CN108818536A - 一种机器人手眼标定的在线偏移修正方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机器人手眼标定的在线偏移修正方法及装置，该方法包括：获取标定板上九个圆的圆心在相机坐标系和基坐标系的坐标值，建立标定板上每个圆的圆心从相机坐标系到机器人基坐标系的变换方程，通过每个圆的偏移坐标，采用最小二乘法计算出相机坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵；依据标定的相机坐标系相对基坐标系的位姿值，利用向量二范数公式对标定板上九个圆的偏移修正标定结果的误差，分析评价其精度。本发明针对机器人手眼标定过程的偏移进行了修正，可实现生产线上灵活、精确、快速调整，能实现高重复度且精准的抓取操作，可应用于SCARA机器人手眼装置的操作中，简单高效精确度高。
Description
技术领域
本发明属于机器视觉技术领域，更具体地涉及一种机器人手眼标定的在线偏移修正方法及装置。
背景技术
随着人工智能技术的发展，机器人的应用越来越广泛。例如：四轴SCARA工业机器人被广泛地应用于生产线的抓取作业，其对机器人手眼标定精度的要求也越来越高。在目前的机器人手眼标定方法中，大多数情况会出现相机采集的图像标定点在机器人工作空间中，而实际自动化产线中会存在相机采集图像的标定点不在机器人工作空间中，标定点需要经过运动才能到达机器人的工作空间中的情况，即手眼标定存在偏移问题。另外，机器人实际安装过程存在基坐标系的偏转问题，同样也会降低机器人手眼标定的精度。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种机器人手眼标定的在线偏移修正方法及装置。
其技术方案如下：本方法包括以下步骤；
S1：数据获取阶段，获取标定板上九个圆的圆心在相机坐标系和基坐标系的坐标值，利用相机和图像处理算法获得其在相机坐标系的坐标值，从示教器中读取其相应在机器人基坐标系的坐标值。
S2：偏移修正阶段，建立标定板上每个圆的圆心从相机坐标系到机器人基坐标系的变换方程，通过每个圆的偏移坐标，采用最小二乘法计算出相机坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵。
S3：精度检验阶段，检验该标定方法的精度，依据标定的相机坐标系相对基坐标系的位姿值，利用向量二范数公式对标定板上九个圆的偏移修正标定结果的误差，分析评价其精度。
优选地，S1数据获取包括以下步骤：
S1.1：启动传动带，带动标定板在传送带上运行。
S1.2：当标定板运动到相机下方的P点时，相机采集标定板的图像；并将图像传至图像处理器，图像处理器利用图像处理算法获得标定板上九个圆的圆心在相机坐标系OlXlYl的坐标值。
S1.3：当标定板随传送带运动到工业机器人工作空间的P’点时，从与工业机器人电连接的示教器中读取标定板上九个圆的圆心在机器人基坐标系ObXbYb的坐标值。
优选地，S2偏移修正包括以下步骤：
S2.1：标定板在P点时，建立标定板上九个圆的圆心从相机坐标系OlXlYl到机器人基坐标系ObXbYb的变换方程，表示为第一公式：
式中，为相机坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵，CPi为标定板上圆的圆心在相机坐标系的坐标值，BPi为标定板上圆的圆心在机器人基坐标系的坐标值。
S2.2：标定板在P′点时，通过编码器读取从P点到P′点标定板平移的距离Δxb＝|PP′|，通过下式计算出机器人安装位置的偏转角度θ，
其中，yk+1,yk分别为标定板水平方向(X轴)上相邻两个圆在机器人基坐标系Y方向的坐标值；
进一步得到标定板在P点和P′点的偏移关系，表示为第二公式：
式中，X′b,Y′b分别为P′点在机器人基坐标系的X和Y方向坐标值；Xb,Yb分别为P点在机器人基坐标系的X和Y方向坐标值，
根据上述第二公式以及标定板在P′点时与工业机器人电连接的示教器中读取的9个圆心坐标推导出标定板在P点时，每个圆的圆心在机器人基坐标系的坐标值。
S2.3：将步骤S2.2中根据机器人安装位置偏差推导出来P点时标定板的9个圆心在机器人基坐标系中的坐标值以及步骤S1.2利用图像处理算法获得标定板上九个圆的圆心在相机坐标系中的坐标值带入上述第一公式组成九个变换方程，对九个变换方程组成的方程组进行最小二乘法求解，得到相机坐标系相对于机器人基坐标系的变换矩阵
优选地，S3精度检验包括以下步骤：
S3.1：根据计算得到的相机坐标系相对于机器人基坐标系的变换矩阵利用向量二范数公式对标定板上九个圆的偏移修正标定结果的误差。
S3.2：分析标定结果误差，评价机器人手眼标定在线偏移修正方法的精度。
同时，本发明提供了一种机器人手眼标定的在线偏移修正实现装置，所述装置包括传送带，所述传送带的一侧上方固定安装有支架，所述支架的顶端固定安装有相机，所述相机与图像处理器电连接，所述传送带的另一侧固定安装有工业机器人，所述工业机器人固定在机器人底座上，工业机器人的末端法兰盘上固定有标定顶尖，标定板放置在传送带上，可随传送带运动，所述工业机器人与示教器电连接。
