一種機(jī)器人線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的手眼標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)器人手眼標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種機(jī)器人線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量系 統(tǒng)的手眼標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，因其具有精度高、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于三維 重建，工業(yè)視覺(jué)檢測(cè)等領(lǐng)域。在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，線結(jié)構(gòu)光傳感器通常安裝機(jī)器人末端執(zhí)行器 上用于檢測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量。
[0003] 線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器與機(jī)器人一起組成機(jī)器人線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，在使用該 系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)必須先確定線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器與機(jī)器人末端執(zhí)行器之間的位姿關(guān)系，確 定這個(gè)關(guān)系的過(guò)程稱(chēng)為手眼標(biāo)定。
[0004] 目前，李?lèi)?ài)國(guó)等提出了一種以標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)榘袠?biāo)的手眼標(biāo)定方法，該方法以標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)?靶標(biāo)，通過(guò)光結(jié)構(gòu)投射器投射到標(biāo)準(zhǔn)球表面的光條紋進(jìn)行光條紋的提取，然后擬合出光條 紋所在的球方程。這種方法面臨標(biāo)定過(guò)程中圖像處理的難題。而且，該標(biāo)定方法是基于控制 機(jī)器人末端執(zhí)行器做純平移運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)分析攝像機(jī)坐標(biāo)系和靶標(biāo)坐標(biāo)系之間的關(guān)系， 獲得相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移量。然而，這對(duì)于大部分旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其末端執(zhí)行器的 移動(dòng)精度無(wú)法達(dá)到純平移運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致標(biāo)定不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種機(jī)器人線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的手眼標(biāo)定方法，能 夠通過(guò)控制機(jī)器人做一般的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)手眼標(biāo)定。
[0006] 一種機(jī)器人線結(jié)構(gòu)光視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的手眼標(biāo)定方法，該方法包括：
[0007] 以機(jī)器人基座中心位置為原點(diǎn)0。，建立機(jī)器人基座坐標(biāo)系OrXJJ。;以機(jī)器人末 端法蘭盤(pán)中心位置為原點(diǎn)1，建立第一機(jī)器人末端坐標(biāo)系OfUZd以與機(jī)器人末端相連 的攝像機(jī)光心為原點(diǎn)0。，建立第一攝像機(jī)坐標(biāo)系其中，第一攝像機(jī)坐標(biāo)系中X。軸 和Y。軸分別平行于攝像機(jī)成像平面的u軸和v軸，Z。軸由右手定則確定；以一個(gè)具有一組 正交直徑AB、⑶的圓為靶標(biāo)，靶標(biāo)圓心為原點(diǎn)0W，建立靶標(biāo)坐標(biāo)系0w-XwYwZw;靶標(biāo)坐標(biāo)系中 靶標(biāo)的直徑AB所在直線從A到B的方向?yàn)榘袠?biāo)坐標(biāo)系的Xw軸，CD所在直線從C到D的方 向?yàn)榘袠?biāo)坐標(biāo)系的Yw軸，Zw軸由右手定則確定；
