一种机器人线结构光视觉测量系统的手眼标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器人手眼标定技术领域，具体涉及一种机器人线结构光视觉测量系 统的手眼标定方法。
【背景技术】
[0002] 线结构光视觉测量技术，因其具有精度高、测量速度快等优点而被广泛用于三维 重建，工业视觉检测等领域。在工业检测领域，线结构光传感器通常安装机器人末端执行器 上用于检测产品的质量。
[0003] 线结构光视觉传感器与机器人一起组成机器人线结构光视觉测量系统，在使用该 系统进行测量时必须先确定线结构光视觉传感器与机器人末端执行器之间的位姿关系，确 定这个关系的过程称为手眼标定。
[0004] 目前，李爱国等提出了一种以标准球为靶标的手眼标定方法，该方法以标准球为 靶标，通过光结构投射器投射到标准球表面的光条纹进行光条纹的提取，然后拟合出光条 纹所在的球方程。这种方法面临标定过程中图像处理的难题。而且，该标定方法是基于控制 机器人末端执行器做纯平移运动，进而通过分析摄像机坐标系和靶标坐标系之间的关系， 获得相应的旋转矩阵和平移量。然而，这对于大部分旋转关节机器人来说，其末端执行器的 移动精度无法达到纯平移运动，最终导致标定不准确。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种机器人线结构光视觉测量系统的手眼标定方法，能 够通过控制机器人做一般的运动而实现手眼标定。
[0006] 一种机器人线结构光视觉测量系统的手眼标定方法，该方法包括：
[0007] 以机器人基座中心位置为原点0。，建立机器人基座坐标系OrXJJ。;以机器人末 端法兰盘中心位置为原点1，建立第一机器人末端坐标系OfUZd以与机器人末端相连 的摄像机光心为原点0。，建立第一摄像机坐标系其中，第一摄像机坐标系中X。轴 和Y。轴分别平行于摄像机成像平面的u轴和v轴，Z。轴由右手定则确定；以一个具有一组 正交直径AB、⑶的圆为靶标，靶标圆心为原点0W，建立靶标坐标系0w-XwYwZw;靶标坐标系中 靶标的直径AB所在直线从A到B的方向为靶标坐标系的Xw轴，CD所在直线从C到D的方 向为靶标坐标系的Yw轴，Zw轴由右手定则确定；
[0008] 步骤一、通过机器人控制器获得机器人在初始状态下第一机器人末端坐标系相对 于机器人基座坐标系的变换矩阵将线结构光投射器与摄像机刚性连接安装在机器人 末端；线结构光投射器向靶标投射一光条纹，且该光条纹穿过靶标圆心位置处，利用光条纹 所穿靶标圆心处的光平面方程和摄像机成像原理获得第一摄像机坐标系相对于靶标坐标 系的第一平移量利用调和共辄理论，获得直径AB相对于第一摄像机坐标系的消隐点p 和直径CD相对于第一摄像机坐标系的消隐点q，并结合已知的摄像机内参数和罗德里格旋 转公式获得第一摄像机坐标系相对于靶标坐标系的第一旋转矩阵R?;
[0009] 步骤二、根据步骤一中获得的第一平移量UP第一旋转矩阵，根据齐次变换矩 阵定义，获得第一摄像机外参数
[0010] 步骤三、机器人末端进行第一次移动，并以机器人末端第一次移动后末端法兰盘 中心位置为原点(^，建立第二机器人末端坐标系(V-X^Y^Zy;以第一次移动后摄像机光心 为原点0。，，建立第二摄像机坐标系;通过机器人控制器获得末端第一次移动后 第二机器人末端坐标系相对于机器人基座坐标系的变换矩阵，并根据A%，= (Am，） 获得末端第一次移动前后的机器人末端运动量A%，；
[0011] 步骤四、按照步骤一的方式，获取末端第一次移动后第二摄像机坐标系相对于靶 标坐标系的第二平移量t'。，"和第二旋转矩阵R'
[0012] 步骤五、根据步骤四中获得的第二平移量t'。，"和第二旋转矩阵R'，根据齐次变 换矩阵定义，获得第二摄像机外参数
