CN113160326B - 一种基于重建坐标系的手眼标定方法及装置 - Google Patents

一种基于重建坐标系的手眼标定方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于重建坐标系的手眼标定方法及装置，方法包括如下步骤：确定清晰特征点；建立过渡工具坐标系和工件坐标系；计算图像坐标系与工件坐标系的转化关系；计算第一旋转图像上的特征点坐标A和第二旋转图像上的特征点坐标B，以及坐标A与坐标B的中点C；计算中点C在工件坐标系下的坐标，以及C点与过渡工具坐标系原点之间的偏差量；重建新的工具坐标系，该新工具坐标系的原点为过渡工具坐标系原点加上偏差量，根据该新工具坐标系引导机械臂的定位；进行下一次引导定位时，将新工具坐标系作为过渡工具坐标系，并重新建立新的工具坐标系。本发明消除工具坐标系原点与工件旋转中心的误差，有效提高手眼标定精度。

Description

一种基于重建坐标系的手眼标定方法及装置
技术领域
本发明涉及一种基于重建坐标系的手眼标定方法及装置。
背景技术
在高精度快速作业中，往往需要通过视觉引导技术来协助工业机器人进行准确定位。视觉引导是指使用工业相机来代替人的眼球捕捉客观事物的图像，并经过相关算法处理得到有用的信息，最终用于控制机器人的作业。在视觉引导机器人***中，通过手眼标定最终可以建立相机坐标系和机器人基础坐标系的变换关系，这种变换关系是使机器人手爪能够准确抓取物体的必要条件。
现有的手眼标定方法包括传统的九点手眼标定方法，该方法采用机械臂TCP触碰印有九个特征点的标志物记录机械臂位姿，然后拍摄计算这九个点的图像坐标，通过标定算法进行建立机械臂和图像坐标系间的转化关系。但九点手眼标定方法需要粘贴印有九个特征点的标志物并需要进行尖端触碰进行坐标统一，操作繁琐且结果精度较大程度地依赖于操作人员的水平，更重要的是，该方法所建立的工具坐标系原点与工件旋转中心总是会存在一定的误差，不能完全重合，从而引入位移误差，影响手眼标定精度，随着作业的进行，误差将越来也不可忽视，进而严重影响作业的顺利进行。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于重建坐标系的手眼标定方法及装置，消除工具坐标系原点与工件旋转中心的误差，结果精度不再依赖于操作人员水平，有效提高手眼标定精度，且操作更为简单，提高作业效率。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于重建坐标系的手眼标定方法，包括如下步骤：
A、在被拍摄工件表面确定一清晰特征点；
B、通过机械臂的TCP标定法建立一个过渡工具坐标系，使该过渡工具坐标系的原点基本与特征点重合，并根据过渡工具坐标系建立一个工件坐标系，该工件坐标系的方向与机械臂的Base坐标系方向一致；
C、控制机械臂使用过渡工具坐标系在工件坐标系z＝0的平面上移动九个位置，控制设置在机械臂上的相机分别在九个位置采集包含特征点的图像，并分别提取各图像上的特征点坐标，通过各位置坐标和各标志物特征点坐标，计算图像坐标系与工件坐标系的转化关系；
D、控制机械臂围绕工件坐标系z＝0平面的(0,0)分别旋转差值为180°的第一角度和第二角度，控制相机分别在第一角度和第二角度拍摄第一旋转图像和第二旋转图像，并分别计算第一旋转图像上的特征点坐标A和第二旋转图像上的特征点坐标B，并计算坐标A与坐标B的中点C的坐标；
E、根据所述的转化关系，计算中点C在工件坐标系下的坐标(Dx,Dy)，再将工件坐标系旋转至与过渡工具坐标系方向一致，并计算C点与过渡工具坐标系原点之间的偏差量
其中，θx为机械臂Base坐标x轴欧拉角，θy为机械臂Base坐标y轴欧拉角，θz为机械臂Base坐标Z轴欧拉角；
