CN109719726A - 一种机械臂手眼标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于机器人视觉技术领域，提供了一种机械臂手眼标定装置及方法，装置包括：垂直标定板，垂直标定板由两标定板组成，两标定板垂直固定，两标定板的交线位于标定板的侧边，标定板的表面设有定位点，定位点关于交线对称设立，垂直标定板通过两长度可调节的支撑杆与行架固定；圆盘，圆盘的一侧设有滑块，滑块与滑轨滑动连接，滑轨垂直于行架设置；机械臂设于行架的下方，机械臂的末端装有标定头，机械臂通过底座与模组滑动连接，底座上设有激光雷达，激光雷达位于标定板的下方。标定板设计为垂直状，便于建立工具坐标系，标定板上设计了定位点，提供了工具坐标系的准确创建位置；设计了用于检测标定误差的圆盘，提供当前手眼标定精度。

Description

一种机械臂手眼标定装置及方法

技术领域

本发明属于机器人视觉技术领域，提供了一种机械臂手眼标定装置及方法。

背景技术

在视觉领域，机械臂需要根据视觉信号给出相应路径规划操作，但机械臂坐标系与视觉坐标系分别为两个独立的模块，所以当需要实现联合操作时，机械臂坐标系需要与视觉坐标系间形成一定的转化统一关系(手眼标定)，当转化关系十分精确时就可实现机械臂与视觉间的联合。

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，激光雷达固定在机械臂的一个固定位置，其可以随同机械臂从不同方位观察标定板，因雷达扫描点云时存在噪声以及点云自身分布不均衡等因素影响，最终标定精度不够高。

发明内容

本发明实施例提供一种机械臂手眼标定方法，旨在提高三维视觉中激光雷达与机械臂的标定精度。

为了解决上述目的，本发明提供一种机器人手眼标定的装置，该装置包括：

垂直标定板，垂直标定板由两标定板组成，两标定板垂直固定，两标定板的交线位于标定板的侧边，标定板的表面设有定位点，定位点关于交线对称设立，垂直标定板通过两长度可调节的支撑杆与行架固定；

圆盘，圆盘的一侧设有滑块，滑块与滑轨滑动连接，滑轨垂直于行架设置；

机械臂设于行架的下方，机械臂的末端装有标定头，机械臂通过底座与模组滑动连接，底座上设有激光雷达，激光雷达位于标定板的下方。

为了解决上述目的，本发明提供一种机器人手眼标定方法，所述方法包括如下步骤：

S1、控制机械臂末端的标定头沿垂直标定板上的定位点及交线移动，构建机械臂的局部坐标系R₁；

S2、控制激光雷达水平移动，扫描获取垂直标定板的点云图像；

S3、基于点云图像来确定垂直标定板在激光雷达坐标系下的工具坐标系R₂；

S4、基于标定点在雷达坐标系R₃中的坐标及在工具坐标系R₂中的坐标，计算从雷达坐标系R₃转换至工具坐标系R₂中的旋转矩阵r及平移向量t。

进一步的，在步骤S4之后还包括：

S5、将圆盘的靶心移动至位置一；

S6、向机械臂发送靶心当前在局部坐标系中的位置，控制机械臂朝靶心运动，测量机械臂末端的标定头与靶心间的偏差，即检测标定头与靶心间的距离。

进一步的，在步骤S5之后还包括：

S7、将圆盘的靶心移动至位置二，执行步骤S6；

S8、将圆盘的靶心移动至位置三，执行步骤S6；

S9、取三次偏差值的平均值作为当前的标定偏差；

所述位置二和位置三关于位置一对称。

进一步的，在步骤S9之后还包括：

多次改变垂直标定板与激光雷达间的角度，在每次改变垂直标定板与激光雷达间的角度后，执行步骤S1至步骤S9，将最小偏差对应的旋转矩阵r及平移向量t传递给机械臂。

进一步的，在步骤S2之后还包括：

对图像进行滤波与下采样处理。

本发明提供的机械臂手眼标定装置及方法具有如下有益效果：

1.标定板设计为垂直状，便于建立机械臂的局部坐标系；

2.在垂直标定板上设计了定位点，提供了工具坐标系的准确创建位置；

3.设计了用于误差检测的圆盘，将最小误差的标定赋予机械臂，提高了标定精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的机械臂手眼标定装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的图1的A区局部放大图；

