CN111791227B - 机器人手眼标定方法、装置及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请属于机器人标定的技术领域，提供了一种机器人手眼标定方法、装置及机器人，该方法包括：以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，并记录对准时末端执行器的位置信息和角度信息；得到末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量；控制末端执行器带动拍摄装置移动以对标定板圆心拍摄，并按照预设规则同时对末端执行器的坐标位置以及标定板圆心在拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样；得到所述机器人的坐标系与拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系；根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系。本申请实施例解决手动标定误差大的问题。

Description

机器人手眼标定方法、装置及机器人

技术领域

本发明涉及机器人标定的技术领域，尤其涉及一种机器人手眼标定方法、装置及机器人。

背景技术

在现有的工业机器人与相机的标定技术中，需要使用特定的标定板，如棋盘格标定板，圆点标定板等，而且必须控制机器人以多种不同的姿态(对于6轴机器人而言，至少为四种，但一般为了标定精度更高，基本上都会使用15-20个的姿态)去控制相机拍摄标定板，由于姿态不同，相机拍摄的标定板图像各有不同，为了稳定的在图像中找到标定板，这就给图像处理以及提高标定精度带来了不小的难度，而调整机器人姿态，需要采用人工示教的方法。标定一次***，需花费大量的时间及精力。而对于标定步骤相对较简单的传统的九点标定法，则只适用于相机固定的安装方式，即“眼在手外”(eye-to-hand)，对于“眼在手”(eye-in-hand)的安装方式则不能使用传统的九点标定法。传统的9点标定法，其标定板一般来说都是需要打印9个圆，然后手动控制机器人用标定工具一一去对准圆心并记录下位置，因为是人为的用人眼去看9次，这就会造成较大的标定误差，影响标定精度。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种机器人手眼标定方法、装置及机器人，以解决手动标定误差大的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种移动装置的位置确定方法，包括：

以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息；

根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量；

维持所述姿势，控制所述末端执行器带动拍摄装置移动以对所述标定板圆心运动拍摄，并按照预设规则同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样；N≥4；

根据每次采样的所述坐标位置和所述像素坐标，得到所述机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系；

根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系。

在一个实施示例中，所述预设规则为所述标定板圆心位于所述拍摄装置拍摄的图像的中心、四个边界中心以及四个边界夹角位置时均进行采样；其中，N为9。

在一个实施示例中，所述以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息，包括：

以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述末端执行器与所述标定板圆心对准，记录对准时所述末端执行器的第一位置信息和第一角度；

维持所述姿势，将所述末端执行器从所述第一角度旋转至第二角度，并在旋转角度为所述第二角度的状态下控制所述末端执行器与所述标定板圆心对准，记录对准时所述末端执行器的第二位置信息；所述第二角度为所述第一角度旋转180度后的角度。

在一个实施示例中，所述根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量，包括：

根据所述第一位置信息和所述第一角度以及所述第二位置信息和所述第二角度计算得到所述末端执行器的偏移半径和旋转角度；

根据所述偏移半径和所述旋转角度得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量。

在一个实施示例中，所述根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系，包括：

将所述偏移量输入所述机器人的示教器，以获得校正所述工具中心与所述法兰中心偏移后所述末端执行器的位置坐标和旋转角度。

在一个实施示例中，所述末端执行器包括夹爪或吸嘴。

在一个实施示例中，所述根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系，包括：

维持所述姿势，通过所述拍摄装置拍摄当前工件，得到所述当前工件在所述拍摄装置的图像的像素坐标和工件角度；

根据所述点位映射关系对所述像素坐标进行换算得到所述末端执行器的目标位置；

通过所述示教器获得所述末端执行器的实际位置，计算所述实际位置与所述目标位置之间的坐标偏移；

通过所述示教器获得所述取料基准点的坐标，并根据所述坐标偏移对获得的所述取料基准点的坐标进行校正，得到实际取料坐标；其中，所述取料基准点为所述标定板圆心的位置。

在一个实施示例中，所述方法还包括：

维持所述姿势，控制所述末端执行器到达所述实际取料坐标并旋转所述工件角度，以对所述当前工件进行抓取。

本发明实施例的第二方面提供了一种机器人手眼标定装置，包括：

工具坐标系校准模块，用于以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息；其中，所述标定板圆心设置在取料基准点的位置；

