用于拍摄圆锥标定物3的多角度照片并发送到所述机械臂手眼标定装置5。
本发明实施例通过位置固定的相机拍摄圆锥标定物的多角度照片获取三维点云库，匹配圆锥标定物，确定圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标，确定圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，根据圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标和圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t，并对求解出来的结果进行验证，从而实现机械臂的手眼标定。本发明实施例通过在机械臂末端固定一个圆锥标定物，使圆锥尖端到达几个固定位置点即可精准标定机械臂的手眼关系，简便易用、自动化程度高、成本低且高效能。
本发明实施例对机械臂手眼标定装置5不做限定，优选的，所述机械臂手眼标定装置5可以为计算机或服务器。
本发明实施例对机械臂末端2的形状不做限定，优选的，所述机械臂末端2可以为条形连接杆。这样做的好处是，方便连接机械臂1与圆锥标定物3。
本发明实施例对圆锥标定物3的尺寸不做限定，优选的，所述圆锥标定物3的圆锥尖端点的直径可以小于0.5mm。这样做的好处是，保证足够高的标定精度。
本发明从使用目的上，效能上，进步及新颖性等观点进行阐述，其具有的实用进步性，己符合专利法所强调的功能增进及使用要件，本发明以上的说明及附图，仅为本发明的较佳实施例而己，并非以此局限本发明，因此，凡一切与本发明构造，装置，待征等近似、雷同的，即凡依本发明专利申请范围所作的等同替换或修饰等，皆应属本发明的专利申请保护的范围之内。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法，其特征在于，机械臂末端固定有圆锥标定物，且圆锥标定物中心轴线与机械臂末端中心轴线重合，所述方法包括：
点云库步骤，通过位置固定的相机拍摄圆锥标定物的多角度照片获取三维点云库，并在三维点云库中匹配圆锥标定物；
视觉步骤，对匹配的圆锥标定物与机械臂末端提取中心轴，确定圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标；
世界步骤，获取机械臂末端在机械臂世界坐标系中的坐标和圆锥标定物中心轴线长度，确定圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标；
标定步骤，根据圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标和圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t，并对求解出来的结果进行验证，实现机械臂的手眼标定。
2.根据权利要求1所述的基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法，其特征在于，所述视觉步骤中，对匹配的圆锥标定物与机械臂末端通过主成分分析提取中心轴。
3.根据权利要求1或2所述的基于圆锥标定物的机械臂手眼标定方法，其特征在于，所述标定步骤中，采用RANSAC算法求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t。
4.一种基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置，其特征在于，机械臂末端固定有圆锥标定物，且圆锥标定物中心轴线与机械臂末端中心轴线重合，所述装置包括：
点云库模块，用于通过位置固定的相机拍摄圆锥标定物的多角度照片获取三维点云库，并在三维点云库中匹配圆锥标定物；
视觉模块，用于对匹配的圆锥标定物与机械臂末端提取中心轴，确定圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标；
世界模块，用于获取机械臂末端在机械臂世界坐标系中的坐标和圆锥标定物中心轴线长度，确定圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标；
标定模块，用于根据圆锥尖端点在视觉坐标系中的坐标和圆锥尖端点在机械臂世界坐标系中的坐标，求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t，并对求解出来的结果进行验证，实现机械臂的手眼标定。
5.根据权利要求4所述的基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置，其特征在于，所述视觉模块对匹配的圆锥标定物与机械臂末端通过主成分分析提取中心轴。
6.根据权利要求4或5所述的基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置，其特征在于，所述标定模块采用RANSAC算法求解两个坐标系之间的旋转矩阵R和平移向量t。
7.一种基于圆锥标定物的机械臂手眼标定***，其特征在于，包括：
权利要求4-6任一项所述的基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置；
机械臂；
机械臂末端，与机械臂连接；
圆锥标定物，固定在机械臂末端上，圆锥标定物中心轴线与机械臂末端中心轴线重合；
相机，位置固定，用于拍摄圆锥标定物的多角度照片并发送到所述机械臂手眼标定装置。
8.根据权利要求7所述的基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置，其特征在于，所述机械臂手眼标定装置为计算机或服务器。
9.根据权利要求7或8所述的基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置，其特征在于，所述机械臂末端为条形连接杆。
10.根据权利要求7或8所述的基于圆锥标定物的机械臂手眼标定装置，其特征在于，所述圆锥标定物的圆锥尖端点的直径小于0.5mm。
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