一种用于机器人标定的系统及标定方法

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，具体涉及一种用于机器人标定的系统，以及基于所述用于机器人标定的系统的标定方法。

背景技术

利用机器人进行自动化重复作业时，需要借助于视觉系统对机器人进行精确的路径规划，其比较关键的工作是对机器人进行标定。目前，对视觉系统的相机坐标系和机座坐标系主要采用每次进行手眼标定的方法，手眼标定方法通常又分为三类：标准手眼标定、基于旋转运动的手眼标定以及在线手眼标定。然而，采用手眼标定方法存在的问题包括：机器人和相机的相对位置一旦发生变化后，每次都需要重新进行手眼标定，需要大量的重复性标定工作；更关键的是只能将一套视觉系统限制在一台机器人上使用。

现有技术中，文献CN103991006A公开了一种标定方法，根据标定板，建立标定板坐标系和刀具坐标系；根据九孔阵列的中间孔与主轴孔的几何位置关系，建立标定板坐标系和刀具坐标系在标定板锁紧面的二维变换关系；在标定板拍摄面上建立相机坐标系，根据相机拍摄的九孔阵列图像，进行相机内参数标定和相机外参数计算，建立相机坐标系和标定板坐标系在标定板锁紧面的二维变换关系，由此可以得到相机坐标系和刀具坐标系在标定板锁紧面上二维手眼关系，再结合测量得到的相机坐标系原点在制孔深度方向上与刀具坐标系原点的距离信息，可得到相机坐标系与刀具坐标系之间的三维手眼关系。

然而，无论是常规的手眼标定方法还是前述文献CN103991006A公开的标定方法，都存在操作难度大的问题，必须配置专业技术人员(如机器人调试工程师)方可实施。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于机器人标定的系统，以及基于所述用于机器人标定的系统的标定方法，至少用于解决现有手眼标定方法存在的“机器人和相机的相对位置一旦发生变化后，每次都需要重新进行手眼标定，需要大量的重复性标定工作，只能将一套视觉系统限制在一台机器人上使用”技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种用于机器人标定的系统，包括视觉测量系统，机器人设置在视觉测量系统的视野范围内，其特征在于：还包括可移动的光笔或探测标靶，以及固定在机器人上的坐标转换部，该坐标转换部上至少包括三个不在同一直线上的标记点，标记点可以是主动发光也可以是被动反光。

作为本发明的优选方案，所述标记点直接固定在机器人的机座上，或者，将带有所述标记点的部件固定在机器人的机座上。

作为本发明的优选方案，光笔采用带主动发光标记点的光笔，或者探测标靶采用带主动发光标记点的探测标靶。

为降低标定工作难度，简化标定工作程序，基于前述用于机器人标定的系统的标定方法，其步骤包括：

先获取坐标转换部坐标系与机器人机座坐标系的转换关系，并进行绑定；当视觉测量系统的相机被更换或者被移动后，再采集坐标转换部在新相机坐标系下的坐标，并基于所述转换关系对机器人机座坐标系进行标定。本发明中，被更换或者被移动后的相机称之为新相机。

为进一步解决现有标定方法存在操作难度大，必须配置专业技术人员方可实施的问题，基于前述用于机器人标定的系统的标定方法，其步骤包括：

步骤1，将坐标转换部固定安装在机器人的机座上，确保坐标转换部位于视觉测量系统的相机视野范围内；

步骤2，采用光笔或探测标靶和视觉测量系统对视觉测量系统的相机坐标系，以及机器人机座坐标系进行标定，计算出相机坐标系和机器人机座坐标系的转换关系；

步骤3，借助于视觉测量系统采集坐标转换部在相机坐标系下的坐标，计算出坐标转换部坐标系与机器人机座坐标系的转换关系；

步骤4，将坐标转换部的光学结构以及所得坐标转换部坐标系与机器人机座坐标系的转换关系进行绑定；

步骤5，当视觉测量系统的相机被更换或者被移动后，再次采集坐标转换部的光学结构及其在新相机坐标系下的坐标，并基于步骤4所绑定的转换关系对机器人机座坐标系进行标定。

为进一步降低机器人标定成本，多台机器人共用同一套视觉测量系统。

有益效果：采用本发明方案，能够标定视觉测量系统的相机坐标系和机器人机座坐标系，一台机器人只需进行一次坐标系标记，能够将一套视觉测量系统应用于多台机器人，标记后可在多台机器人之间实现快速切换，同一套视觉测量系统在多台机器人之间进行切换时不用重复进行手眼标定；本发明方案采用了新的技术路线进行标定，大幅简化了机器人标定工作的工序，大幅降低了机器人标定工作的难度，普通人员也能够顺利进行机器人标定操作。

