基于激光测距的机器人手眼标定方法
【专利说明】基于激光测距的机器人手眼标定方法 【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于激光测距的机器人手眼标定方法。 【【背景技术】】
[0002] 机器人技术在工业领域得到广泛的应用，例如自动装配，自动抓取等，且对于机器 人手眼标定的精度要求越来越高，在传统的机器人手眼标定系统中，机器人手眼标定采用 通过探针与物体表面接触点的受力信息获取物体上的点在工具坐标系中的坐标，进而通过 机器人运动学由坐标变换求得该点在机器人基坐标系中的坐标，然后通过传感器的信息控 制机器人末端的运动，使探针与被测表面良好接触并移动，测得物体表面一系列点的位置 坐标信息，一相机拍摄被测物体表面信息，确定物体在机器人基坐标系中的位姿或表面几 何外形，进而实现标定过程。
[0003] 然而，由于探针末端与被测表面接触时发生弹性变形，物体表面受力往往不均匀， 造成接触点受力信息有误差，探针末端容易因弹性变形过大而导致断裂，进一步探针与被 测表面接触并移动测得的一系列点位置坐标信息，累积误差影响较大。
[0004] 因此，有必要设计一种新的标定方法，W克服上述问题。 【
【发明内容】
】 阳〇化]本发明的创作目的在于提供一种操作简单、快速，精确测量的一种基于激光测距 的机器人手眼标定方法。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 提供一相机、一标定板，所述标定板设于所述相机视场内；设置一激光测距仪，发 射激光光斑至所述标定板，步骤如下：
[0008](1)、由激光光斑从所述标定板反射回的距离，计算激光光斑在所述激光测距仪坐 标系下的坐标，利用激光测距仪坐标系与机器人坐标系之间的映射关系，计算激光光斑在 机器人坐标系下的坐标；
[0009] (2)、所述标定板具有一像素坐标系，通过所述相机抓取激光光斑在所述标定板的 图像，计算激光光斑在像素坐标系下的坐标；
[0010] (3)、根据计算得到的激光光斑在机器人坐标系下的坐标、激光光斑在像素坐标系 下的坐标，计算像素坐标系与机器人坐标系之间的映射关系；
[0011](4)、利用相机的参数得到相机坐标系与像素坐标系之间的映射关系；
[0012] 巧）、然后根据计算得到的像素坐标系与机器人坐标系之间的映射关系W及相机 坐标系与像素坐标系之间的映射关系，计算相机坐标系与机器人坐标系之间的映射关系。 进一步，一控制模块，用于连接所述相机与所述机器人，并读取所述机器人末端位姿，用齐 次变换计算激光光斑在机器人坐标系下的坐标；所述控制模块在所述标定板范围内选取 一第一点，所选取点在所述相机的拍摄范围内，所述激光测距仪发射激光光斑到第一点，所 述相机抓取在所述标定板上的第一点的激光光斑的图像，利用Blob分析算法，对图像进行 处理，得到第一点的激光光斑在像素坐标系下的坐标；所述控制模块在所述标定板范围内 沿顺时针或逆时针方向选取多个点，所述激光测距仪在选取的点上发射激光光斑，所述相 机依次抓取在所述标定板上的多个点的激光光斑图像，利用Blob分析算法，对图像进行处 理，得到各个点的激光光斑在像素坐标系下的坐标；所选取点的初始点至少为2个；所述激 光测距仪在所述标定板范围内选取点为4个；根据得到的激光光斑在机器人坐标系下的坐 标及激光光斑在像素坐标系下的坐标，利用旋转矩阵R和平移矩阵T进行关联计算，计算像 素坐标系与机器人坐标系之间的映射关系，利用相机的参数矩阵，计算相机坐标系到像素 坐标系之间的映射关系，根据计算得到的像素坐标系与机器人坐标系之间的映射关系与相 机坐标系到像素坐标系的映射关系，得到相机坐标系到机器人坐标系之间的映射关系；对 相机坐标系与机器人坐标系之间的映射关系进行标定测试，在所述标定板中选取多个点， 所述激光测距仪发射激光光斑至所述标定板的多个点上，通过比对发射得到的点与选取的 点是否重合，若不重合则返回重新进行标定。
[0013] 进一步，在对一工件进行抓取之前，利用形状模板匹配的方法进行工件定位，得到 相机坐标系下的工件坐标；相机固定在所述标定板工作区域上方，对工件进行拍摄，得到相 机坐标系下的工件坐标；建立工件的形状模板，所述形状模板定义为点集与点集中每个点 对应的方向向量；抓取过程中，捜索图像中每个点，并计算出一个方向向量，在捜索图像某 特定点处，进行形状模板与捜索图像之间相似度测量定义方向向量，进行工件捜索，进而实 现抓取工件动作。
[0014] 与现有技术相比，本发明具有W下有益效果：本发明的一种基于激光测距的机器 人手眼标定方法，激光测距仪发射一激光光斑至物体表面，相机抓取激光光斑并进行图像 分析，激光测距仪获取激光光斑返回距离，得到该点在激光测距仪坐标系下的坐标，并通过 齐次变换求得该点在机器人坐标系下的坐标并求解得到机器人位姿，且激光测距仪在靠近 工作区域边缘沿多个点的位置发射激光光斑，得到多个点的位置坐标信息，本发明通过激 光测距仪发射激光光斑至物体表面进行，无需与物体接触获取测量点坐标信息，使得操作 误差减小，操作更简单，且利用激光测距仪进行物体表面标定时无需对点，可自动实现标 定，标定速度快，精度高，在标定过程中无需人工参与，实现自动化、智能化。 【【附图说明】】