图3为本发明实施例提供的垂直标定板的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的激光雷达与垂直标定板间的夹角确定示意图；

图5为本发明实施例提供的标定头的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的机械臂手眼标定方法流程图；

1.模组、2.垂直标定板、3.激光雷达、4.圆盘、5.机械臂、6.行架、7.滑轨、8、标定头、9.底座、10.支撑杆、11.标定点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明实施例提供的机械臂手眼标定装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出于本发明实施例相关的部分，该装置包括：

垂直标定板2，垂直标定板2由两块标定板组成，两标定板垂直固定，两标定板的垂直交线位于标定板的侧边，标定板的外侧设有定位点11，定位点11关于交线对称设置，如图3所示，垂直标定板2通过两长度可调节的支撑杆10与行架6固定，如图2所示；

在本发明实施例中，在行架6上设置有两支撑杆10，两支撑杆10的长度可调节，在两标定板的内侧设有定位块，定位块上设有与支撑杆顶部相适配的定位孔，定位孔与支撑杆的配合即实现了垂直标定板2的固定，通过调节两支撑杆的长度，可以控制垂直标定板2与激光雷达之间的夹角，如图4给出了垂直标定板与激光雷达间夹角的确定方法，如图4中的d所示。

圆盘4，圆盘4的底部设有滑块，滑块与滑轨7滑动连接，滑轨7垂直于行架6设置，在滑轨7上的位置一、位置二及位置三分别设有标识，位置二和位置三关于位置一对称设置，如图3中的A位置、B位置及C位置。

设于行架下方的机械臂5，机械臂5的末端设置有标定头8，机械臂5通过底座9与模组1滑动连接，底座9上设有激光雷达3，激光雷达3位于垂直标定板2的下方，

在本发明实施例中，标定头9的圆柱状，圆柱的一端呈倒锥形，通过圆柱的另一端与机械臂5的末端固定，标定头9的结构示意图如图5所示，底座9上设有电机，通过电机驱动底座沿模组1方向运动；

图6为本发明实施例提供的机械臂手眼标定方法的流程图，该方法包括如下步骤：

S1、控制机械臂末端的标定头沿垂直标定板上的定位点及交线移动，构建机械臂的局部坐标系R₁；

行架，将机械臂末端的标定头移动至垂直标定板处，控制标定头沿垂直标定板上的各定位点移动，从而建出y坐标轴和z坐标轴，再以垂直标定板的交线为基准线移动机械臂的标定头建立出x轴线坐标，三坐标轴相交之处为坐标原点，即为机械臂的局部坐标系R₁；

S2、控制底座沿模组水平移动，激光雷达随底座的水平移动，激光雷达扫描获取垂直标定板的点云图像，对图像进行滤波与下采样处理，获取均匀的标定板表面点云；

S3、基于垂直标定板的点云图像确定垂直标定板在激光雷达坐标系下的工具坐标系R₂；

在本发明实施例中，垂直标定板的工具坐标系R₂是指局部坐标系R₁的X轴、Y轴及Z轴映射到雷达坐标系R₃下所形成的。

S4、基于标定点在雷达坐标系R₃中的坐标及在工具坐标系R₂中的坐标，计算从雷达坐标系R₃转换至工具坐标系R₂中的旋转矩阵r及平移向量t，

因所建的工具坐标系R₂与激光雷达坐标系R₃相对位置确定，所以两者之间存在固定转化关系，可通过坐标转化计算获取两者之间的坐标转化矩阵，将计算所得的转化矩阵传递给机械臂即可实现手眼标定。

因R₂是在R₃的坐标系中建立，所以R₂的每个坐标轴在R₃中可看作为一个向量，R₂的原点在R₃中是一个具体的位置点；通过这三个向量和位置点可由公式R₃＝r·R₂+t计算出转化矩阵。

