基于三维视觉测量的手眼标定方法.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CN111546328A(43)申请公布日2020.08.18(21)申请号202010255925.6(22)申请日2020.04.02(71)申请人天津大学地址300350天津市津南区海河教育园雅观路135号天津大学北洋园校区(72)发明人丁雅斌付津昇黄田刘海涛梅江平田文杰秦旭达(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所12201代理人李素兰(51)Int.Cl.B25J9/16(2006.01)B25J13/08(2006.01)B25J19/00(2006.01)权利要求书3页说明书8页附图2页(54)发明名称基于三维视觉测量的手眼标定方法(57)摘要本发明公开了一种基于三维视觉测量的手眼标定方法，采用眼在手系统(eye-in-hand)配置，将三维视觉传感器固定在机器人末端，通过在不同机器人位姿下测量尺寸已知的标定球即可计算出手眼变换矩阵。主要过程如下：首先将标定球置于机器人的工作空间中；然后驱动机器人末端到达测量位姿，即标定球处于三维视觉传感器的视场内；随后三维视觉传感器测量标定球三维轮廓，并计算球心坐标，完成后机器人末端移动到下一位姿继续测量；最后将多次测量数据和相应机器人位姿数据传送到数据处理系统，通过手眼标定算法即可解算出手眼变换矩阵。该方法操作简单，优化求解过程考虑了手眼标定数据误差，求解精度高，具有很高的工程应用价值。CN111546328ACN111546328A权利要求书1/3页1.基于三维视觉测量的手眼标定方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、数据处理前准备：第一步，连接设备，过程如下：采用眼在手系统，将三维视觉传感器固定在工业机器人的末端，三维视觉传感器通过数据线与数据处理系统相连，数据处理系统与工业机器人的控制器连接并在机器人工作空间内固定一个尺寸已知的标定球；第二步，驱动工业机器人使标定球处于三维视觉传感器的视场内，随后三维视觉传感器测量标定球三维轮廓，三维视觉传感器计算出在三维视觉传感器坐标系下的标定球的球心坐标并将标定球的球心坐标传送到数据处理系统，工业机器人的控制器将与测量标定球球心所对应的机器人末端位姿数据传送到数据处理系统；第三步，工业机器人移动到下一位姿重复第二步，直至采集到足够多的机器人末端位姿数据以及与机器人末端位姿数据相对应的标定球的球心坐标数据；步骤二、当所有的球心坐标数据和机器人末端位姿数据分别传送到数据处理系统后，数据处理系统解算手眼变换矩阵，具体步骤如下：第一步，在机器人基坐标系下表示标定球的球心的多位姿测量结果：pb表示标定球的球心P在机器人基坐标系下的齐次坐标，表示在三维视觉传感器坐标系下对标定球第n次测量获得的球心齐次坐标，是三维视觉传感器坐标系到机器人末端坐标系的坐标变换矩阵，为待求解的未知量，是采用三维视觉传感器对标定球进行第n次测量时，机器人末端坐标系到机器人基坐标系的坐标变换矩阵；第二步，根据公式(1)中的标定球与机器人基坐标几何关系，建立约束方程：第三步，将等式(2)转化为线性方程组：Aix＝bi(3)式中bi＝ti-t1，psi是与对应的非齐次坐标，Ri和ti分别是的旋转变换矩阵和平移量，Rh和th分别是的旋转变换矩阵和平移量，表示克罗内克积，vec()表示向量化运算，如果r1，r2，r3分别是Rh的第一个列向量、第二个列向量，第三个列向量，则T表示转置符号；第四步，建立关于手眼变换参数x的含约束的最小二乘优化模型：2CN111546328A权利要求书2/3页第五步，采用拉格朗日乘子方法对手眼变换参数x进行求解，得到手眼变换参数x:第六步，以三维视觉传感器坐标系的第一个测量的标定球的球心结果作为参考点，建立关于马氏距离误差均方和的目标函数F，如等式(6)、(7)、(8)所示；式中ps1i(Ri,R1,Rh,th)表示三维视觉传感器在第i个机器人位姿下对标定球球心的测量值变换到第一个机器人位姿下的坐标，i＝2,3…n，Σsi表示三维视觉传感器测量标定球球心数据误差的协方差，Σri表示机器人位姿数据中平移量误差的协方差，i＝1,2…n，ΣCi表示在传感器坐标系下且包含了标定球球心坐标误差和机器人位姿中平移量误差的综合协T方差，Ci＝(R1·Rh)·Ri·Rh，i＝2,3…n，目标函数等式(6)中旋转变换矩阵Ri,R1,Rh分别采用三维向量ωi,ω1,ωh表示，ωi,ω1,ωh的方向分别与旋转变换矩阵Ri,R1,Rh所对应的旋转轴平行，向量的模分别等于对应的旋转变换矩阵Ri,R1,Rh的旋转角度，并且旋转变换矩阵Ri,R1,Rh与三维向量ωi,ω1,ωh的转换关系通过罗德里格斯旋转公式求得；第七步，采用LM算法优化求解目标函数等式(6)中参数变量ωi,ω1,ωh,th，等式