一種基于兩自由度3d視覺傳感器的機器人手眼標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于兩自由度3D視覺傳感器的機器人手眼標(biāo)定方法，包括以下步驟：第一步，初始位置視覺坐標(biāo)系與機器人基坐標(biāo)系之間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣T0的計算；第二步，視覺傳感器從初始位置在豎直和水平方向分別旋轉(zhuǎn)角度θ和后，坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)化關(guān)系矩陣Tθ和的計算；第三步，通過各轉(zhuǎn)換矩陣相乘即可得到手眼轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣；本發(fā)明具有方法簡單、測量精度高、易于推廣等優(yōu)點，能有效滿足機器人手眼標(biāo)定的需要。
【專利說明】一種基于兩自由度3D視覺傳感器的機器人手眼標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)機器人視覺標(biāo)定【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，它涉及一種基于兩自由度 3D視覺傳感器的機器人手眼標(biāo)定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著3D視覺傳感器視覺技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，越來越多的機器人將3D視覺傳感器 作為其自主導(dǎo)航的重要工具。然而，現(xiàn)有技術(shù)中存在著導(dǎo)航能力受3D視覺傳感器視場范圍 的限制的問題，為擴大視場范圍必須對傳感器增加水平、堅直方向的自由度，依此來帶動3D 視覺傳感器進(jìn)行更大視場范圍角度的場景信息采集。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種基于兩自由度3D視覺傳感器的機器人手眼標(biāo)定方法，該方法具有運算簡單、測量精度較高、易推廣等特點， 并能有效滿足機器人手眼標(biāo)定的需要。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于兩自由度3D視覺 傳感器的機器人手眼標(biāo)定方法，包括以下步驟：
[0005] 第一步，在3D視覺傳感器視場范圍內(nèi)事先標(biāo)記四個點，該四個點的相互關(guān)系為任 意三點不共線且四點不共面，由固定在機器人樣機初始位置上的3D視覺傳感器采集該四 點的點云信息，得到相對于3D視覺傳感器坐標(biāo)系的四個標(biāo)記點的三維坐標(biāo)值；采用三維動 態(tài)測量設(shè)備測量得到相對于機器人基坐標(biāo)系下的空間四個標(biāo)記點的三維坐標(biāo)值，求出轉(zhuǎn)換 矩陣，得到3D視覺傳感器初始位置的坐標(biāo)系與機器人基坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣；
[0006] 第二步，通過控制電機帶動3D視覺傳感器沿水平方向旋轉(zhuǎn)一定角度，并采集空間 中四點在當(dāng)前3D視覺傳感器下的點云數(shù)據(jù)，計算四個點的三維坐標(biāo)，利用空間四點在3D視 覺傳感器下的兩組三維坐標(biāo)計算3D視覺傳感器坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸，建立旋轉(zhuǎn)角度與3D視覺 傳感器旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系與初始坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣；3D視覺傳感器沿堅直方向旋轉(zhuǎn)時 對應(yīng)的關(guān)系矩陣的計算方法相同；
[0007] 第三步，通過各轉(zhuǎn)換矩陣相乘即可得到手眼轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣。
[0008] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明一種基于兩自由度3D視覺傳感 器的機器人視覺標(biāo)定方法，為擴大視場范圍必須對傳感器增加水平、堅直方向的自由度，依 此帶動了 3D視覺傳感器進(jìn)行更大視場范圍角度的場景信息采集，解決了導(dǎo)航能力受3D視 覺傳感器視場范圍的限制的問題，并且有效解決了傳感器坐標(biāo)系沿水平堅直方向旋轉(zhuǎn)任意 角度后與機器人基坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換關(guān)系的計算，標(biāo)定方法依賴于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)，計算 精度高。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是：具有方法簡單、測量精度高、易于推廣等優(yōu)點，能有效滿足 機器人手眼標(biāo)定的需要。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 下面通過參考附圖并結(jié)合實例具體地描述本發(fā)明，本發(fā)明的優(yōu)點和實現(xiàn)方式將會 更加明顯，其中附圖所示內(nèi)容僅用于對本發(fā)明的解釋說明，而不構(gòu)成對本發(fā)明的任何意義 上的限制，在附圖中：
[0011] 圖1為本發(fā)明兩自由度3D視覺傳感器與機器人基坐標(biāo)系的標(biāo)定過程示意圖；圖 中：（1)為NDI三維動態(tài)測量儀，（2)為空間中四個不共面的標(biāo)記點，（3)為機器人基坐標(biāo) 系，（4)為3D視覺傳感器初始位置坐標(biāo)系，（5)是3D視覺傳感器沿堅直方向旋轉(zhuǎn)0后的坐 標(biāo)系，（7)表示對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸，（9)與（10)是旋轉(zhuǎn)軸上的兩個點，（6)是3D視覺傳感器從位 置（5)處沿堅直方向旋轉(zhuǎn)P后的坐標(biāo)系，（8)表示對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸，（11)與（12)是旋轉(zhuǎn)軸上 的兩個點；
