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TWI706841B - ３ｄ相機與機械手臂座標系統的校正裝置及方法 - Google Patents

３ｄ相機與機械手臂座標系統的校正裝置及方法 Download PDF

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TWI706841B
TWI706841B TW108110367A TW108110367A TWI706841B TW I706841 B TWI706841 B TW I706841B TW 108110367 A TW108110367 A TW 108110367A TW 108110367 A TW108110367 A TW 108110367A TW I706841 B TWI706841 B TW I706841B
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point cloud
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黃鐘賢
黃識忠
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達明機器人股份有限公司
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Abstract

一種3D相機與機械手臂座標系統的校正裝置及方法，利用3D相機攝取三平板校正裝置的點雲圖，根據相鄰點雲的相同Z值差度與向量夾角，劃分及排除點雲群，形成三個平面點雲群，以最小平方法建構三個平面方程式，並計算三個平面方程式的交點，作為外部參數校正的定位點。

Description

3D相機與機械手臂座標系統的校正裝置及方法
本發明有關一種機器手臂，尤其關於利用校正裝置，校正機器手臂與3D相機相對座標系統的方法。
隨著人工智慧的快速發展，工廠利用設置3D(3-Dimensional)相機，使機器手臂自動化進行加工組裝製造作業，以提高工廠生產效率。而3D相機的座標系統與機器手臂的座標系統正確的相對關係，影響工廠生產的精密性。
如圖7所示，為先前技術機器手臂與3D相機的校正。機器手臂1在基座2形成手臂座標系統R，並在機器手臂1的工作環境中安裝3D相機3，形成相機座標系統C，以進行人工智慧的自動化組裝製造。相機座標系統C與手臂座標系統R進行校正時，需要一個校正裝置4讓3D相機3進行辨識定位。安裝3D相機3時，先將校正裝置4設置在機器手臂1的工作環境，且讓校正裝置4出現在3D相機3的視野內。
3D相機3又稱為深度(Depth)相機，根據原理不同，可能會同時帶有RGB彩色資訊或單色灰階資訊等2D資訊供辨識定位校正裝置4。假如3D相機3不帶有彩色資訊，或2D資訊不足以進行精準辨識定位時，則會以校 正裝置4形狀的3D資訊進行校正。校正裝置4的形狀3D資訊為深度圖(Depth Map)或點雲圖(Point Cloud)兩種位置資訊，深度圖與點雲圖可以透過相機的內部參數進行換算，實質上屬於相同的3D資訊。3D相機3攝取校正裝置4的3D資訊，形成校正裝置4在相機座標系統C的空間位置資訊。分析校正裝置4的形狀特徵，利用外形上容易辨識的邊緣角點，作為機器手臂1與3D相機2校正的定位點K1-K5。當已知定位點K1-K5在相機座標系統C的座標下，只要將機器手臂1上的工具中心點5接觸定位點K1-K5，即可經由機器手臂1移動工具中心點5在手臂座標系統R的座標，校正手臂座標系統R與相機座標系統C。
然而，前述先前技術進行座標系統校正時，因為3D相機3的3D資訊，通常在中間部位較為精確，並無法得到精準的校正裝置4邊緣位置資訊，且當校正裝置4的表面斜率變化較大時，邊緣位置資訊的精度亦會跟著下降，致使位在邊緣角點的定位點K1-K5的精度較差，若僅使用3D資訊進行校正，並無法獲得良好的機器手臂與3D相機間的座標轉換關係。因此，3D相機與機械手臂座標在校正的方法上，仍有問題亟待解決
本發明的目的提供一種3D相機與機械手臂座標的校正裝置，在校正裝置上設置相對位置固定及相互分離不平行的三平板，且三平板延伸的三個平面相交於一點，作為校正定位點，以提升校正的精準度。
本發明的另一目的提供一種3D相機與機械手臂座標的校正方法，利用3D相機的點雲3D資訊，根據相鄰點雲的Z值差度與向量夾角，劃分點雲群形成三個平面，以避免邊緣誤差。
本發明的另一目的提供一種3D相機與機械手臂座標的校正方法，由三個點雲群平面，利用最小平方法建構三個平面方程式，計算三個平面方程式的交點，作為校正定位點，以提高定位點的正確性。
為了達到前述發明的目的，本發明的3D相機與機械手臂座標系統的校正裝置，在座架上設置相對位置固定及相互分離不平行的三平板，且讓三平板延伸的三個空間平面相交於一點，作為外部參數校正的定位點。