F、重建新的工具坐标系，该新工具坐标系的原点为过渡工具坐标系原点加上步骤E计算的偏差量，并使新工具坐标系与机械臂法兰盘工具坐标系方向一致，根据该新工具坐标系引导机械臂的定位；
G、进行下一次引导定位时，将步骤F所述的新工具坐标系作为过渡工具坐标系，并进入步骤C。
进一步的，所述步骤C中，所述九个位置的x、y坐标分别为：(-a，-a)、(-a，0)、(-a，a)、(0，-a)、(0，0)、(0，a)、(a，-a)、(a，0)、(a，a)，其中，a的取值与标志物大小和相机视野有关。
进一步的，所述步骤A中，所述特征点为圆心或者十字交叉线交点。
进一步的，所述步骤A中，所述被拍摄工件表面粘贴有一标志物，该标志物上打印有圆形图案或者十字交叉线，所述特征点为该圆形图案的圆心或者十字交叉线交点。
进一步的，所述步骤D中，第一角度为顺时针旋转90°，第二角度为顺时针旋转270°。
进一步的，所述步骤C中，通过以下公式计算所述转化关系[R M]:
其中，(x,y)为各位置在工件坐标系上的xy坐标，(u,v)为各标志物特征点的图像坐标系行列坐标，R为旋转矩阵，M为平移矩阵。
进一步的，所述步骤B中，通过机械臂的TCP标定四点法建立过渡工具坐标系。
进一步的，所述相机视野为80mm*80mm，所述标志物大小为20mm*20mm，a取值为20mm。
本发明还通过以下技术方案实现：
一种基于重建坐标系的手眼标定装置，包括：
特征点确定模块：用于在被拍摄工件表面确定一清晰特征点；
过渡工具坐标系确定模块：用于通过机械臂的TCP标定法建立一个过渡工具坐标系，使该过渡工具坐标系的原点尽量与特征点重合，并根据过渡工具坐标系建立一个工件坐标系，该工件坐标系的方向与机械臂的Base坐标系方向一致；
转化关系确定模块：用于控制机械臂使用过渡工具坐标系在工件坐标系z＝0的平面上移动九个位置，控制设置在机械臂上的相机分别在九个位置采集包含特征点的图像，并分别提取各图像上的特征点坐标，通过各位置坐标和各标志物特征点坐标，计算图像坐标系与工件坐标系的转化关系；
偏差量确定模块：用于控制机械臂围绕工件坐标系z＝0平面的(0,0)分别旋转差值为180°的第一角度和第二角度，控制相机分别在第一角度和第二角度拍摄第一旋转图像和第二旋转图像，并分别计算第一旋转图像上的特征点坐标A和第二旋转图像上的特征点坐标B，并计算坐标A与坐标B的中点C的坐标；根据所述的转化关系，计算中点C在工件坐标系下的坐标(Dx,Dy)，再将工件坐标系旋转至与过渡工具坐标系方向一致，并计算C点与过渡工具坐标系原点之间的偏差量
其中，θx为机械臂Base坐标x轴欧拉角，θy为机械臂Base坐标y轴欧拉角，θz为机械臂Base坐标Z轴欧拉角；
新工具坐标系确定模块：用于重建新的工具坐标系，该新工具坐标系的原点为过渡工具坐标系原点加上步骤E计算的偏差量，并使新工具坐标系与机械臂法兰盘工具坐标系方向一致，根据该新工具坐标系引导机械臂的定位；
定位更新模块：用于在进行下一次引导定位时，将在使用的新工具坐标系作为过渡工具坐标系，并通过转化关系确定模块、偏差量确定模块和新工具坐标系确定模块重新建立新的工具坐标系，并使用该新的工具坐标系引导机械臂的定位。
本发明具有如下有益效果：
1、首次确定工具坐标系前，先在被拍摄工件表面确定一清晰特征点，并建立一个原点基本与该特征点重合的过渡工具坐标系，再控制机械臂在九个特定的位置采集包含特征点的图像，并根据这些图像计算图像坐标系与工件坐标系的转化关系，然后控制机械臂旋转以得到第一旋转图像和第二旋转图像，并获取第一、第二旋转图像上的特征点坐标的中点的坐标，利用该中点坐标和转化关系，可得到该中点与过渡工具坐标系原点之间的偏差量，通过在过渡工具坐标系原点加上该偏差量，以确定新的工具坐标系，并根据该工具坐标系引导机械臂的定位，当需要进行下一次引导定位时，将当前正在使用的工具坐标系作为过渡工具坐标系，再次进行转化关系、偏差量的计算，以重新确定新的工具坐标系，如此，即可在机械臂作业过程中，始终使工具坐标系与工件旋转中心保持一致，从而消除工具坐标系原点与工件旋转中心的误差，结果精度不再依赖于操作人员水平，有效提高手眼标定精度，且操作更为简单，提高作业效率。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明各坐标系的示意图。