[0013] 步骤六、根据齐次线性变换理论，利用步骤二中获得的第一摄像机外参数^口 步骤五中获得的第二摄像机外参数，获得末端第一次移动前后的摄像机运动量= BC'WX(Bcw)S
[0014] 步骤七、机器人末端进行第二次移动，以第一次移动后的位置作为初始位置，按照 步骤三到步骤六的方法，以机器人末端第二次移动后末端法兰盘中心位置为原点(V，建立 第三机器人末端坐标系〇e,,-Xe,,Ye,,Ze";以第二次移动后摄像机光心为原点0建立第三摄 像机坐标系〇。，，-&，，1，，2。，，;获得第二次移动前后的机器人末端运动量^\^，，以及末端第二次 移动后的第三摄像机坐标系相对于靶标坐标系的第三平移量丨"。,,"和第三旋转矩阵R" c,,w; 进而获得第三摄像机外参数
并根据第三摄像机外参数Be,,w以及步 骤五中获得的第二摄像机外参数，获得末端第二次移动前后的摄像机运动量=BC''WX(Bc'w);
[0015] 步骤八、利用运动量和手眼关系模型AX=XB，根据步骤三和步骤六中获得的机器 人末端运动量和摄像机运动量B，建立第一次移动机器人末端前后的第一约束方程A%，X=XB。。，;根据步骤七中获得的机器人末端运动量A 和摄像机运动量建立第二次 移动机器人末端前后的第二约束方程A^,,X=XB。.。,,;联立第一约束方程和第二约束方程， 获得手眼标定矩阵X。
[0016] 特别地，所述步骤一中第一摄像机坐标系相对于靶标坐标系的第一平移量^勺 获取方法为：
[0017] 在第一摄像机坐标系下，利用光条纹所穿靶标圆心处的光平面方程和摄影机成像 原理，获得靶坐标系原点〇w在第一摄像机坐标系的相对位置关系夂a.、&、z〇,.,并将该位 置关系以矩阵方式构建第一平移量
[0018] 特别地，所述步骤一中第一摄像机坐标系相对于靶标坐标系的第一旋转矩阵R? 的获取方法为：
[0019] 第1步：定义靶标坐标系中选取的正交直径AB和CD在摄像机成像平面上的相应 成像为ab和cd;定义靶标坐标系原点0W在摄像机成像平面上的相应成像为〇 w;根据射影 几何的调和共辄理论，结合摄像机透视投影的同素性和交比不变性，有
[0020]
(6);
[0021] 其中，&〇"代表端点a到靶标坐标系原点〇w之间的长度；bo"代表端点b到靶标坐 标系原点〇w之间的长度；ap代表端点a到消隐点p之间的长度；bp代表端点b到消隐点p 之间的长度；同理，c〇wR表端点c到靶标坐标系原点〇w之间的长度；do"代表端点d到靶标 坐标系原点〇w之间的长度；cq代表端点c到消隐点q之间的长度；dq代表端点d到消隐点 q之间的长度；
[0022] 第2步：利用点a、b、c和d的像素坐标获得消隐点p的像素坐标（up、vp)和消隐 点q的像素坐标（Uq、Vq);
[0023] 第3步：以第一摄像机坐标系的原点为原点，在第一摄像机坐标系上建立与靶标 坐标系的坐标轴方向相同的过渡坐标系A-X'WY'WZ' w;
[0024] 第4步：利用公式（6)对消隐点p和消隐点q的像素坐标进行焦距归一化，进而获 得消隐点P在第一摄像机坐标系下的三维坐标为
消隐点q在第一摄像机 坐标系下的三维坐标为
其中，u。、V。为摄像机光轴与摄像机成像平面的交 点像素坐标；a、0为尺度因子；
[0025] 第5步：将第一摄像机坐标系下的消隐点p和消隐点q分别与第一摄像机坐标系 的光心0。连接，获得矢量〇 和如；
[0026] 第6步：获得并单位化由矢量0j)和Aq在第一摄像机坐标系中确定的平面0j)q 的法向量％;
[0027] 第7步：获得法向量％旧与第一摄像机坐标系中Z。轴的单位向量（0, 0, 1)的夹角
[0028] 第8步：获得并单位化与法向量和第一摄像机坐标系中Z。轴的单位向量（0， 0,1)的正交向量S;
[0029] 第9步：根据法向量％?和夹角，采用罗德里格公式，获得第一摄像机 坐标系到过渡坐标系的旋转矩阵
[0030] 第10步：定义靶标坐标系的〇wXw轴和0WYW轴在摄像机成像平面上的像分别