本發明的3D相機與機械手臂座標系統的校正方法，將三平板的校正裝置放置在機器手臂工作環境及3D相機的視野，藉3D相機攝取校正裝置的3D資訊，利用3D資訊點雲圖或深度圖，計算各相鄰點雲的Z值差距及向量夾角，根據相同Z值差距及向量夾角將點雲分群，排除較少量的點雲群，形成三個平面點雲群，以最小平方法建立三個平面方程式，利用三平面交點公式計算三個平面方程式的交點，將交點作為外部參數校正的定位點。
本發明在建立定位點後，可將校正裝置固定在機械手臂上，使校正裝置與機械手臂維持相對固定的位置關係，再控制機械手臂驅動校正裝置在3D相機視野中移動數點，藉3D相機獲得各定位點相對在相機座標系統中的座標，以進行座標系統校正。
本發明3D相機與機械手臂座標系統的校正方法，利用最小平方法建立的一平面方程式為：z=Ax+By+C
係數
Figure 108110367-A0305-02-0006-1
其中
Figure 108110367-A0305-02-0006-5
是一主平面的點雲群所有點雲座標x值的平均、
Figure 108110367-A0305-02-0006-4
是所有y值的平均、
Figure 108110367-A0305-02-0006-6
是所有z值的平均、
Figure 108110367-A0305-02-0006-7
是所有z和x值相乘的平均、
Figure 108110367-A0305-02-0006-8
是所有z和x值相乘的平均、
Figure 108110367-A0305-02-0006-9
是所有x和y值相乘的平均。
本發明3D相機與機械手臂座標系統的校正方法，改寫三平面的平面方程式，為下列三個平面方程式： a 1 x+b 1 y+c 1 z+d 1 =0
a 2 x+b 2 y+c 2 z+d 2 =0
a 3 x+b 3 y+c 3 z+d 3 =0
再求解三平面交點T，利用三平面交點公式：
Figure 108110367-A0305-02-0006-2
其中Det為
Figure 108110367-A0305-02-0006-3
且 Det≠0
10:機器手臂
11:基座
12:軸節
13:端末部
14:工具
15:致動馬達
16:控制裝置
17:3D相機
20:校正裝置
21:座架
22,23,24:平板
25,27,28:主平面
26:邊緣平面
圖1 為本發明機器手臂與3D相機的校正示意圖。
圖2 為本發明校正裝置的點雲圖。
圖3 為本發明確認點雲群成三個平面的示意圖。
圖4 為本發明形成三個平面方程式交點的校正定位點的示意圖。
圖5 為本發明校正裝置固定在機械手臂的校正示意圖。
圖6 為本發明3D相機與機械手臂座標系統校正方法的流程圖。
圖7 為先前技術3D相機與機械手臂座標系統的校正示意圖。
有關本發明為達成上述目的，所採用之技術手段及其功效，茲舉較佳實施例，並配合圖式加以說明如下。
請同時參圖1、圖2、圖3及圖4，圖1為本發明機器手臂與3D相機的校正示意圖，圖2為本發明校正裝置的點雲圖，圖3為本發明確認點雲群成三個平面的示意圖，圖4為本發明形成三個平面方程式交點的校正定位點的示意圖。圖1中，本發明的機器手臂10一端為固定的基座11，串接多軸節12形成另一端活動的端末部13，端末部13上設工具14，各軸節12設致動馬達15，並連線至控制裝置16。機器手臂10經由控制裝置16控制各軸節12的致動馬達15轉動角度，移動機器手臂10端末部13的工具14。本發明的機器手臂10利用固定的基座11作為基準點，形成機器手臂10的手臂座標系統R。並藉由機器手臂10已知的各軸節12與端末部13的工具14長度，以及控制各肘節12致動馬達15轉動的角度，利用控制裝置16計算出工具14的移動位置，定位工具14在手臂座標系統R的座標，以精確控制移動工具14。
本發明另在機器手臂10的工作環境中安裝3D相機17，3D相機17視窗拍攝的空間自成相機座標系統C，並將3D相機17拍攝的資訊，連線 至控制裝置16進行處理，但是3D相機17的相機座標系統C，相對於機器手臂10的手臂座標系統R的位置關係不明，需要進行相機座標系統C與手臂座標系統R座標間的轉換校正，才能協調統合3D相機17與機器手臂10的作業。
本發明機器手臂10與3D相機17進行校正時，先將校正裝置20設置在機器手臂10的工作環境中，並使校正裝置20出現在3D相機17的視野內。本發明的校正裝置20，在座架21上設置相對位置固定而相互分離不平行的三平板22,23,24，且讓三平板22,23,24延伸的三個空間平面相交於一點，作為外部參數校正的定位點。
由於本發明的校正裝置20的三平板22,23,24延伸三個空間平面相交的定位點為虛擬，必須經由計算取得。首先利用3D相機17攝取校正裝置20的3D資訊，如圖2取得校正裝置20的點雲圖，本實施例雖以點雲圖為例，但包含且不限於點雲圖，深度圖亦可適用。為確認校正裝置20的三平板22,23,24的點雲圖位置，本發明針對3D相機17攝取點雲圖的各點雲，在相機座標系統C中的座標(X,Y,Z)，計算相鄰點雲的Z值差距及向量夾角Θ，其中Z值差距為相鄰點雲在相機座標系統C中的Z軸座標的差距，向量夾角Θ為相鄰點雲構成的位置向量V與3D相機17水平或垂直軸線的夾角。