偏移计算模块，用于根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量；

机器人标定模块，用于维持所述姿势，控制所述末端执行器带动拍摄装置移动以对所述标定板圆心运动拍摄，并按照预设规则同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样；N≥4；

点位映射关系计算模块，用于根据每次采样的所述坐标位置和所述像素坐标，得到所述机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系；

工具坐标系校正模块，用于根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系。

本发明实施例的第三方面提供了一种机器人，包括：示教器、存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述示教器，用于根据所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量校正所述工具中心与所述法兰中心偏移后获得所述机器人的末端执行器的位置坐标和旋转角度；所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面中机器人手眼标定方法。

本发明实施例提供的一种机器人手眼标定方法、装置及机器人，通过以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制每次旋转预设角度后的所述末端执行器与所述标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息；根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量；维持所述姿势，控制机器人的末端执行器带动拍摄装置移动以对标定板圆心运动拍摄，并按照预设规则同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样；N≥4；根据每次采样的所述坐标位置和所述像素坐标，得到所述机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系；根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系。无需人为进行标定点对准，通过控制机器人的末端执行器带动拍摄装置移动以对标定板圆心运动拍摄，按预设规则对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在拍摄的图像的像素坐标进行稳定准确的N次采样，减小标定误差，提高了标定精度。针对机器人末端执行器和机器人法兰盘不同心的情况，通过计算末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量校准工具坐标系，避免了在标定过程对机器人的复杂姿态调整和复杂计算求解过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的机器人手眼标定方法的流程示意图；

图2是本发明实施例一提供的标定板的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的机器人的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的按照预设规则采样时标定板圆心在拍摄装置拍摄的图像的位置示意图；

图5是本发明实施例二提供的机器人手眼标定方法的流程示意图；

图6是本发明实施例三提供的机器人手眼标定装置的结构示意图；

图7是本发明实施例四提供的机器人的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

实施例一

如图1所示，是本发明实施例一提供的机器人手眼标定方法的流程示意图。本实施例可适用于对工业机器人与拍摄装置进行手眼标定的应用场景，该方法可以由机器人手眼标定装置执行，该装置可为处理器、智能终端、平板或PC等；在本申请实施例中以机器人手眼标定装置作为执行主体进行说明，该方法具体包括如下步骤：

S110、以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息；其中，所述标定板圆心为取料基准点的位置；

标定步骤相对较简单的传统的九点标定法，则只适用于相机固定的安装方式，即“眼在手外”(eye-to-hand)，对于“眼在手”(eye-in-hand)的安装方式则不能使用传统的九点标定法。为解决这一问题，本发明实施例针对“眼在手”(eye-in-hand)的机器人进行手眼标定。可选的，眼在手的机器人可为六轴机器人。6轴机器人的坐标系包含X、Y、Z三个平移量以及分别绕这三个轴旋转的R(X)、R(Y)、R(Z)三个旋转量。

具体地，在对机器人进行手眼标定的整个过程中以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势进行时，机器人的法兰面与机器人基座平面平行。这时R(X)＝180°，R(Y)＝0°，Z轴是垂直于XY平面的，也就是垂直于基座平面的，所以调整机器人X、Y坐标，R(Z)角度不会发生改变。控制此姿势下机器人的末端执行器旋转即改变旋转轴角度，也就是改变Z轴的旋转角度R(Z)，末端执行器的Z轴的旋转角度R(Z)在与机器人连接的示教器上就可获得。

取料基准点为机台的工作平面上的一点，当进行工件或物料抓取时工件或物料放置于取料基准点。且在控制机器人抓取物料时设置取料基准点为标定时放置于工作平面的标定板圆心所在的位置。

可选的，在控制机器人的末端执行器与标定板圆心对准时，标定板可为一个带十字中心的圆形标定板，如图2所示为标定板的结构示意图。在一个实施示例中，机器人的末端执行器包括夹爪或吸嘴，末端执行器还可安装有针尖校准工具。当末端执行器安装有末端为尖端的针尖校准工具时，以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制机器人的末端执行器移动以使校准工具尖端对准并接触设于取料基准点的位置的标定板圆心，记录此次对准时机器人的末端执行器的位置信息和角度信息。维持机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，完成一次对准后控制末端执行器旋转预设角度后再次与标定板圆心对准，并记录再次此次对准时机器人的末端执行器的位置信息和角度信息。上述过程可重复多次。

