基于彩色球形光源靶标的机械臂末端位姿测量系统及方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109443206A(43)申请公布日2019.03.08(21)申请号201811332218.1(22)申请日2018.11.09(71)申请人山东大学地址250061山东省济南市历下区经十路17923号(72)发明人蒋奇马一凡(74)专利代理机构济南圣达知识产权代理有限公司37221代理人李琳(51)Int.Cl.G01B11/00(2006.01)G01B11/26(2006.01)权利要求书3页说明书9页附图2页(54)发明名称基于彩色球形光源靶标的机械臂末端位姿测量系统及方法(57)摘要本发明公开了一种基于彩色球形光源靶标的机械臂末端位姿测量系统及方法，包包括彩色球形光源靶标、光源控制模块、固定安装相机、计算机、机械臂和靶标标定系统，彩色球形光源靶标包括四个相互垂直相交的支杆，每个支杆的端部均设置有一组光源，每组光源至少包括一个定位中心，以及沿所述定位中心分布的三个光源，12个光源颜色不同，光源是球形；支杆安装在机械臂上，随机械臂的移动而移动；靶标标定系统用于计算光源靶标在机械臂末端坐标系位置；固定安装相机采集机械臂末端运动图像；计算机进行图像相减、颜色校正、靶标识别、位姿解算，得到机械臂末端在相机坐标系的位姿。CN109443206ACN109443206A权利要求书1/3页1.一种基于彩色球形光源靶标的机械臂末端位姿测量系统，其特征是：包括彩色球形光源靶标、光源控制模块、固定安装相机、计算机、机械臂和靶标标定系统，其中：所述彩色球形光源靶标包括两个相互垂直相交的支杆，每个支杆的两个端部均设置有一组光源，每组光源至少包括一个定位中心，以及沿所述定位中心分布的三个不同颜色的光源；所述支杆设置于机械臂上，随机械臂的移动而移动；所述光源控制模块用于控制光源靶标打开和关闭，与计算机连接；所述固定安装相机采集机械臂末端运动图像，与计算机连接；所述计算机用于处理相机采集的图像，进行图像处理，计算机械臂末端位姿，所述计算机通过光源控制模块控制光源打开和关闭；所述靶标标定系统用于计算靶标在机械臂末端坐标系的位置，靶标标定系统出厂或第一次使用时进行一次计算即可。2.如权利要求1所述的一种基于彩色球形光源靶标的机械臂末端位姿测量系统，其特征是：所述固定安装相机为一个相机组成单目视觉或两个相机组成双目视觉进行位姿测量。3.如权利要求1所述的一种基于彩色球形光源靶标的机械臂末端位姿测量系统，其特征是：所述靶标标定系统采用手眼标定的方式计算光源靶标在机械臂末端坐标系位置。4.如权利要求1-3中任一项所述的测量系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：测量系统出厂或第一次使用时，在自然光环境下确定固定安装相机图像中颜色校正板区域位置；测量系统出厂或第一次使用时标定靶标在机械臂末端坐标系位置；固定安装相机标定；分别在关闭靶标光源与打开靶标光源状态采集至少一幅图像；靶标光源打开前后的图像相减得到光源靶标图像；对采集的图像进行颜色校正；结合颜色和靶标圆形形状识别出光源靶标，计算靶标图像的重心作为光源球心；判断当前图像中靶标数量，若靶标数量大于等于3，则计算靶标特征点在相机坐标系的位置，根据靶标特征点在机械臂末端坐标系和相机坐标系的位置，计算机械臂末端坐标系在相机坐标系的旋转平移矩阵以及位置和姿态角；否则重新采集图像。5.如权利要求4中的工作方法，其特征是：靶标标定系统计算靶标在机械臂末端坐标系位置具体步骤如下：首先确定手眼相机图像中颜色校正板区域位置；单目视觉方式：在机械臂末端上放置相机，标定相机内参数，通过手眼标定计算相机坐标系和机械臂末端坐标系的旋转平移矩阵，通过单目视觉方式计算出每个光源靶标在手眼相机坐标系位置，计算靶标在机械臂末端坐标系的位置；双目视觉方式：在机械臂末端上放置两个相机构成双目视觉，标定两个相机内参数和外参数，通过手眼标定计算其中一个相机的相机坐标系和机械臂末端坐标系的旋转平移矩阵，通过双目视觉方式计算出每个光源靶标在上述相机坐标系位置，计算靶标在机械臂末端坐标系的位置。2CN109443206A权利要求书2/3页6.如权利要求4中的工作方法，其特征是：关闭靶标光源时采集的图像A，打开靶标光源时采集的图像B，图像B减去图像A得到图像C，根据图像C确定靶标区域，令图像C中靶标区域值是1，非靶标区域值是0，与图像B对应坐标像素值相乘，即得到光源靶标图像。7.如权利要求4中的工作方法，其特征是：对采集的图像进行颜色校正的具体过程包括：(1)在工作环境中，相机采集图像，计算颜色校正板区域图像的各个颜色通道平均值Ravg、Gavg和Bavg；(2)对采集的图像R、G和B通道进行如下运算：r＝Ri/Ravg；g＝Gi/Gavg；b＝Bi/Bavg，Ri、Gi和B