以平板22的點雲圖舉例說明，圖3中以側面展示平板22的點雲，平板22主平面25上的相鄰點雲Pn-1,Pn,Pn+1，由於3D相機17設定點雲圖的解析度及平板22的主平面25斜率相同，相鄰點雲的Pn-1與Pn，或Pn與Pn+1在相機座標系統C中的Z軸座標的差距△Z0都相同，因此在平板22的同一主平面25上的相鄰點雲的Z值差距均相同。同理由於3D相機17設定點雲圖的解析度及平板22的主平面25斜率相同，平板22主平面25上的相鄰點雲的Pn-1 與Pn，或Pn與Pn+1構成的位置向量V0，方向及大小會相同一致，位置向量V0與3D相機17水平或垂直軸線的夾角Θ0也會相同，因此在平板22的同一主平面25上的相鄰點雲的向量夾角Θ均相同。
至於在平板22邊緣平面26上的相鄰點雲Pk-1，Pk，由於與主平面25斜率不相同，在Z值差距△Z1及位置向量V1的向量夾角Θ1，與主平面25的Z值差距△Z0及向量夾角Θ均不同。因此極易利用相同的Z值差距及向量夾角劃分同類的點雲群，並如圖4所示，排除較少的點雲群，加以區分保留主平面25的點雲群。同理亦可區分保留其他平板23，24的主平面27，28的點雲群。
接著利用各平板22，23，24的主平面25，27，28的點雲群，分別利用習知最小平方法建構各主平面25，27，28的平面方程式。首先設每一平面方程式為：z=Ax+By+C
根據最小平方法，係數
Figure 108110367-A0305-02-0009-10
其中
Figure 108110367-A0305-02-0009-11
是一主平面的點雲群所有點雲座標x值的平均、
Figure 108110367-A0305-02-0009-12
是所有y值的平均、
Figure 108110367-A0305-02-0009-13
是所有z值的平均、
Figure 108110367-A0305-02-0009-14
是所有z和x值相乘的平均、
Figure 108110367-A0305-02-0009-15
是所有z和x值相乘的平均、
Figure 108110367-A0305-02-0009-16
是所有x和y值相乘的平均。
將前述獲得的三個主平面25，27，28的平面方程式，改寫為下列三個平面方程式： a 1 x+b 1 y+c 1 z+d 1 =0
a 2 x+b 2 y+c 2 z+d 2 =0
a 3 x+b 3 y+c 3 z+d 3 =0
再求解三個主平面25，27，28交點T，利用習知三平面交點公式：
Figure 108110367-A0305-02-0010-17
其中Det為
Figure 108110367-A0305-02-0010-18
且 Det≠0
本發明使用3D相機17中間部位最佳精度的3D資訊，計算三個主平面25，27，28的交點T，在相機座標系統C中的座標，作為機器手臂10外部參數校正的定位點。在建立定位點後，舉例說明使用前述定位點的校正方式，但包含且不限於舉例。如圖5為本發明校正裝置固定在機械手臂的校正示意圖。本發明可將校正裝置20的座架21固定在機械手臂10的端末部13上，使校正裝置20與機械手臂10維持已知相對固定的位置關係，則可確定校正裝置20形成的定位點在手臂座標系統R的座標，再控制機械手臂10驅動校正裝置20在3D相機17視野中移動數點，藉3D相機17利用前述定位點的方法，一一獲得各定位點相對在相機座標系統C中的座標，即可達到3D相機17與機器手臂10的座標系統轉換的校正。
如圖6所示，為本發明3D相機與機械手臂座標系統校正方法的流程圖。本發明3D相機與機械手臂座標系統進行校正的詳細步驟如下：在 步驟M1，將三平板的校正裝置放置在機器手臂工作環境及3D相機視野；步驟M2，利用3D相機攝取校正裝置的3D資訊；步驟M3，利用3D資訊中的點雲圖，計算各相鄰點雲的Z值差距及向量夾角；步驟M4，根據相同Z值差距及向量夾角將點雲分群；步驟M5，排除較少量的點雲群，形成三個主平面點雲群；步驟M6，利用最小平方法建立三個平面方程式；步驟M7，利用三平面交點公式計算三個平面方程式的交點；步驟M8，將交點作為外部參數校正的定位點。
因此本發明3D相機與機械手臂座標的校正裝置及方法，在校正裝置上相對位置固定及相互分離不平行的三平板，且三平板延伸的三個平面相交於一點，接著利用3D相機攝取的點雲3D資訊，根據相鄰點雲的相同Z值差度與向量夾角，劃分及排除點雲群，形成三個主平面點雲群，再由三個主平面的點雲群，利用最小平方法建構三個平面方程式，並利用公式計算三個平面方程式的交點，作為校正定位點。由於本發明利用3D相機最佳精度的3D資訊，直接計算定位點，可避免儀器測量的誤差及成本，亦避免選定邊緣形狀特徵的變形誤差，達到提高定位點的正確性的發明目的。
以上所述者，僅為用以方便說明本發明之較佳實施例，本發明之範圍不限於該等較佳實施例，凡依本發明所做的任何變更，於不脫離本發明之精神下，皆屬本發明申請專利之範圍。
11‧‧‧基座
12‧‧‧軸節
13‧‧‧端末部
14‧‧‧工具
15‧‧‧致動馬達
16‧‧‧控制裝置
17‧‧‧3D相機
20‧‧‧校正裝置
21‧‧‧座架
22,23,24‧‧‧平板