当末端执行器安装有夹爪或吸嘴时，控制机器人的末端执行器与标定板圆心对准可为控制机器人的末端执行器移动以使夹爪或吸嘴对准并接触设于取料基准点的位置的标定板圆心，记录此次对准时机器人的末端执行器的位置信息和角度信息。维持机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，完成一次对准后控制末端执行器旋转预设角度后再次与标定板圆心对准，并记录再次此次对准时机器人的末端执行器的位置信息和角度信息。上述过程可重复多次。

如图3所示为“眼在手”(eye-in-hand)的机器人的结构示意图。机器人包括末端执行器3和拍摄装置2，且拍摄装置2安装在机器人的末端执行器3上，拍摄装置2的成像面即镜头与机器人的法兰盘5平行。安装在机台上的机器人的基座平面1与机台的工作平面平行；机台的工作平面用于放置待抓取工件。为确保拍摄装置2拍摄图像时拍摄装置2的光轴垂直于机台的工作平面，需使拍摄装置2的镜头与工作平面平行。通过调整机器人的法兰平面5与基座平面1平行，能够实现拍摄装置2的镜头与工作平面平行。在对机器人进行手眼标定的整个过程中都需保持机器人的法兰平面5与基座平面1平行的姿势。取料基准点为机台的工作平面上的一点，当进行工件或物料抓取时工件或物料放置于取料基准点。在进行标定时将标定板4的圆心固定放置于取料基准点的位置上。

并且在手眼标定的整个过程中都需保持机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，还能够使得机器人在标定的移动过程中保持相同的姿态，机器人的末端执行器在移动过程中只有水平面上的x和y坐标在变化，确保机器人的X、Y坐标与拍摄装置拍摄到的图像的像素坐标x、y有一一对应的关系。调整方法为将机器人运动模式切换成关节模式，调整第5关节角度为-90°，这时机器人的法兰平面与机器人基座平面平行。

在一个实施示例中，以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息的具体过程可包括：以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述末端执行器与所述标定板圆心对准，记录对准时所述末端执行器的第一位置信息和第一角度；维持所述姿势，将所述末端执行器从所述第一角度旋转至第二角度，并在旋转角度为所述第二角度的状态下控制所述末端执行器与所述标定板圆心对准，记录对准时所述末端执行器的第二位置信息；所述第二角度为所述第一角度旋转180度后的角度。

具体地，以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制机器人的末端执行器移动以使校准工具尖端对准并接触设于取料基准点的位置的标定板圆心，记录此次对准时机器人的末端执行器的第一位置信息(x₀,y₀)和第一角度即旋转轴R(Z)角度u₀。保存当前机器人的位姿，将末端执行器的旋转轴R(Z)从第一角度u₀旋转至第二角度即u₀+180°。并在旋转角度为所述第二角度的状态下控制所述末端执行器移动以使校准工具尖端对准并接触标定板圆心，记录对准时末端执行器的第二位置信息(x₁,y₁)。

可选的，可安装一个仰视相机来校准，机器人在角度u₀下，仰视相机获得机器人末端执行器的针尖或者某个参照物的像素坐标(x,y)，然后机器人的末端执行器Z轴旋转180度，再调整机器人的末端执行器X、Y轴坐标，使得参照物在仰视相机中的像素坐标与旋转前重合，即等于(x,y)。然后再用相同的方法计算偏移量。该方法用相机取代了人眼标定，提高校准的精确度。

S120、根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量；

在以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，多次记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息后，能够根据每次记录的位置信息和所述角度信息通过三角函数关系计算得到末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量。

在一个实施示例中，根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量的具体过程可为：根据所述第一位置信息和所述第一角度以及所述第二位置信息和所述第二角度计算得到所述末端执行器的偏移半径和旋转角度；根据所述偏移半径和所述旋转角度得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量。

具体地，以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制机器人的末端执行器旋转预设角度并与标定板圆心进行两次对准后得到第一位置信息(x₀,y₀)和第一角度u₀以及第二位置信息(x₁,y₁)和第二角度u₀+180°。通过以下算式：