本发明产生的有益效果是：本发明在数据获取阶段利用相机和图像处理算法获得标定板圆心在相机坐标系的坐标值，从示教器中读取其相应在机器人基坐标系的坐标值，获取数据准确方便；在偏移修正阶段，建立标定板上每个圆的圆心从相机坐标系到机器人基坐标系的变换方程，通过每个圆的偏移坐标，采用最小二乘法计算出相机坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵，表达式简单且计算速度快；在精度检验阶段，依据标定的基坐标系相对相机坐标系的位姿值，利用向量二范数公式检验该标定方法的精度，标定精度相对较高，基于该精度对机器人手眼标定过程中产生的偏移进行在线修正，可实现生产线上灵活、精确、快速调整，能实现高重复度且精准的抓取操作，可应用于SCARA机器人手眼装置的操作中，简单高效精确度高。
附图说明
图1是本发明实施例的机器人手眼标定的在线偏移修正方法流程图；
图2是本发明实施例的机器人手眼标定的在线偏移修正方法的装置结构图；
附图中，各附图标记所代表的部件列表如下：
1、标定板，2、相机，3、支架，4、标定顶尖，5、工业机器人，6、机器人底座，7、传送带。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种机器人手眼标定的在线偏移修正方法，包括数据获取、偏移修正、精度检验三个阶段。具体如下：
S1：数据获取阶段，获取标定板上九个圆的圆心在相机坐标系和基坐标系的坐标值，利用相机和图像处理算法获得其在相机坐标系的坐标值，从示教器中读取其相应在机器人基坐标系的坐标值。
S2：偏移修正阶段，建立标定板上每个圆的圆心从相机坐标系到机器人基坐标系的变换方程，通过每个圆的偏移坐标，采用最小二乘法计算出相机坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵。
S3：精度检验阶段，检验该标定方法的精度，依据标定的相机坐标系相对基坐标系的位姿值，利用向量二范数公式对标定板上九个圆的偏移修正标定结果的误差，分析评价其精度。
本发明中，S1数据获取包括以下步骤：
S1.1：启动传动带，带动标定板在传送带上运行。
S1.2：当标定板运动到相机下方的P点时，相机采集标定板的图像；并将图像传至图像处理器，图像处理器利用图像处理算法获得标定板上九个圆的圆心在相机坐标系OlXlYl的坐标值。
S1.3：当标定板随传送带运动到工业机器人工作空间的P’点时，从与工业机器人电连接的示教器中读取标定板上九个圆的圆心在机器人基坐标系ObXbYb的坐标值。
本发明中，S2偏移修正包括以下步骤：
S2.1：标定板在P点时，建立标定板上九个圆的圆心从相机坐标系OlXlYl到机器人基坐标系ObXbYb的变换方程：
式中，为相机坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵，CPi为标定板上圆的圆心在相机坐标系的坐标值，BPi为标定板上圆的圆心在机器人基坐标系的坐标值。
S2.2：标定板在P′点时，通过编码器读取从P点到P′点标定板平移的距离Δxb＝|PP′|，通过下式计算出机器人安装位置的偏转角度θ，
其中，yk+1,yk分别为标定板水平方向(X轴)上相邻两个圆在机器人基坐标系Y方向的坐标值；
进一步得到标定板在P点和P′点的偏移关系为如下第一公式：
式中，X′b,Y′b分别为P′点在机器人基坐标系的X和Y方向坐标值；Xb,Yb分别为P点在机器人基坐标系的X和Y方向坐标值，
根据上述第一公式以及标定板在P′点时与工业机器人电连接的示教器中读取的9个圆心坐标推导出标定板在P点时，每个圆的圆心在机器人基坐标系的坐标值。
S2.3：将步骤S2.2中根据机器人安装位置偏差推导出来P点时标定板的9个圆心在机器人基坐标系中的坐标值以及步骤S1.2利用图像处理算法获得标定板上九个圆的圆心在相机坐标系中的坐标值带入上述第一公式组成九个变换方程，对九个变换方程组成的方程组进行最小二乘法求解，得到相机坐标系相对于机器人基坐标系的变换矩阵
本发明中，S3精度检验包括以下步骤：
S3.1：根据计算得到的相机坐标系相对于机器人基坐标系的变换矩阵利用向量二范数公式对标定板上九个圆的偏移修正标定结果的误差。
S3.2：分析标定结果误差，评价机器人手眼标定在线偏移修正方法的精度。
如图2所示，其提供了一种机器人手眼标定的在线偏移修正方法的实现装置，所述装置包括传送带7，所述传送带7的一侧上方固定安装有支架3，所述支架3的顶端固定安装有相机2，所述相机2与图像处理器电连接，所述传送带7的另一侧固定安装有工业机器人5，所述工业机器人5固定在机器人底座6上，工业机器人2的末端法兰盘上固定有标定顶尖4，标定板1放置在传送带7上，可随传送带运动，所述工业机器人5与示教器电连接。