[0012] 圖2為本發(fā)明實施例的具體操作流程圖；
[0013] 圖3為本發(fā)明3D視覺傳感器初始坐標(biāo)系與機器人基坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系示意 圖；圖中：〇-xyz為世界坐標(biāo)系，oK-xKyKzK為機器人基坐標(biāo)系，ov_xvyvzv為3D視覺傳感器的 坐標(biāo)系，〇NDI-xmiymizNDI為NDI三維動態(tài)測量儀器坐標(biāo)系；
[0014] 圖4為本發(fā)明3D視覺傳感器坐標(biāo)系隨垂直軸旋轉(zhuǎn)時坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系示意 圖；圖中：3D視覺傳感器沿由PmPu兩點構(gòu)成的直線旋轉(zhuǎn)角度0前后的坐標(biāo)系分別用 〇vi_xvlyvlzvl 與oV2_xV2yV2zV2 表不。

【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合實施例及其附圖進(jìn)一步敘述本發(fā)明：
[0016] 如圖1至圖4所示，本發(fā)明一種基于兩自由度3D視覺傳感器的機器人手眼標(biāo)定方 法，設(shè)機器人頭部堅直方向、水平方向相對于初始位置的旋轉(zhuǎn)角度分別為e，史，標(biāo)定過程 主要分為以下步驟：
[0017] 第一步，初始位置視覺坐標(biāo)系與機器人基坐標(biāo)系之間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣I；的計算；
[0018] 選取空間中不共面的四個點Pi，P2,P3,P4，通過視覺傳感器獲取4個點在視覺坐標(biāo) 系下的三維坐標(biāo)，分別記為：
[0019] Pvi (Xvl，yvl，Zvi)，f*V2 (Xv2，yv2，Zv2)，f*V3 (Xv3，yv3，Zv3)，f*V4 (Xv4，yv4，Zv4)
[0020] 通過控制手臂各關(guān)節(jié)的運動，以及運動學(xué)正解得到該4個點在機器人基坐標(biāo)系下 的三維坐標(biāo)，分別記為：
[0021]PR1 (xrl，yrl，zrl)，PR2 (xr2，yr2，zr2)，PR3 (xr3，yr3，zr3)，PR4 (xr4，yr4，zr4)
[0022] 計算轉(zhuǎn)移矩陣Tq
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于兩自由度3D視覺傳感器的機器人手眼標(biāo)定方法，其特征在于，包括以下步 驟： 第一步，初始位置視覺坐標(biāo)系與機器人基坐標(biāo)系之間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣Ttl的計算；在3D視 覺傳感器視場范圍內(nèi)事先標(biāo)記四個點，該四個點的相互關(guān)系為任意三點不共線且四點不共 面，由固定在機器人樣機初始位置上的3D視覺傳感器采集該四點的點云信息，得到相對于 3D視覺傳感器坐標(biāo)系的四個標(biāo)記點的三維坐標(biāo)值；采用三維動態(tài)測量設(shè)備測量得到相對 于機器人基坐標(biāo)系下的空間四個標(biāo)記點的三維坐標(biāo)值，求出轉(zhuǎn)換矩陣，得到3D視覺傳感器 初始位置的坐標(biāo)系與機器人基坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣Ttl ; 第二步，視覺傳感器從初始位置在堅直和水平方向分別旋轉(zhuǎn)角度Θ和爐后，坐標(biāo)系間 的轉(zhuǎn)化關(guān)系矩陣Te和?；的計算；通過控制電機帶動3D視覺傳感器沿堅直方向旋轉(zhuǎn)任意角 度Θ，并采集空間中四點在當(dāng)前3D視覺傳感器下的點云數(shù)據(jù)，計算四個點的三維坐標(biāo)，利 用空間四點在3D視覺傳感器下的兩組三維坐標(biāo)計算3D視覺傳感器坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸，建立 旋轉(zhuǎn)角度與3D視覺傳感器旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系與初始坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣Τθ ;3D視覺傳感 器沿水平方向旋轉(zhuǎn)任意角度P時，對應(yīng)的關(guān)系矩陣％的計算方法與計算Τθ的方法相同； 第三步，通過各轉(zhuǎn)換矩陣相乘即可得到手眼轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣；當(dāng)視覺模塊相對于機器人 基坐標(biāo)系做堅直與水平方向旋轉(zhuǎn)運動時其相應(yīng)于機器人基坐標(biāo)的關(guān)系轉(zhuǎn)換矩陣為?
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于具有兩自由度3D視覺傳感器的機器人手眼標(biāo)定方法，其 特征在于，3D視覺傳感器做水平或堅直方向旋轉(zhuǎn)標(biāo)定時，旋轉(zhuǎn)軸上兩個點，通過利用旋轉(zhuǎn)軸 上任意點在3D傳感器坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值不隨旋轉(zhuǎn)而變化的特性來求得。
【文檔編號】G01B11/00GK104236456SQ201410446352
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】譚治英, 駱敏舟, 李濤, 方世輝, 羅艷, 趙娜娜, 鄭俊君, 孫曉瑜, 黃海衛(wèi) 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院, 常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所