Rx＝(x₁-x₀)/2，Ry＝(y₁-y₀)/2；

当Rx>0时，

当Rx<0时，

可根据第一位置信息(x₀,y₀)和第一角度u₀以及第二位置信息(x₁,y₁)和第二角度u₀+180°计算得到机器人的末端执行器当前R(Z)角度下X轴方向的偏移半径Rx和Y轴方向的偏移半径Ry，从而求得末端执行器的偏移半径R，以及旋转角度θ。通过三角函数关系，根据偏移半径R和旋转角度θ可计算得到末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量x_tool及y_tool，计算公式如下：

x_tool＝R*cos(θ)；

y_tool＝R*sin(θ)。

在一个实施示例中，将所述偏移量输入所述机器人的示教器，以获得校正所述工具中心与所述法兰中心偏移后所述末端执行器的位置坐标和旋转角度。

具体地，将末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量x_tool及y_tool输入与机器人连接的示教器，即在机器人示教器中设置针尖工具的工具坐标系的X轴的偏移量为x_tool，Y轴的偏移量为y_tool，其他轴偏移量均设为0。从示教器中读取获得的末端执行器的位置坐标和旋转角度为校正工具中心与法兰中心偏移后的位置坐标和旋转角度。

在一个实施示例中，机器人的末执行器包括夹爪或吸嘴。当机器人的末执行器为夹爪或吸嘴时可同样执行上述步骤S110至S120，从而计算得到机器人的夹爪或吸嘴的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量。

S130、维持所述姿势，控制所述末端执行器带动拍摄装置移动以对所述标定板圆心运动拍摄，并按照预设规则同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样；N≥4；

具体地，以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述末端执行器带动安装在末端执行器上的拍摄装置移动，以实现拍摄装置对所述标定板圆心运动拍摄，且控制所述末端执行器带动拍摄装置运动拍摄时标定板始终位于拍摄装置的视野范围内。可选的，拍摄装置可为工业相机。控制末端执行器带动拍摄装置移动以对标定板圆心进行运动拍摄时，按照预设规则同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样；N≥4。每次采样得到的末端执行器的坐标位置与标定板圆心在拍摄装置拍摄的图像的像素坐标一一对应。

在一个实施示例中，预设规则为所述标定板圆心位于所述拍摄装置拍摄的图像的中心、四个边界中心以及四个边界夹角位置时均进行采样；其中，N为9。

具体地，控制所述末端执行器带动拍摄装置运动拍摄时，当标定板圆心位于所述拍摄装置拍摄的图像的中心、四个边界中心以及四个边界夹角位置时均进行采样，每一次采样时同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行记录。可选的，维持机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制末端执行器带动拍摄装置移动以对标定板圆心进行运动拍摄时按照预设规则同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样的具体过程可为：控制机器人的末端执行器带动拍摄装置在平行于工作平面的平面上对标定板圆心进行运动拍摄，以使标定板在拍摄装置的视野范围内沿着视野范围走类似“田”字的轨迹。如图4所示，是按照预设规则采样时标定板圆心在拍摄装置拍摄的图像的位置示意图。在末端执行器带动拍摄装置移动拍摄的过程中，当标定板圆心位于所述拍摄装置拍摄的图像的中心、四个边界中心以及四个边界夹角位置时均进行采样，即总共进行9点采样，以提高标定精度。

S140、根据每次采样的所述坐标位置和所述像素坐标，得到所述机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系；

由于以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述末端执行器带动安装在末端执行器上的拍摄装置移动，以对标定板圆心运动拍摄时，末端执行器的R(X)轴角度不变，只有平面坐标X、Y变化。通过在标定板圆心位于所述拍摄装置拍摄的图像的中心、四个边界中心以及四个边界夹角位置时进行9点采样标定，每次采样同时对末端执行器的坐标位置(x，y)以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标(u，v)进行记录，从而获得九组末端执行器的坐标位置和拍摄装置拍摄的图像的像素坐标的点位映射关系。根据每次采样的坐标位置和像素坐标，通过仿射变换得到机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系。可选的，通过仿射变换得到机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系为二维齐次变换矩阵，具体公式如下：