若工具坐标系R₂与机械臂建立局部坐标系R₁重合，则仅需将基于点云建立的工具坐标系与雷达坐标系转化关系传递给机械臂即可，此时称为完全标定，即标定不存在任何误差，实际情况无法满足两工具坐标系完全重合，只能在允许的误差范围内实现合理标定，标定误差的确定具体如下：

S5、将圆盘的靶心移动至位置一，向机械臂发送靶心当前在局部坐标系中的位置，控制机械臂朝靶心运动，测量机械臂末端的标定头与靶心间的偏差，即标定头与靶心间的距离；

S6、将圆盘的靶心移动至位置二，执行步骤S5，将圆盘的靶心移动至位置三，执行步骤S5；位置二与位置三关于位置一对称，取三次偏差的平局值作为当前的标定偏差；

S7、多次改变垂直标定板与激光雷达间的角度，在每次改变垂直标定板与激光雷达间的角度后，均执行步骤S1至步骤S6，将最小偏差对应的转换矩阵r及平移向量t传递给机械臂。

在本发明实施例中，垂直标定板与激光雷达间的角度通过两支撑杆的高度来调节，每次改变设定角度(10度)，且位置一、位置二及位置三在局部坐标系中的位置是事先标定的。

本发明提供的机械臂手眼标定装置及方法具有如下有益效果：

1.标定板设计为垂直状，便于建立机械臂的局部坐标系；

2.在垂直标定板上设计了定位点，提供了工具坐标系的准确创建位置；

3.设计了用于误差检测的圆盘，将最小误差的标定赋予机械臂，提高了标定精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机械臂手眼标定装置，其特征在于，所示装置包括：

垂直标定板，垂直标定板由两标定板组成，两标定板垂直固定，两标定板的交线位于标定板的侧边，标定板的表面设有定位点，定位点关于交线对称设立，垂直标定板通过两长度可调节的支撑杆与行架固定；

圆盘，圆盘的一侧设有滑块，滑块与滑轨滑动连接，滑轨垂直于行架设置；

机械臂设于行架的下方，机械臂的末端装有标定头，机械臂通过底座与模组滑动连接，底座上设有激光雷达，激光雷达位于标定板的下方。

2.一种基于权利要求1所述机械臂手眼标定装置的标定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、控制机械臂末端的标定头沿垂直标定板上的定位点及交线移动，构建机械臂的局部坐标系R₁；

S2、控制激光雷达水平移动，扫描获取垂直标定板的点云图像；

S3、基于点云图像来确定垂直标定板在激光雷达坐标系下的工具坐标系R₂；

S4、基于标定点在雷达坐标系R₃中的坐标及在工具坐标系R₂中的坐标，计算从雷达坐标系R₃转换至工具坐标系R₂中的旋转矩阵r及平移向量t。

3.如权利要求1所述机械臂手眼标定方法，其特征在于，在步骤S4之后还包括：

S5、将圆盘的靶心移动至位置一；

S6、向机械臂发送靶心当前在局部坐标系中的位置，控制机械臂朝靶心运动，测量机械臂末端的标定头与靶心间的偏差，即检测标定头与靶心间的距离。

4.如权利要求3所述机械臂手眼标定方法，其特征在于，在步骤S5之后还包括：

S7、将圆盘的靶心移动至位置二，执行步骤S6；

S8、将圆盘的靶心移动至位置三，执行步骤S6；

S9、取三次偏差值的平均值作为当前的标定偏差；

所述位置二和位置三关于位置一对称。

5.如权利要求4所述机械臂手眼标定方法，其特征在于，在步骤S9之后还包括：

多次改变垂直标定板与激光雷达间的角度，在每次改变垂直标定板与激光雷达间的角度后，执行步骤S1至步骤S9，将最小偏差对应的旋转矩阵r及平移向量t传递给机械臂。

6.如权利要求4所述机械臂手眼标定方法，其特征在于，在步骤S2之后还包括：

对图像进行滤波与下采样处理。