图2为本发明的流程图。
其中，1、机械臂；2、工具坐标系；3、工件坐标系；4、相机坐标系；5、机器人Base坐标系。
具体实施方式
如图1和图2所示，基于重建坐标系的手眼标定方法包括如下步骤：
A、在被拍摄工件表面确定一清晰特征点，在本实施例中，在被拍摄工件表面粘贴有一标志物，该标志物上打印有圆形图案，特征点即为该圆形图案的圆心；在其他实施例中，也可直接在被拍摄工具表面确定特征点，如十字交叉线的交点；
B、通过机械臂的TCP四点标定法建立一个过渡工具坐标系，使该过渡工具坐标系的原点基本与特征点重合，并根据过渡工具坐标系建立一个工件坐标系，该工件坐标系的方向与机械臂的Base坐标系方向一致；TCP四点标定法为现有技术，而TCP四点标定法无法做到使过渡工具坐标系原点与特征点完全重合，因此只能尽量使过渡工具坐标系的原点与特征点重合，再者，此处也无需使过渡工具坐标系原点与特征点必须重合，因通过后续步骤处理后的新工具坐标系才能做到这一点，此处的过渡工具坐标系是先作为一个基础；机械臂的Base坐标系的方向则是已知的；
C、控制机械臂使用过渡工具坐标系在工件坐标系z＝0的平面上移动九个位置，控制设置在机械臂上的相机分别在九个位置采集包含特征点的图像，并分别提取各图像上的特征点坐标，通过各位置坐标和各标志物特征点坐标，计算图像坐标系与工件坐标系的转化关系；其中，九个位置的x、y坐标分别为：(-a，-a)、(-a，0)、(-a，a)、(0，-a)、(0，0)、(0，a)、(a，-a)、(a，0)、(a，a)，其中，a的取值与标志物大小和相机视野有关，在本实施例中，相机视野为80mm*80mm，所述标志物大小为20mm*20mm，a取值为20mm；提取图像的特征点坐标为现有技术，在本实施例中，即提取圆心的坐标，包括提取边界、拟合圆和获得圆心的步骤，所谓图像坐标系即为图像像素坐标系，特征点坐标即为特征点在图像上的像素坐标；
计算转化关系[R M]的具体公式为：其中，(x,y)为各位置在工件坐标系上的xy坐标，(u,v)为各标志物特征点的图像坐标系行列坐标，R为旋转矩阵，M为平移矩阵；
D、控制机械臂围绕工件坐标系z＝0平面的(0,0)分别旋转差值为180°的第一角度和第二角度，控制相机分别在第一角度和第二角度拍摄第一旋转图像和第二旋转图像，并分别计算第一旋转图像上的特征点坐标A和第二旋转图像上的特征点坐标B，并计算坐标A与坐标B的中点C的坐标；在本实施例中，第一角度为顺时针旋转90°，第二角度为顺时针旋转270°；
E、根据所述的转化关系，计算中点C在工件坐标系下的坐标(Dx,Dy)，再将工件坐标系旋转至与过渡工具坐标系方向一致，并计算C点与过渡工具坐标系原点之间的偏差量
其中，Tx为新的工具坐标系与过渡工具坐标系的x方向的偏差量，Ty为新的工具坐标系与过渡工具坐标系的y方向的偏差量，Tz为新的工具坐标系与过渡工具坐标系的z方向的偏差量，θx为机械臂Base坐标x轴欧拉角，θy为机械臂Base坐标y轴欧拉角，θz为机械臂Base坐标Z轴欧拉角；
理论情况下，特征点坐标A和特征点坐标B应为同一点，但因为过渡工具坐标系原点与工件旋转中心不重合，因此特征点坐标A和特征点坐标B均与(0,0)有一定的差距，又因第一角度和第二角度差值为180°，因此利用坐标A和坐标B的中点C即为实际的工件旋转中心，也为新的工具坐标系的原点；
