一種二維激光視覺傳感器和機器人的手眼標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種激光傳感器和機器人的手眼標(biāo)定技術(shù)，特別涉及一種二維激光視 覺傳感器和機器人的手眼標(biāo)定方法，該手眼標(biāo)定方法是以工業(yè)機器人為機械變姿運動執(zhí)行 裝置，以工業(yè)機器人自身和二維激光傳感器為測量裝置，機器人變姿帶動激光傳感器對若 干空間固定點進(jìn)行測量，分別記錄機器人的姿態(tài)和該空間點在機器人基坐標(biāo)系和激光傳 感器測量坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值，通過一定算法求解傳感器測量坐標(biāo)系與機器人末端法蘭坐 標(biāo)系之間的變換關(guān)系，即進(jìn)行二維激光傳感器的手眼標(biāo)定。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于視覺系統(tǒng)具有良好的檢測性能和定位性能，所以機器人視覺系統(tǒng)開發(fā)己成 為機器人研究領(lǐng)域的熱點與重點。視覺傳感方法因獲得的信息量豐富，以及高靈敏度、高精 度、與工件無接觸等優(yōu)點，而越來越受到人們的重視。
[0003] 目前，視覺傳感采集的圖像有基于自然光、人工普通光的圖像和以激光為主動光 源的結(jié)構(gòu)光圖像。在某些特殊的工業(yè)環(huán)境中，比如在焊接現(xiàn)場存在著強弧光、粉塵、煙霧等 不良干擾因素，傳統(tǒng)CXD相機的性能受到了較為嚴(yán)重的干擾，在這種環(huán)境下傳統(tǒng)的C⑶相機 就不能良好地完成任務(wù)，實用性差。相比之下，所述二維激光傳感器基于三角測量原理，通 過線性激光束激光進(jìn)行物體截面輪廓測量，采用與激光同等波長的光學(xué)濾光片濾掉所有的 包括弧光在內(nèi)的雜散光，傳感器內(nèi)部集成的光學(xué)接收裝置、CMOS平面檢測器只接收并形成 激光條紋的圖像。這種二維激光傳感器的優(yōu)點是不采用任何移動式部件，堅固耐用，不受電 弧光、煙塵、飛濺等干擾。
[0004] 激光作為主動光源具有高能量、高亮度、單色性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，因此二 維激光視覺傳感器有很大的發(fā)展前景。CCD相機為面陣視覺傳感器，而所述二維激光傳感器 為線陣視覺傳感器。機器視覺作為檢測領(lǐng)域和人工智能領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，無疑會大幅 提升機器人作業(yè)的柔性與效率。其中，視覺坐標(biāo)系與機器人末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系之間的映射關(guān) 系必須通過手眼標(biāo)定來獲知，標(biāo)定的精度在很大程度上決定了機器人的作業(yè)精度，為此對 視覺系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定好的視覺系統(tǒng)可以獲得更高的精度成為了需要解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種二維激光視覺傳感器和 機器人的手眼標(biāo)定方法，該手眼標(biāo)定方法包括建立標(biāo)定算法的數(shù)學(xué)模型、制定手眼標(biāo)定的 實施操作步驟，具有簡便、實用、靈活、精度好等特點。
[0006] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：一種二維激光視覺傳感器和機器人的手眼 標(biāo)定方法，該手眼標(biāo)定方法采用一部內(nèi)部集成有光學(xué)接收裝置、CMOS平面檢測器的二維激 光傳感器和機器人（含機器人控制器、示教盒），其中二維激光傳感器通過支架固定安裝在 機器人末端法蘭，構(gòu)成Eye-in-hand手眼系統(tǒng)；記機器人基坐標(biāo)系為{Base}、機器人第六關(guān) 節(jié)末端法蘭坐標(biāo)系為{End}、二維激光傳感器測量坐標(biāo)系為{M}，手眼標(biāo)定的目的即為求解 坐標(biāo)系{Μ}相對于坐標(biāo)系{End}的變換矩陣i7Iir。
[0007] 該方法所采用的二維激光傳感器發(fā)出的線性激光束投射到被測物表面上時，激光 束會形成與被測物表面輪廓相一致的圖像，在該激光束上有一系列連續(xù)、均布的P個激光 采樣點，然后傳感器返回這P個采樣點相對于傳感器測量坐標(biāo)系{M}的Z m軸和Xm軸坐標(biāo) 值；
[0008] 該方法還采用計算機來獲取二維激光傳感器的測量數(shù)據(jù)、完成標(biāo)定數(shù)據(jù)的錄入、 執(zhí)行標(biāo)定的算法運算；
[0009] 該方法還需要采用一些其他部件，例如：標(biāo)定板。