其中，m₁₁表示机器人坐标系与图像坐标系之间X方向的缩放因子，m₁₂表示两坐标系之间Y方向的旋转角度，m₁₃表示两坐标系X方向的平移向量，m₂₁表示X方向的旋转角度，m₂₂表示的是Y轴方向的缩放因子，m₂₃表示的是Y方向的平移向量。

S150、根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系。

当机器人完成标定过程得到末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量和机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系后，在控制机器人通过末端执行器进行工件或物料抓取时，可根据机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系，将拍摄装置拍摄到的工件或物料的像素坐标转换为机器人的坐标系下的目标位置，然后根据末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量结合机器人的末端执行器的当前位置以及目标位置进行计算，以实现机器人的工具坐标系的校正，最终得到机器人的末端执行器抓取工件或物料时的实际取料坐标。避免了复杂的机器人末端执行器中心与法兰中心的坐标旋转平移求解过程。该方法同样克服了传统的移动相机手眼标定技术对标定板精度要求高，机器人姿态复杂多样，步骤复杂，计算量较大的缺点。

本发明实施例提供的一种机器人手眼标定方法，通过以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制每次旋转预设角度后的所述末端执行器与所述标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息；根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量；维持所述姿势，控制机器人的末端执行器带动拍摄装置移动以对标定板圆心运动拍摄，并按照预设规则同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样；N≥4；根据每次采样的所述坐标位置和所述像素坐标，得到所述机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系；根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系。无需人为进行标定点对准，通过控制机器人的末端执行器带动拍摄装置移动以对标定板圆心运动拍摄，按预设规则对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在拍摄的图像的像素坐标进行稳定准确的N次采样，减小标定误差，提高了标定精度。针对机器人末端执行器和机器人法兰盘不同心的情况，通过计算末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量校准工具坐标系，避免了在标定过程对机器人的复杂姿态调整和复杂计算求解过程。

实施例二

如图5所示的是本发明实施例二提供的机器人手眼标定方法的流程示意图。在实施例一的基础上，本实施例还提供了根据偏移量和点位映射关系校正机器人的工具坐标系以抓取工件的过程，从而实现机器人对工件的精准抓取。该方法具体包括：

S210、以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，通过所述拍摄装置拍摄当前工件，得到所述当前工件在所述拍摄装置的图像的像素坐标和工件角度；

由于机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势进行时，机器人的法兰面与机器人基座平面平行。这时R(X)＝180°，R(Y)＝0°，Z轴是垂直于XY平面的，也就是垂直于基座平面的，所以调整机器人X、Y坐标，R(Z)角度不会发生改变。控制此姿势下机器人的末端执行器移动或旋转即改变旋转轴角度，也就是改变平面坐标X、Y或Z轴的旋转角度R(Z)，末端执行器的Z轴的旋转角度R(Z)在与机器人连接的示教器上就可获得。取料基准点为机台的工作平面上的一点，当进行工件或物料抓取时工件或物料放置于取料基准点。

具体地，机器人对工件抓取过程中，以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，当机器人的末端执行器运行至当前位置P2(x₂，y₂)能够通过所述拍摄装置拍摄当前工件时，通过拍摄装置的拍摄图像得到当前工件在拍摄装置的图像的像素坐标和工件角度。

S220、根据所述点位映射关系对所述像素坐标进行换算得到所述末端执行器的目标位置；

根据机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系，将当前工件在拍摄装置的图像的像素坐标代入二维齐次变换矩阵计算得到末端执行器的目标位置P1(x₁，y₁)。二维齐次变换矩阵具体公式如下：

其中，m₁₁表示机器人坐标系与图像坐标系之间X方向的缩放因子，m₁₂表示两坐标系之间Y方向的旋转角度，m₁₃表示两坐标系X方向的平移向量，m₂₁表示X方向的旋转角度，m₂₂表示的是Y轴方向的缩放因子，m₂₃表示的是Y方向的平移向量。