F、重建新的工具坐标系，该新工具坐标系的原点为过渡工具坐标系原点加上步骤E计算的偏差量，并使新工具坐标系与机械臂法兰盘工具坐标系方向一致，根据该新工具坐标系引导机械臂的定位；其中，机械臂法兰盘工具坐标系方向是已知的；
G、进行下一次引导定位时，将步骤F所述的新工具坐标系作为过渡工具坐标系，并进入步骤C。
基于重建坐标系的手眼标定装置，包括：
特征点确定模块：用于在被拍摄工件表面确定一清晰特征点；
过渡工具坐标系确定模块：用于通过机械臂的TCP标定法建立一个过渡工具坐标系，使该过渡工具坐标系的原点尽量与特征点重合，并根据过渡工具坐标系建立一个工件坐标系，该工件坐标系的方向与机械臂的Base坐标系方向一致；
转化关系确定模块：用于控制机械臂使用过渡工具坐标系在工件坐标系z＝0的平面上移动九个位置，控制设置在机械臂上的相机分别在九个位置采集包含特征点的图像，并分别提取各图像上的特征点坐标，通过各位置坐标和各标志物特征点坐标，计算图像坐标系与工件坐标系的转化关系；
偏差量确定模块：用于控制机械臂围绕工件坐标系z＝0平面的(0,0)分别旋转差值为180°的第一角度和第二角度，控制相机分别在第一角度和第二角度拍摄第一旋转图像和第二旋转图像，并分别计算第一旋转图像上的特征点坐标A和第二旋转图像上的特征点坐标B，并计算坐标A与坐标B的中点C的坐标；根据所述的转化关系，计算中点C在工件坐标系下的坐标(Dx,Dy)，再将工件坐标系旋转至与过渡工具坐标系方向一致，并计算C点与过渡工具坐标系原点之间的偏差量
其中，θx为机械臂Base坐标x轴欧拉角，θy为机械臂Base坐标y轴欧拉角，θz为机械臂Base坐标Z轴欧拉角；
新工具坐标系确定模块：用于重建新的工具坐标系，该新工具坐标系的原点为过渡工具坐标系原点加上步骤E计算的偏差量，并使新工具坐标系与机械臂法兰盘工具坐标系方向一致，根据该新工具坐标系引导机械臂的定位；
定位更新模块：用于在进行下一次引导定位时，将在使用的新工具坐标系作为过渡工具坐标系，并通过转化关系确定模块、偏差量确定模块和新工具坐标系确定模块重新建立新的工具坐标系，并使用该新的工具坐标系引导机械臂的定位。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种基于重建坐标系的手眼标定方法，其特征在于：包括如下步骤：
A、在被拍摄工件表面确定一清晰特征点；
B、通过机械臂的TCP标定法建立一个过渡工具坐标系，使该过渡工具坐标系的原点基本与特征点重合，并根据过渡工具坐标系建立一个工件坐标系，该工件坐标系的方向与机械臂的Base坐标系方向一致；
C、控制机械臂使用过渡工具坐标系在工件坐标系z＝0的平面上移动九个位置，控制设置在机械臂上的相机分别在九个位置采集包含特征点的图像，并分别提取各图像上的特征点坐标，通过各位置坐标和各标志物特征点坐标，计算图像坐标系与工件坐标系的转化关系；
D、控制机械臂围绕工件坐标系z＝0平面的(0,0)分别旋转差值为180°的第一角度和第二角度，控制相机分别在第一角度和第二角度拍摄第一旋转图像和第二旋转图像，并分别计算第一旋转图像上的特征点坐标A和第二旋转图像上的特征点坐标B，并计算坐标A与坐标B的中点C的坐标；
E、根据所述的转化关系，计算中点C在工件坐标系下的坐标(Dx,Dy)，再将工件坐标系旋转至与过渡工具坐标系方向一致，并计算C点与过渡工具坐标系原点之间的偏差量
其中，θx为机械臂Base坐标x轴欧拉角，θy为机械臂Base坐标y轴欧拉角，θz为机械臂Base坐标Z轴欧拉角；
F、重建新的工具坐标系，该新的工具坐标系的原点为过渡工具坐标系原点加上步骤E计算的偏差量，并使新工具坐标系与机械臂法兰盘工具坐标系方向一致，根据该新工具坐标系引导机械臂的定位；
