本發(fā)明涉及工業(yè)機器人以及相機標定技術領域，具體是一種高精度機器人手眼相機自動標定的裝置及其使用方法。

背景技術：

隨著勞動力成本的不斷提高以及工業(yè)機器人控制、規(guī)劃、識別方法的不斷發(fā)展，用工業(yè)機器人代替人工進行自動化生產的程度越來越高。但目前工業(yè)中工業(yè)機器人手眼相機標定問題仍然沒有得到解決。

手眼工業(yè)機器人系統(tǒng)主要分為eye-in-hand與eye-to-hand兩類系統(tǒng)，其中，在eye-in-hand系統(tǒng)中，相機固定在工業(yè)機器人末段，因而，隨著機器人的運動，相機可以以不同的方向觀察標定板以及工作空間，因而eye-in-hand系統(tǒng)標定過程也相對較為簡單，目前已經有很多成熟的方法可以使用。而對于eye-to-hand系統(tǒng)，由于相機固定，無法僅僅借助標定板以及機器人的運動實現相機與機器人相對位置的標定，其難點在于：1)如何將特征點的位置與機器人的運動關聯(lián)起來；2)如何高精度的提取標定所需要的特征點的位置；3)如何自動化標定的過程。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高精度機器人手眼相機自動標定的裝置及其使用方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種高精度機器人手眼相機自動標定的裝置，包括工業(yè)機器人、機器人末端工具、連接至工業(yè)機器人末端工具的激光發(fā)生器、標定板和相機，所述工業(yè)機器人與連接件的一側連接，在連接件的另一側上安裝機器人末端工具，在機器人末端工具的一側安裝激光發(fā)生器，所述激光發(fā)生器包括紅色激光發(fā)生器和綠色激光發(fā)生器，所述標定板為黑白相間的棋盤格，所述相機固定在工作臺上，所述相機為2d相機。

作為本發(fā)明進一步的方案：所述激光發(fā)生器與機器人末端工具的相對位置固定。

一種高精度機器人手眼相機自動標定的裝置的使用方法，包括以下步驟：

步驟一：利用2d相機拍攝標定板圖片，結合2d相機內參，估計相機外參即相對于標定板的坐標變換矩陣

步驟二：調整機器人關節(jié)角，使得固定在機器人末端上的激光發(fā)生器發(fā)出的激光與標定板相交于點p1、p2；

步驟三：采用2d相機拍攝標定板以及其上激光點的圖片，計算點p1、p2在標定板坐標系中的位置；p1在標定板(board)坐標系中的坐標記作(u1，v1，0)，仿射形式記作(u1，v1，0，1)；p2在標定板坐標系中的坐標記作(u2，v2，0)，仿射形式記作(u2，v2，0，1)；

步驟四：根據步驟三中激光點p1、p2在標定板坐標系中的位置，計算其在機器人基座坐標系中的位置：

其中，分別為激光點p1、p2在機器人基座坐標系(base)中的位置；為標定板坐標系相對于基座坐標系的坐標變換；分別為激光點p1、p2在標定板坐標系(board)中的位置；

步驟五：根據激光點p1、p2在激光器坐標系中的位置結合機器人的運動學方程計算激光點p1、p2在機器人基座坐標系中的位置：

由于投射激光為一條直線，因而，激光點p1在激光坐標系中位置可以記作(0，0，lp1)，仿射形式記作(0，0，lp1，0)，激光點p2在激光坐標系中位置可以記作(0，0，lp2)，仿射形式記作(0，0，lp2，0)，其中l(wèi)p1，lp2分別為紅綠投射激光的長度；

因而，激光點p1、p2在機器人基座坐標系中的位置分別為：

其中，為機器人末端工具坐標系相對于機器人基座的坐標變換，即機器人正運動學變換；為激光發(fā)生器相對于機器人末端工具坐標系的坐標變換；分別為激光點p1、p2在自身激光發(fā)生器坐標系中的位置；

其中：

lp為點p1、p2到激光發(fā)生器的長度，即激光的距離；

步驟六：將步驟四與步驟五得到的激光點p1、p2在機器人基座坐標系中位置進行等效，得到：

即

步驟七：上述步驟六得到的方程含有18個未知數，確定四個限制條件，因而，需要至少6個特征點便可以計算上述18個參數；如果特征點的個數大于5，則通過優(yōu)化方法確定上述12個未知數；通過機器人的運動任意大于5個線性無關的特征點，再通過優(yōu)化方法求取。

與現有技術相比，本發(fā)明有效解決了工業(yè)機器人手眼相機標定時需要高精度放置標定板以及安裝末端工具的問題，同時，本發(fā)明無需將標定板放置在精確位置，僅需將標定板放在機器人工作空間中的任意位置并使得激光與標定板相交即可，極大的降低了相機標定的工作量；另外，在本發(fā)明中，標定板僅為簡單的棋盤格，具有成本低，操作靈活，結構簡單的特征；相對與單激光機器人手眼標定系統(tǒng)，計算量大大降低，精度大大提高。

附圖說明

圖1為高精度機器人手眼相機自動標定的裝置的結構示意圖。

圖2為高精度機器人手眼相機自動標定的裝置中末段工具的結構示意圖。

圖3為高精度機器人手眼相機自動標定的裝置進行自動標定的方法結構框圖。

圖4為高精度機器人手眼相機自動標定的裝置中相機外參標定過程的結構框圖。

圖5為根據相機拍攝圖片中激光點的坐標計算激光點在標定板坐標系中的位置的示意圖。

圖6為高精度機器人手眼相機自動標定的裝置通過運動調整激光與標定板橡膠墊位置的示意圖。

圖中：1-工業(yè)機器人、2-機器人末端工具、31-紅色激光發(fā)生器、32-綠色激光發(fā)生器、4-標定板、5-相機、6-連接件。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本專利的技術方案作進一步詳細地說明。