S230、通过所述示教器获得所述末端执行器的实际位置，计算所述实际位置与所述目标位置之间的坐标偏移；

由于可将末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量x_tool及y_tool输入与机器人连接的示教器，即在机器人示教器中设置针尖工具的工具坐标系的X轴的偏移量为x_tool，Y轴的偏移量为y_tool，其他轴偏移量均设为0。从示教器中读取获得的末端执行器的位置坐标和旋转角度为校正工具中心与法兰中心偏移后的位置坐标和旋转角度。可通过示教器获得末端执行器的实际位置P2(x₂，y₂)。通过计算实际位置P2(x₂，y₂)与目标位置P1(x₁，y₁)之间的坐标偏移Δx＝x₂-x₁，Δy＝y₂-y₁，得到拍摄装置的拍摄偏移量。由于拍摄装置安装在末端执行器上，随着末端执行器运动的，意味着拍摄装置与末端执行器的相对位移是相同的。

S240、通过所述示教器获得所述取料基准点的坐标，并根据所述坐标偏移对获得的所述取料基准点的坐标进行校正，得到实际取料坐标；其中，所述取料基准点为所述标定板圆心的位置。

由于取料基准点为标定板圆心的位置，从示教器中读取获得的末端执行器的位置坐标和旋转角度为校正工具中心与法兰中心偏移后的位置坐标和旋转角度，可通过示教器获得校正后的取料基准点的坐标P0(x₀，y₀)；将坐标偏移Δx＝x₂-x₁和Δy＝y₂-y₁的相对位移与取料基准点P0(x₀，y₀)相加，就能实现对取料基准点的坐标校正，从而得到末端执行器的实际取料坐标。

S250、维持所述姿势，控制所述末端执行器到达所述实际取料坐标并旋转所述工件角度，以对所述当前工件进行抓取。

当末端执行器为夹爪气缸或吸嘴的工具时，控制末端执行器以根据末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量校正机器人的工具坐标系后的工具坐标系移动到实际取料坐标并控制末端执行器的R(z)旋转轴旋转工件角度θ，以对所述当前工件进行抓取，从而使得末端执行器能够成功抓取到当前工件。可选的，该工件角度可为末端执行器以校正后的工具坐标系下带动拍摄装置对当前工件进行旋转拍摄获得当前工件的工件角度θ。

实施例三

如图6所示的是本发明实施例三提供的机器人手眼标定装置。在实施例一或二的基础上，本发明实施例还提供了一种机器人手眼标定装置6，该装置包括：

工具坐标系校准模块601，用于以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息；

在一个实施示例中，以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息时，工具坐标系校准模块601包括：

第一对准单元，用于以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述末端执行器与所述标定板圆心对准，记录对准时所述末端执行器的第一位置信息和第一角度；

第二对准单元，用于维持所述姿势，将所述末端执行器从所述第一角度旋转至第二角度，并在旋转角度为所述第二角度的状态下控制所述末端执行器与所述标定板圆心对准，记录对准时所述末端执行器的第二位置信息；所述第二角度为所述第一角度旋转180度后的角度。

偏移计算模块602，用于根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量；

在一个实施示例中，根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量时，偏移计算模块602包括：

偏移半径和旋转角度计算单元，用于根据所述第一位置信息和所述第一角度以及所述第二位置信息和所述第二角度计算得到所述末端执行器的偏移半径和旋转角度；

偏移量计算单元，用于根据所述偏移半径和所述旋转角度得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量。

机器人标定模块603，用于维持所述姿势，控制所述末端执行器带动拍摄装置移动以对所述标定板圆心运动拍摄，并按照预设规则同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样；N≥4；

点位映射关系计算模块604，用于根据每次采样的所述坐标位置和所述像素坐标，得到所述机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系；

工具坐标系校正模块605，用于根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系。

在一个实施示例中，根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系时，工具坐标系校正模块605包括：

机器人坐标系校正单元，用于将所述偏移量输入所述机器人的示教器，以获得校正所述工具中心与所述法兰中心偏移后所述末端执行器的位置坐标；

工件拍摄单元，用于维持所述姿势，通过所述拍摄装置拍摄当前工件，得到所述当前工件在所述拍摄装置的图像的像素坐标和工件角度；

坐标换算单元，用于根据所述点位映射关系对所述像素坐标进行换算得到所述末端执行器的目标位置；

坐标偏移计算单元，用于通过所述示教器获得所述末端执行器的实际位置，计算所述实际位置与所述目标位置之间的坐标偏移；

实际取料坐标计算单元，用于通过所述示教器获得所述取料基准点的坐标，并根据所述坐标偏移对获得的所述取料基准点的坐标进行校正，得到实际取料坐标；其中，所述取料基准点为所述标定板圆心的位置。