[0010] 所述的二維激光視覺傳感器和機器人的手眼標(biāo)定方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟A、建立標(biāo)定算法的數(shù)學(xué)模型；
[0012] 步驟B、制定手眼標(biāo)定的實施操作步驟；
[0013] 所述步驟A包括以下步驟：
[0014] Al)獲取空間某一點P1在機器人基坐標(biāo)系{Base}中的坐標(biāo)為bP1， bP1 =
τ、獲取點？:在二維激光傳感器測量坐標(biāo)系{M}中的坐標(biāo)為mPpmP 1 = τ。記手眼矩陣，即坐標(biāo)系{Μ}相對于機器人末端法蘭坐標(biāo)系{End}的變換矩 陣為
，記坐標(biāo)系{End}相對于坐標(biāo)系{Base}的變換關(guān)系為
[0015] A2)根據(jù)坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，可知
，將等式兩端左乘矩陣# 的逆，得到：
[0016]
(1)
[0017] 式中，
為坐標(biāo)系{End}相對于坐標(biāo)系{Base}的變換矩陣的逆、 bP為空間 某一點P1在機器人基坐標(biāo)系{Base}中的坐標(biāo)、％Γ為坐標(biāo)系{M}相對于機器人末端法蘭 坐標(biāo)系{End}的變換矩陣、mP1為點P 1在二維激光傳感器測量坐標(biāo)系{M}中的坐標(biāo)。
[0018] 記
》得到：
[0019]
(2)
[0020] 式中，T為列矩陣、bP1為空間某一點P i在機器人基坐標(biāo)系{Base}中的坐標(biāo)、* 為坐標(biāo)系{M}相對于機器人末端法蘭坐標(biāo)系{End}的變換矩陣、mP1為點P 1在二維激光傳感 器測量坐標(biāo)系{M}中的坐標(biāo)。
[0021] 將式⑵展開得：
[0022]
( 3 )
[0023] 式中，
為列矩陣.
為坐標(biāo)系{M}相對于機器人末端法蘭坐 標(biāo)系{End}的變換矩陣的具體形式
為列矩陣，表示點P1在二維激光傳感器測量坐標(biāo) 系{M}中坐標(biāo)。
[0024] 將式（3)進(jìn)一步展開得到：
[0025]
， （4)
[0026] 式中變量的含義參見式（3);
[0027] A3)類似于空間某點P1，同理，對于空間某點P2、P3，有：
[0028] {5)
[0029] (6)
[0030] 式（5)與式（6)中符號含義參見式⑷；
[0031] 由式（4)、式（5)、式（6)可得：
[0032]
(7)
[0033] 式中符號含義參見式（3)--式（6);
[0034] 可將式（7)寫成以下形式：
[0035]
(8)
[0036] 進(jìn)一步變換得：
[0037]
(9)
[0038] 式（8)、式（9)中符號含義參見式（7);
[0039] 至此，求解出了 rn、r13、Δ X ;
[0040] 同理，由式（4)、式（5)、式（6)可得：
[0041] (10)
[0042] (11)
[0043]
[0044] 至此，求解出了 rn、r13、Δ X 和；r21、:τ23、Δ y 及;r31、:τ33、Δ z ;
[0045] A4)若要完全確定手眼關(guān)系矩陣=7' ,還需要求解r12、r22、r32，根據(jù)姿態(tài)矩陣的性 質(zhì)可知：
[0046] (12)
[0047] 均為單位向量且兩兩正交。
[0048] 式中，符號均為坐標(biāo)系{M}相對于機器人末端法蘭坐標(biāo)系{End}的變換矩陣表示 量。
[0049] 所以有：
[0050]
(?3)
[0051] 由式（13)可解出了 r12、r22、r32，將求解出的向量
進(jìn)行單位化處理，得到歸一化的 向量，至此求解出手眼關(guān)系矩陣a
[0052] A5)由坐標(biāo)位姿變換關(guān)系得：
[0053]
(14)
[0054] 式中，中'為根據(jù)標(biāo)定結(jié)果=Γ推導(dǎo)得出的空間某點P在坐標(biāo)系{Base}內(nèi)的理論 坐標(biāo)值、mP為該點在坐標(biāo)系{Μ}中的坐標(biāo)，將BP'與bP進(jìn)行對比便能檢驗手眼標(biāo)定的精度， 僅利用空間點P2、P3進(jìn)行手眼標(biāo)定的結(jié)果可能會存在著較大的誤差，為了提高標(biāo)定算法 的準(zhǔn)確性與容錯率，選取N(N>3)個空間點，從中選取3個點，共有種組合，選取其中誤 差最小的一個組合作為標(biāo)定結(jié)果。
[0055] 所述步驟A2)中，根據(jù)坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，得到
，將等式兩 端左乘矩陣的逆，得到：
[0056] (1)
[0057] ,得到：
[0058] (2)：
[0059] 將式⑵展開得：
[0060]
C3)
[0061] 將式（3)進(jìn)一步展開得到：
[0062]<