Claims (9)

  1. 一種3D相機與機械手臂座標系統的校正裝置，在座架上設置相對位置固定及相互分離不平行的三平板，且讓三平板延伸的三個空間平面相交於一點，作為外部參數校正的定位點。
  2. 一種3D相機與機械手臂座標系統的校正方法，包含：將三平板的校正裝置放置在機器手臂工作環境及3D相機的視野；藉3D相機攝取校正裝置的3D資訊；利用3D資訊點雲圖，計算各相鄰點雲的Z值差距及向量夾角；根據相同Z值差距及向量夾角將點雲分群；排除較少量的點雲群，形成三個平面點雲群；以最小平方法建立三個平面方程式；利用三平面交點公式計算三個平面方程式的交點；將交點作為外部參數校正的定位點。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之3D相機與機械手臂座標系統的校正方法，其中利用3D資訊的深度圖，透過3D相機的內部參數進行換算點雲圖。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之3D相機與機械手臂座標系統的校正方法，其中該Z值差距為相鄰點雲在相機座標系統中的Z軸座標的差距。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之3D相機與機械手臂座標系統的校正方法，其中該向量夾角為相鄰點雲構成的位置向量與3D相機水平或垂直軸線的夾角。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之3D相機與機械手臂座標系統的校正方法，其中利用3D相機設定點雲圖的解析度及平板的同一平面斜率相同，同一平板 的同一平面上相鄰點雲在相機座標系統中的Z軸座標的差距都相同，形成相鄰點雲的Z值差距及向量夾角均相同。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之3D相機與機械手臂座標系統的校正方法，其中該最小平方法建立的一平面方程式為：z=Ax+By+C係數
    Figure 108110367-A0305-02-0014-19
     其中
    Figure 108110367-A0305-02-0014-21
    是一主平面的點雲群所有點雲座標x值的平均、
    Figure 108110367-A0305-02-0014-22
    是所有y值的平均、
    Figure 108110367-A0305-02-0014-23
    是所有z值的平均、
    Figure 108110367-A0305-02-0014-24
    是所有z和x值相乘的平均、
    Figure 108110367-A0305-02-0014-25
    是所有z和x值相乘的平均、
    Figure 108110367-A0305-02-0014-26
    是所有x和y值相乘的平均。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之3D相機與機械手臂座標系統的校正方法，其中改寫三平面的平面方程式，為下列三個平面方程式： a 1 x+b 1 y+c 1 z+d 1 =0 a 2 x+b 2 y+c 2 z+d 2 =0 a 3 x+b 3 y+c 3 z+d 3 =0再求解三平面交點T，利用三平面交點公式：
    Figure 108110367-A0305-02-0014-20
     其中Det為
    Figure 108110367-A0305-02-0015-27
    且 Det≠0。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之3D相機與機械手臂座標系統的校正方法，其中該校正裝置固定在機械手臂上，使校正裝置與機械手臂維持相對固定的位置關係，再控制機械手臂驅動校正裝置在3D相機視野中移動數點，藉3D相機獲得各定位點相對在相機座標系統中的座標，以進行3D相機與機器手臂座標系統校正。
TW108110367A 2019-03-22 2019-03-22 ３ｄ相機與機械手臂座標系統的校正裝置及方法 TWI706841B (zh)

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