工件抓取单元，用于维持所述姿势，控制所述末端执行器到达所述实际取料坐标并旋转所述工件角度，以对所述当前工件进行抓取。

本发明实施例提供的一种机器人手眼标定装置，通过以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制每次旋转预设角度后的所述末端执行器与所述标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息；根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量；维持所述姿势，控制机器人的末端执行器带动拍摄装置移动以对标定板圆心运动拍摄，并按照预设规则同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样；N≥4；根据每次采样的所述坐标位置和所述像素坐标，得到所述机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系；根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系。无需人为进行标定点对准，通过控制机器人的末端执行器带动拍摄装置移动以对标定板圆心运动拍摄，按预设规则对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在拍摄的图像的像素坐标进行稳定准确的N次采样，减小标定误差，提高了标定精度。针对机器人末端执行器和机器人法兰盘不同心的情况，通过计算末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量校准工具坐标系，避免了在标定过程对机器人的复杂姿态调整和复杂计算求解过程。

实施例四

图7是本发明实施例四提供的机器人的结构示意图。该机器人包括：示教器70、处理器71、存储器72以及存储在所述存储器72中并可在所述处理器71上运行的计算机程序73，例如用于机器人手眼标定方法的程序。

所述示教器70，用于根据所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量校正所述工具中心与所述法兰中心偏移后获得所述机器人的末端执行器的位置坐标和旋转角度；

所述处理器71执行所述计算机程序73时实现上述机器人手眼标定方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S110至S150。

示例性的，所述计算机程序73可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储在所述存储器72中，并由所述处理器71执行，以完成本申请。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序73在所述机器人中的执行过程。例如，所述计算机程序73可以被分割成工具坐标系校准模块、偏移计算模块、机器人标定模块、点位映射关系计算模块和工具坐标系校正模块，各模块具体功能如下：

工具坐标系校准模块，用于以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息；

偏移计算模块，用于根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量；

机器人标定模块，用于维持所述姿势，控制所述末端执行器带动拍摄装置移动以对所述标定板圆心运动拍摄，并按照预设规则同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样；N≥4；

点位映射关系计算模块，用于根据每次采样的所述坐标位置和所述像素坐标，得到所述机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系；

工具坐标系校正模块，用于根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系。

所述机器人可包括，但不仅限于，示教器70、处理器71、存储器72以及存储在所述存储器72中的计算机程序73。本领域技术人员可以理解，图7仅仅是机器人的示例，并不构成对机器人的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述机器人还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器71可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器72可以是所述机器人的内部存储单元，例如机器人的硬盘或内存。所述存储器72也可以是外部存储设备，例如机器人上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器72还可以既包括机器人的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器72用于存储所述计算机程序以及机器人手眼标定方法所需的其他程序和数据。所述存储器72还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述***中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种机器人手眼标定方法，其特征在于，包括：

以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息；

根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量，包括：根据第一位置信息和第一角度以及第二位置信息和第二角度计算得到所述末端执行器的偏移半径和旋转角度；根据所述偏移半径和所述旋转角度得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量；

维持所述姿势，控制所述末端执行器带动拍摄装置移动以对所述标定板圆心运动拍摄，并按照预设规则同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样；N≥4；

根据每次采样的所述坐标位置和所述像素坐标，得到所述机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系；

根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系；

所述根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系，包括：

将所述偏移量输入所述机器人的示教器，以获得校正所述工具中心与所述法兰中心偏移后所述末端执行器的位置坐标和旋转角度；

维持所述姿势，通过所述拍摄装置拍摄当前工件，得到所述当前工件在所述拍摄装置的图像的像素坐标和工件角度；

根据所述点位映射关系对所述像素坐标进行换算得到所述末端执行器的目标位置；

通过所述示教器获得所述末端执行器的实际位置，计算所述实际位置与所述目标位置之间的坐标偏移；

通过所述示教器获得取料基准点的坐标，并根据所述坐标偏移对获得的所述取料基准点的坐标进行校正，得到实际取料坐标；其中，所述取料基准点为所述标定板圆心的位置；

其中，安装仰视相机进行校准，所述机器人在所述第一角度下，所述仰视相机获得所述机器人的所述末端执行器的参照物的像素坐标；

所述机器人的所述末端执行器绕Z轴旋转180度，再调整所述机器人的所述末端执行器X、Y轴坐标，使得所述参照物在所述仰视相机中的像素坐标与旋转前重合，计算偏移量。

2.如权利要求1所述的机器人手眼标定方法，其特征在于，所述预设规则为所述标定板圆心位于所述拍摄装置拍摄的图像的中心、四个边界中心以及四个边界夹角位置时均进行采样；其中，N为9。