本發(fā)明提出了一種將激光發(fā)生器固定在機器人末段工具上，然后通過激光與標定板相交，然后通過相機提取特征點的位置，最終利用激光特征點在標定板中的位置以及在機器人坐標系中的位置，實現對工業(yè)機器人與相機相對位置的標定。

請參閱圖1-6，一種高精度機器人手眼相機自動標定的裝置，包括工業(yè)機器人1、機器人末端工具2、連接至工業(yè)機器人末端工具2的激光發(fā)生器、標定板4和相機5，所述工業(yè)機器人1與連接件6的一側連接，在連接件6的另一側上安裝機器人末端工具2，在機器人末端工具2的一側安裝激光發(fā)生器，所述激光發(fā)生器包括紅色激光發(fā)生器31和綠色激光發(fā)生器32，所述標定板4為黑白相間的棋盤格，所述相機5固定在工作臺上，所述相機為2d相機。

所述激光發(fā)生器與機器人末端工具的相對位置固定。

一種高精度機器人手眼相機自動標定的裝置的使用方法，包括以下步驟：

步驟一：利用2d相機拍攝標定板圖片，結合2d相機內參，估計相機外參即相對于標定板的坐標變換矩陣

步驟二：調整機器人關節(jié)角，使得固定在機器人末端上的激光發(fā)生器發(fā)出的激光與標定板相交于點p1、p2；

步驟三：采用2d相機拍攝標定板以及其上激光點的圖片，計算點p1、p2在標定板坐標系中的位置；p1在標定板(board)坐標系中的坐標記作(u1，v1，0)，仿射形式記作(u1，v1，0，1)；p2在標定板坐標系中的坐標記作(u2，v2，0)，仿射形式記作(u2，v2，0，1)；

步驟四：根據步驟三中激光點p1、p2在標定板坐標系中的位置，計算其在機器人基座坐標系中的位置：

其中，分別為激光點p1、p2在機器人基座坐標系(base)中的位置；為標定板坐標系相對于基座坐標系的坐標變換；分別為激光點p1、p2在標定板坐標系(board)中的位置；

步驟五：根據激光點p1、p2在激光器坐標系中的位置結合機器人的運動學方程計算激光點p1、p2在機器人基座坐標系中的位置：

由于投射激光為一條直線，因而，激光點p1在激光坐標系中位置可以記作(0，0，lp1)，仿射形式記作(0，0，lp1，0)，激光點p2在激光坐標系中位置可以記作(0，0，lp2)，仿射形式記作(0，0，lp2，0)，其中l(wèi)p1，lp2分別為紅綠投射激光的長度；

因而，激光點p1、p2在機器人基座坐標系中的位置分別為：

其中，為機器人末端工具坐標系相對于機器人基座的坐標變換，即機器人正運動學變換；為激光發(fā)生器相對于機器人末端工具坐標系的坐標變換；分別為激光點p1、p2在自身激光發(fā)生器坐標系中的位置；

其中：

lp為點p1、p2到激光發(fā)生器的長度，即激光的距離；

步驟六：將步驟四與步驟五得到的激光點p1、p2在機器人基座坐標系中位置進行等效，得到：

即

步驟七：上述步驟六得到的方程含有18個未知數，確定四個限制條件，因而，需要至少6個特征點便可以計算上述18個參數；如果特征點的個數大于5，則通過優(yōu)化方法確定上述12個未知數；通過機器人的運動任意大于5個線性無關的特征點，再通過優(yōu)化方法求取。

圖1為本發(fā)明所提出裝置的具體結構。其包括工業(yè)機器人1、機器人末端工具2、連接至工業(yè)機器人末端工具的激光發(fā)生器、標定板4、相機5。

圖2展示的為本發(fā)明所提出的包含機器人末段工具以及激光發(fā)生器的具體結構。

圖3為本發(fā)明所提出標定方法的具體實現過程。其包括相機外參標定，特征點坐標計算以及最終的標定等過程。在圖3中，首先利用相機拍攝的圖片對相機外參進行標定，然后實時的根據相機拍攝的圖片提取特征激光點的位置，進一步的，結合當前機器人的姿態(tài)，建立關于標定板相對于機器人以及機器人激光發(fā)生器相對于機器人末端工具的坐標。最終，根據得到的方程組，利用優(yōu)化方法計算機器人與相機相對位置。

圖4展示的根據拍攝到的標定板圖像對相機外參進行標定的過程。

圖5展示的為根據相機拍攝圖片中激光點的坐標計算激光點在標定板坐標系中位置的過程。

圖6展示的為工業(yè)機器人通過運動調整激光點在標定板上的位置的過程。

本發(fā)明有效解決了工業(yè)機器人手眼相機標定時需要高精度放置標定板以及安裝末端工具的問題，同時，本發(fā)明無需將標定板放置在精確位置，僅需將標定板放在機器人工作空間中的任意位置并使得激光與標定板相交即可，極大的降低了相機標定的工作量；另外，在本發(fā)明中，標定板僅為簡單的棋盤格，具有成本低，操作靈活，結構簡單的特征；相對與單激光機器人手眼標定系統(tǒng)，計算量大大降低，精度大大提高。

上面對本專利的較佳實施方式作了詳細說明，但是本專利并不限于上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下做出各種變化。