[0015] 图1为工作流程图；
[0016] 图2为原理不意图；
[0017] 图3为硬件构成示意图。 【【具体实施方式】】
[0018] 为便于更好的理解本发明的目的、结构、特征W及功效等，现结合附图和具体实施 方式对本发明作进一步说明。
[0019] 如图3所示，本发明提出一种基于激光测距的机器人手眼标定方法，它主要由一 相机、一机器人、一标定板与一激光测距仪构成。
[0020] 所述标定板设于相机视场内，所述激光测距仪用于发射激光光斑至所述标定板， 所述相机固定在工作区域上方，主要用来感知外界环境，并将实时获取的图像数据传送到 一控制模块进行后期处理；所述机器人为主要执行机构，用来实现对工件的抓取。
[0021] 由所述激光测距仪发射激光光斑到达所述标定板之间的距离，计算激光光斑在所 述激光测距仪坐标系下的坐标，利用激光测距仪坐标系与机器人坐标系之间的映射关系， 计算激光光斑在机器人坐标系下的坐标；所述标定板具有一像素坐标系，通过所述相机抓 取激光光斑在所述标定板的图像，计算激光光斑在像素坐标系下的坐标；通过上述结果计 算像素坐标系与机器人坐标系之间的映射关系；利用相机的参数得到相机坐标系与像素坐 标系之间的映射关系；最后计算相机坐标系与机器人坐标系之间的映射关系。
[0022] 软件部分主要包括图像处理模块和机器人运动控制模块，二者运行在同一所述控 制模块中，彼此通过消息队列方式实现线程通信。所述图像处理模块将实时采集的图像与 已进行注册的模板进行基于形状的模板匹配，判断图像中是否出现对应工件图像，当出现 已注册的工件图像时，根据进入相机视场范围内的工件在相机坐标系下的坐标。然后根据 得到的相机坐标系与机器人坐标系之间的映射关系得到其在机器人坐标系下的坐标，并通 过线程通信将工件在机器人坐标系下的坐标送到机器人运动控制模块，运动控制模块收到 坐标后，根据预定的操作指令，对工件进行抓取。
[0023] 手眼标定方法具体工作流程如下，如图1和图2 :
[0024] 首先，安装所述相机、所述激光测距仪与所述机器人位置，调整所述相机及所述激 光测距仪参数并进行设定，通过点击所述控制模块上的所述标定板边缘区域任一点，并确 保选取的位置在所述相机的拍摄范围内，所述激光测距仪发射激光光斑在所述选取的点位 置上；
[00巧]由激光光斑从所述标定板返回距离，计算激光光斑在所述激光测距仪坐标系下的 坐标，所述激光测距仪与所述机器人末端精准定位夹紧，得到激光测距仪坐标系与机器人 坐标系之间的映射关系，进而计算激光光斑在机器人坐标系下的坐标，具体步骤包括：所述 激光测距仪测的激光光斑至所述标定板的距离为d，得到激光光斑在激光测距仪坐标系下 的坐标为p(〇,〇,d)，激光测距仪坐标系与机器人坐标系之间的映射关系公式表示为：市= R"p+tpf。，tp代表激光光斑在机器人坐标系中的位置，tpf。代表激光测距仪坐标系相对机器 人坐标系的平移矢量，R"表示机器人坐标系相对激光测距仪坐标系的方位；所述控制模块 用于连接所述相机与所述机器人，并读取所述机器人末端位姿，计算激光光斑在机器人坐 标系下的坐标(X，Zf)。
[00%] 所述标定板具有一像素坐标系，通过所述相机抓取激光光斑在所述标定板的图 像，计算激光光斑在像素坐标系下的坐标，所述激光测距仪在所述标定板范围内选取n个 位置，确保选取的位置在所述相机的拍摄范围内，所述激光测距仪在选取的一点位置上发 射激光光斑，所述相机抓取激光光斑在所述标定板的图像，利用Blob分析算法对图像进行 处理，得到激光光斑在像素坐标系下的坐标（Xp，yp，Zp)，具体步骤包括：进行图像特征提取， 图像识别，图像先进行二值化处理，再用Blob算法将工件和背景进行分离，同时进行特征 提取，图像定位，求取图像中屯、的世界坐标（cent&rX，cent&rY)
[0027] cente;rX=X，radio
[0028] cente;rY=y'radio
[0029] Radio-经过标定后，每个像素在世界坐标系中的实际长度；
[0030]再求取图像某一斜边与坐标系的夹角0，公式为
[0031] 0 =tan七化为斜边的斜率）；
[0032] 得到该点激光光斑在像素坐标系下的坐标与激光光斑在机器人坐标系下的坐标， 保存数据，如若保存数据不成功，则返回重新取点，保存数据成功后，通过点击控制模块上 的所述标定板边缘区域第二点，取点方向为为顺时针或逆时针，激光测距仪再一次发射激 光光斑在所述选取的点位置上，并再一进行自动测量，保存激光光斑在机器人坐标系下与 激光光斑在像素坐标系下的坐标的数据，同理，保存数据不成功重复之前动作，保存数据成 功后进行下一步，公式如下：设取点数为n(n的初始值为2)，n=n+