[0008] 步驟一、通過(guò)機(jī)器人控制器獲得機(jī)器人在初始狀態(tài)下第一機(jī)器人末端坐標(biāo)系相對(duì) 于機(jī)器人基座坐標(biāo)系的變換矩陣將線結(jié)構(gòu)光投射器與攝像機(jī)剛性連接安裝在機(jī)器人 末端；線結(jié)構(gòu)光投射器向靶標(biāo)投射一光條紋，且該光條紋穿過(guò)靶標(biāo)圓心位置處，利用光條紋 所穿靶標(biāo)圓心處的光平面方程和攝像機(jī)成像原理獲得第一攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于靶標(biāo)坐標(biāo) 系的第一平移量利用調(diào)和共輒理論，獲得直徑AB相對(duì)于第一攝像機(jī)坐標(biāo)系的消隱點(diǎn)p 和直徑CD相對(duì)于第一攝像機(jī)坐標(biāo)系的消隱點(diǎn)q，并結(jié)合已知的攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)和羅德里格旋 轉(zhuǎn)公式獲得第一攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于靶標(biāo)坐標(biāo)系的第一旋轉(zhuǎn)矩陣R?;
[0009] 步驟二、根據(jù)步驟一中獲得的第一平移量UP第一旋轉(zhuǎn)矩陣，根據(jù)齊次變換矩 陣定義，獲得第一攝像機(jī)外參數(shù)
[0010] 步驟三、機(jī)器人末端進(jìn)行第一次移動(dòng)，并以機(jī)器人末端第一次移動(dòng)后末端法蘭盤(pán) 中心位置為原點(diǎn)(^，建立第二機(jī)器人末端坐標(biāo)系(V-X^Y^Zy;以第一次移動(dòng)后攝像機(jī)光心 為原點(diǎn)0。，，建立第二攝像機(jī)坐標(biāo)系;通過(guò)機(jī)器人控制器獲得末端第一次移動(dòng)后 第二機(jī)器人末端坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基座坐標(biāo)系的變換矩陣，并根據(jù)A%，= (Am，） 獲得末端第一次移動(dòng)前后的機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)量A%，；
[0011] 步驟四、按照步驟一的方式，獲取末端第一次移動(dòng)后第二攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于靶 標(biāo)坐標(biāo)系的第二平移量t'。，"和第二旋轉(zhuǎn)矩陣R'
[0012] 步驟五、根據(jù)步驟四中獲得的第二平移量t'。，"和第二旋轉(zhuǎn)矩陣R'，根據(jù)齊次變 換矩陣定義，獲得第二攝像機(jī)外參數(shù)
[0013] 步驟六、根據(jù)齊次線性變換理論，利用步驟二中獲得的第一攝像機(jī)外參數(shù)^口 步驟五中獲得的第二攝像機(jī)外參數(shù)，獲得末端第一次移動(dòng)前后的攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)量= BC'WX(Bcw)S
[0014] 步驟七、機(jī)器人末端進(jìn)行第二次移動(dòng)，以第一次移動(dòng)后的位置作為初始位置，按照 步驟三到步驟六的方法，以機(jī)器人末端第二次移動(dòng)后末端法蘭盤(pán)中心位置為原點(diǎn)(V，建立 第三機(jī)器人末端坐標(biāo)系〇e,,-Xe,,Ye,,Ze";以第二次移動(dòng)后攝像機(jī)光心為原點(diǎn)0建立第三攝 像機(jī)坐標(biāo)系〇。，，-&，，1，，2。，，;獲得第二次移動(dòng)前后的機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)量^\^，，以及末端第二次 移動(dòng)后的第三攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于靶標(biāo)坐標(biāo)系的第三平移量丨"。,,"和第三旋轉(zhuǎn)矩陣R" c,,w; 進(jìn)而獲得第三攝像機(jī)外參數(shù)
并根據(jù)第三攝像機(jī)外參數(shù)Be,,w以及步 驟五中獲得的第二攝像機(jī)外參數(shù)，獲得末端第二次移動(dòng)前后的攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)量=BC''WX(Bc'w);