下面选用四自由度SCARA工业机器人，有9个标定圆且相邻圆的圆心在X和Y方向的间距分别为55mm和40mm的标定板为例来说明本发明的效果。
启动传动带7，使传动带7带动标定板1运动，当标定板1运动至相机2下方的P点时，相机2采集标定板1的图像；并将采集到的图像传送至图像处理器，图像处理器利用OpenCV库函数对相机2采集的标定板图像进行圆心检测计算获得标定板上九个圆的圆心在相机坐标系OlXlYl的坐标值；当标定板1运动到工业机器人5工作空间的P’点时，从与工业机器人5电连接示教器中读取标定板上九个圆的圆心在机器人基坐标系ObXbYb的坐标值。
计算上述标定板中9个圆的圆心坐标从相机坐标系到机器人基坐标系的变换方程。计算过程主要通过建立标定板上每个圆的圆心从相机坐标系到机器人基坐标系的变换方程，通过每个圆的偏移坐标，采用最小二乘法通过编写C++程序计算出相机坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵 依据标定的基坐标系相对相机坐标系的位姿值，利用向量二范数公式检验该标定方法的精度为0.38mm。
本领域的技术人员容易理解，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 (5)
1.一种机器人手眼标定的在线偏移修正方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.数据获取阶段：
S1.1.启动传动带，带动标定板在传送带上运行；
S1.2.当标定板运动到相机下方的P点时，相机采集标定板的图像；并将图像传至图像处理器，图像处理器利用图像处理算法获得标定板上九个圆的圆心在相机坐标系OlXlYl的坐标值；
S1.3.当标定板随传送带运动到工业机器人工作空间的P’点时，从与工业机器人电连接的示教器中读取标定板上九个圆的圆心在机器人基坐标系ObXbYb的坐标值；
S2.偏移修正阶段：
S2.1.标定板在P点时，建立标定板上九个圆的圆心从相机坐标系OlXlYl到机器人基坐标系ObXbYb的变换方程，表示为第一公式：
式中，为相机坐标系相对于机器人基坐标系的齐次变换矩阵，CPi为标定板上圆的圆心在相机坐标系的坐标值，BPi为标定板上圆的圆心在机器人基坐标系的坐标值；
S2.2.标定板在P′点时，通过编码器读取从P点到P′点标定板平移的距离Δxb＝|PP′|，通过下式计算出机器人安装位置的偏转角度θ，
其中，yk+1,yk分别为标定板水平方向(X轴)上相邻两个圆在机器人基坐标系Y方向的坐标值；
进一步得到标定板在P点和P′点的偏移关系为如下第二公式：
式中，X′b,Y′b分别为P′点在机器人基坐标系的X和Y方向坐标值；Xb,Yb分别为P点在机器人基坐标系的X和Y方向坐标值，
根据上述第二公式以及标定板在P′点时与工业机器人电连接的示教器中读取的9个圆心坐标推导出标定板在P点时，每个圆的圆心在机器人基坐标系的坐标值；
S2.3.将步骤S2.2中根据机器人安装位置偏差推导出来P点时标定板的9个圆心在机器人基坐标系中的坐标值以及步骤S1.2利用图像处理算法获得标定板上九个圆的圆心在相机坐标系中的坐标值带入上述第一公式组成九个变换方程，对九个变换方程组成的方程组进行最小二乘法求解，得到相机坐标系相对于机器人基坐标系的变换矩阵
S3.精度检验阶段，检验该标定方法的精度，依据标定的相机坐标系相对基坐标系的位姿值，利用向量二范数公式对标定板上九个圆的偏移修正标定结果的误差，分析评价其精度。
2.根据权利要求1所述的一种机器人手眼标定的在线偏移修正方法，其特征在于：所述S3精度检验阶段具体包括以下步骤：
S3.1.根据计算得到的相机坐标系相对于机器人基坐标系的变换矩阵利用向量二范数公式对标定板上九个圆的偏移修正标定结果的误差；
S3.2.分析标定结果误差，评价机器人手眼标定在线偏移修正方法的精度。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种机器人手眼标定的在线偏移修正方法，其特征在于：所选取的工业机器人只限于四轴SCARA机器人。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种机器人手眼标定的在线偏移修正方法的实现装置，其特征在于：所述装置包括传送带(7)，所述传送带(7)的一侧上方固定安装有支架(3)，所述支架(3)的顶端固定安装有相机(2)，所述相机(2)与图像处理器电连接，所述传送带(7)的另一侧固定安装有工业机器人(5)，所述工业机器人(5)固定在机器人底座(6)上，工业机器人(2)的末端法兰盘上固定有标定顶尖(4)，标定板(1)放置在传送带(7)上，随传送带运动，所述工业机器人(5)与示教器电连接。
5.根据权利要求4所述的实现装置，其特征在于：所选取的工业机器人只限于四轴SCARA机器人。
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