3.如权利要求1或2所述的机器人手眼标定方法，其特征在于，所述以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息，包括：

以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述末端执行器与所述标定板圆心对准，记录对准时所述末端执行器的第一位置信息和第一角度；

维持所述姿势，将所述末端执行器从所述第一角度旋转至第二角度，并在旋转角度为所述第二角度的状态下控制所述末端执行器与所述标定板圆心对准，记录对准时所述末端执行器的第二位置信息；所述第二角度为所述第一角度旋转180度后的角度。

4.如权利要求1所述的机器人手眼标定方法，其特征在于，所述末端执行器包括夹爪或吸嘴。

5.如权利要求1所述的机器人手眼标定方法，其特征在于，所述方法还包括：

维持所述姿势，控制所述末端执行器到达所述实际取料坐标并旋转所述工件角度，以对所述当前工件进行抓取。

6.一种机器人手眼标定装置，其特征在于，包括：

工具坐标系校准模块，用于以机器人的法兰平面与基座平面平行的姿势，控制所述机器人的末端执行器每次旋转预设角度后与标定板圆心对准，并记录对准时所述末端执行器的位置信息和角度信息；

偏移计算模块，用于根据每次记录的位置信息和所述角度信息，得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量；

机器人标定模块，用于维持所述姿势，控制所述末端执行器带动拍摄装置移动以对所述标定板圆心运动拍摄，并按照预设规则同时对所述末端执行器的坐标位置以及所述标定板圆心在所述拍摄装置拍摄的图像的像素坐标进行N次采样；N≥4；

点位映射关系计算模块，用于根据每次采样的所述坐标位置和所述像素坐标，得到所述机器人的坐标系与所述拍摄装置的图像坐标系的点位映射关系；

工具坐标系校正模块，用于根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系；

所述偏移计算模块包括：

偏移半径和旋转角度计算单元，用于根据第一位置信息和第一角度以及第二位置信息和第二角度计算得到所述末端执行器的偏移半径和旋转角度；

偏移量计算单元，用于根据所述偏移半径和所述旋转角度得到所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量；

根据所述偏移量和所述点位映射关系校正所述机器人的工具坐标系时，所述工具坐标系校正模块包括：

机器人坐标系校正单元，用于将所述偏移量输入所述机器人的示教器，以获得校正所述工具中心与所述法兰中心偏移后所述末端执行器的位置坐标和旋转角度；

工件拍摄单元，用于维持所述姿势，通过所述拍摄装置拍摄当前工件，得到所述当前工件在所述拍摄装置的图像的像素坐标和工件角度；

坐标换算单元，用于根据所述点位映射关系对所述像素坐标进行换算得到所述末端执行器的目标位置；

坐标偏移计算单元，用于通过所述示教器获得所述末端执行器的实际位置，计算所述实际位置与所述目标位置之间的坐标偏移；

实际取料坐标计算单元，用于通过所述示教器获得取料基准点的坐标，并根据所述坐标偏移对获得的所述取料基准点的坐标进行校正，得到实际取料坐标；其中，所述取料基准点为所述标定板圆心的位置；其中，安装仰视相机进行校准，所述机器人在所述第一角度下，所述仰视相机获得所述机器人的所述末端执行器的参照物的像素坐标；

所述机器人的所述末端执行器绕Z轴旋转180度，再调整所述机器人的所述末端执行器X、Y轴坐标，使得所述参照物在所述仰视相机中的像素坐标与旋转前重合，计算偏移量。

7.一种机器人，其特征在于，包括示教器、存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，

所述示教器，用于根据所述末端执行器的工具中心与法兰中心在平面上的偏移量校正所述工具中心与所述法兰中心偏移后获得所述机器人的末端执行器的位置坐标和旋转角度；

所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述机器人手眼标定方法的步骤。

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