[0015] 步驟八、利用運(yùn)動(dòng)量和手眼關(guān)系模型AX=XB，根據(jù)步驟三和步驟六中獲得的機(jī)器 人末端運(yùn)動(dòng)量和攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)量B，建立第一次移動(dòng)機(jī)器人末端前后的第一約束方程A%，X=XB。。，;根據(jù)步驟七中獲得的機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)量A 和攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)量建立第二次 移動(dòng)機(jī)器人末端前后的第二約束方程A^,,X=XB。.。,,;聯(lián)立第一約束方程和第二約束方程， 獲得手眼標(biāo)定矩陣X。
[0016] 特別地，所述步驟一中第一攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于靶標(biāo)坐標(biāo)系的第一平移量^勺 獲取方法為：
[0017] 在第一攝像機(jī)坐標(biāo)系下，利用光條紋所穿靶標(biāo)圓心處的光平面方程和攝影機(jī)成像 原理，獲得靶坐標(biāo)系原點(diǎn)〇w在第一攝像機(jī)坐標(biāo)系的相對(duì)位置關(guān)系夂a.、&、z〇,.,并將該位 置關(guān)系以矩陣方式構(gòu)建第一平移量
[0018] 特別地，所述步驟一中第一攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于靶標(biāo)坐標(biāo)系的第一旋轉(zhuǎn)矩陣R? 的獲取方法為：
[0019] 第1步：定義靶標(biāo)坐標(biāo)系中選取的正交直徑AB和CD在攝像機(jī)成像平面上的相應(yīng) 成像為ab和cd;定義靶標(biāo)坐標(biāo)系原點(diǎn)0W在攝像機(jī)成像平面上的相應(yīng)成像為〇 w;根據(jù)射影 幾何的調(diào)和共輒理論，結(jié)合攝像機(jī)透視投影的同素性和交比不變性，有
[0020]
(6);
[0021] 其中，&〇"代表端點(diǎn)a到靶標(biāo)坐標(biāo)系原點(diǎn)〇w之間的長(zhǎng)度；bo"代表端點(diǎn)b到靶標(biāo)坐 標(biāo)系原點(diǎn)〇w之間的長(zhǎng)度；ap代表端點(diǎn)a到消隱點(diǎn)p之間的長(zhǎng)度；bp代表端點(diǎn)b到消隱點(diǎn)p 之間的長(zhǎng)度；同理，c〇wR表端點(diǎn)c到靶標(biāo)坐標(biāo)系原點(diǎn)〇w之間的長(zhǎng)度；do"代表端點(diǎn)d到靶標(biāo) 坐標(biāo)系原點(diǎn)〇w之間的長(zhǎng)度；cq代表端點(diǎn)c到消隱點(diǎn)q之間的長(zhǎng)度；dq代表端點(diǎn)d到消隱點(diǎn) q之間的長(zhǎng)度；
[0022] 第2步：利用點(diǎn)a、b、c和d的像素坐標(biāo)獲得消隱點(diǎn)p的像素坐標(biāo)（up、vp)和消隱 點(diǎn)q的像素坐標(biāo)（Uq、Vq);
[0023] 第3步：以第一攝像機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)為原點(diǎn)，在第一攝像機(jī)坐標(biāo)系上建立與靶標(biāo) 坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向相同的過(guò)渡坐標(biāo)系A(chǔ)-X'WY'WZ' w;
[0024] 第4步：利用公式（6)對(duì)消隱點(diǎn)p和消隱點(diǎn)q的像素坐標(biāo)進(jìn)行焦距歸一化，進(jìn)而獲 得消隱點(diǎn)P在第一攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為
消隱點(diǎn)q在第一攝像機(jī) 坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)為
其中，u。、V。為攝像機(jī)光軸與攝像機(jī)成像平面的交 點(diǎn)像素坐標(biāo)；a、0為尺度因子；
[0025] 第5步：將第一攝像機(jī)坐標(biāo)系下的消隱點(diǎn)p和消隱點(diǎn)q分別與第一攝像機(jī)坐標(biāo)系 的光心0。連接，獲得矢量〇 和如；
[0026] 第6步：獲得并單位化由矢量0j)和Aq在第一攝像機(jī)坐標(biāo)系中確定的平面0j)q 的法向量％;
[0027] 第7步：獲得法向量％舊與第一攝像機(jī)坐標(biāo)系中Z。軸的單位向量（0, 0, 1)的夾角
[0028] 第8步：獲得并單位化與法向量和第一攝像機(jī)坐標(biāo)系中Z。軸的單位向量（0， 0,1)的正交向量S;
[0029] 第9步：根據(jù)法向量％?和夾角，采用羅德里格公式，獲得第一攝像機(jī) 坐標(biāo)系到過(guò)渡坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣
[0030] 第10步：定義靶標(biāo)坐標(biāo)系的〇wXw軸和0WYW軸在攝像機(jī)成像平面上的像分別