G、进行下一次引导定位时，将步骤F所述的新工具坐标系作为过渡工具坐标系，并进入步骤C。
2.根据权利要求1所述的一种基于重建坐标系的手眼标定方法，其特征在于：所述步骤C中，所述九个位置的x、y坐标分别为：(-a，-a)、(-a，0)、(-a，a)、(0，-a)、(0，0)、(0，a)、(a，-a)、(a，0)、(a，a)，其中，a的取值与标志物大小和相机视野有关。
3.根据权利要求1所述的一种基于重建坐标系的手眼标定方法，其特征在于：所述步骤A中，所述特征点为圆心或者十字交叉线交点。
4.根据权利要求1所述的一种基于重建坐标系的手眼标定方法，其特征在于：所述步骤A中，所述被拍摄工件表面粘贴有一标志物，该标志物上打印有圆形图案或者十字交叉线，所述特征点为该圆形图案的圆心或者十字交叉线交点。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于重建坐标系的手眼标定方法，其特征在于：所述步骤D中，第一角度为顺时针旋转90°，第二角度为顺时针旋转270°。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于重建坐标系的手眼标定方法，其特征在于：所述步骤C中，通过以下公式计算所述转化关系[R M]:
其中，(x,y)为各位置在工件坐标系上的xy坐标，(u,v)为各标志物特征点的图像坐标系行列坐标，R为旋转矩阵，M为平移矩阵。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于重建坐标系的手眼标定方法，其特征在于：所述步骤B中，通过机械臂的TCP标定四点法建立过渡工具坐标系。
8.根据权利要求2所述的一种基于重建坐标系的手眼标定方法，其特征在于：所述相机视野为80mm*80mm，所述标志物大小为20mm*20mm，a取值为20mm。
9.一种基于重建坐标系的手眼标定装置，其特征在于：包括：
特征点确定模块：用于在被拍摄工件表面确定一清晰特征点；
过渡工具坐标系确定模块：用于通过机械臂的TCP标定法建立一个过渡工具坐标系，使该过渡工具坐标系的原点尽量与特征点重合，并根据过渡工具坐标系建立一个工件坐标系，该工件坐标系的方向与机械臂的Base坐标系方向一致；
转化关系确定模块：用于控制机械臂使用过渡工具坐标系在工件坐标系z＝0的平面上移动九个位置，控制设置在机械臂上的相机分别在九个位置采集包含特征点的图像，并分别提取各图像上的特征点坐标，通过各位置坐标和各标志物特征点坐标，计算图像坐标系与工件坐标系的转化关系；
偏差量确定模块：用于控制机械臂围绕工件坐标系z＝0平面的(0,0)分别旋转差值为180°的第一角度和第二角度，控制相机分别在第一角度和第二角度拍摄第一旋转图像和第二旋转图像，并分别计算第一旋转图像上的特征点坐标A和第二旋转图像上的特征点坐标B，并计算坐标A与坐标B的中点C的坐标；根据所述的转化关系，计算中点C在工件坐标系下的坐标(Dx,Dy)，再将工件坐标系旋转至与过渡工具坐标系方向一致，并计算C点与过渡工具坐标系原点之间的偏差量
其中，θx为机械臂Base坐标x轴欧拉角，θy为机械臂Base坐标y轴欧拉角，θz为机械臂Base坐标Z轴欧拉角；
新工具坐标系确定模块：用于重建新的工具坐标系，该新工具坐标系的原点为过渡工具坐标系原点加上步骤E计算的偏差量，并使新工具坐标系与机械臂法兰盘工具坐标系方向一致，根据该新工具坐标系引导机械臂的定位；
定位更新模块：用于在进行下一次引导定位时，将在使用的新工具坐标系作为过渡工具坐标系，并通过转化关系确定模块、偏差量确定模块和新工具坐标系确定模块重新建立新的工具坐标系，并使用该新的工具坐标系引导机械臂的定位。
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