附图说明

图1是实施例1中用于机器人标定的系统示意简图；

图2是实施例2中用于机器人标定的系统示意简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1

如图1所示，一种用于机器人标定的系统，包括视觉测量系统，该视觉测量系统主要由相机2及其计算单元3构成，机器人4(编号6表示机器人执行机构工具输出端)设置在视觉测量系统的相机2的视野范围内，且机器人4的控制单元5通过无线或者有线方式连接相机2的计算单元3并进行通信；还包括可移动的光笔或探测标靶1(图中用编号1表示探测标靶或光笔)，以及固定在机器人4上的坐标转换部7，该坐标转换部7上至少包括三个不在同一直线上的标记点。所述标记点直接固定在机器人4的机座上，或者，将带有所述标记点的部件固定在机器人4的机座上。本实施例中，光笔或探测标靶1采用带主动发光的光笔或探测标靶，无需外配光源。

一种基于本实施例中用于机器人标定的系统的标定方法，其步骤如下：

步骤1，将坐标转换部7固定安装在机器人的机座上，确保坐标转换部7位于视觉测量系统的相机视野范围内；

步骤2，采用光笔或探测标靶1和视觉测量系统对视觉测量系统的相机坐标系，以及机器人机座坐标系进行标定，计算出相机坐标系和机器人机座坐标系的转换关系；

本步骤中，是用光笔或探测标靶1和视觉测量系统测量在机器人机座坐标系O1-X1-Y1-Z1下已知位姿的特定结构,完成手眼标定，例如：测量在机器人机座坐标系下已知的不在同一直线上三点的坐标，若该结构在机器人机座坐标系下的表示(P1，N1,X1),N1表示该结构上P点所在平面的法向量，表示坐标系的Z轴，X1为P点所在平面上的一矢量，表示坐标系的X轴，该矢量可以通过测量得到；用光笔或探测标靶1测得P点在相机坐标系C(Oc-Xc-Yc-Zc)下的表示为(Pc,Nc,Xc)，假设相机坐标系与机器人机座坐标系的转换关系表示为{Rc1,Tc1},则P1＝Pc*Rc1+Tc1,N1＝Nc*Rc1,X1＝Xc*Rc1，因(P1,N1,X1)已知,(Pc,Nc,Xc)已测得，可求得转换关系{Rc1,Tc1}，其中Rc1可使用求法向量Nc旋转到法向量N1的四元数R1，Xc’＝Xc*R1,再求解Xc’旋转到X1的四元数R2，则Rc1＝R1*R2；Tc1＝(P1–Pc*Rc1)；

步骤3，借助于视觉测量系统采集坐标转换部7在相机坐标系下的坐标，计算出坐标转换部7坐标系与机器人机座坐标系的转换关系；

本步骤中，坐标转换部7至少包含3个不在同一条直线上的发光或反光标记点，可以定义一个刚性坐标系W(Ow-Xw-Yw-Zw)，视觉测量系统根据采得图片结构可以计算刚性坐标系W(Ow-Xw-Yw-Zw)与相机坐标系的转换关系{Rwc,Twc}，而步骤3已经测得相机坐标系与机器人机座坐标系的转换关系{Rc1,Tc1}，由此计算出坐标转换部7坐标系与机器人机座坐标系的转换关系{Rw1,Tw1}；

已测得坐标转换部7在相机坐标系下的位姿(Pc,Nc,Xc)，根据P1＝Pc*Rc1+Tc1,N1＝Nc*Rc1,X1＝Xc*Rc1可求得坐标转换部7在机器人机座坐标系下的表示(P1,N1,X1)，设坐标系W与机器人机座坐标系的转换关系为{Rw1,Tw1},设定坐标转换部7在W坐标系下的位姿态为(Pw,Nw,Xw)，可求得转换关系{Rw1,Tw1}，其中Rw1＝Rwc*Rc1，Tw1＝Rc1*Twc+Tc1。

将刚性坐标系W与{Rw1,Tw1}建立唯一对应关系，刚性坐标系W代表坐标转换部7的结构，{Rw1,Tw1}则是坐标转换部7坐标系与机器人机座坐标系的转换关系；

步骤4，将坐标转换部7的结构以及所得坐标转换部7坐标系与机器人机座坐标系的转换关系{Rw1,Tw1}进行绑定；

步骤5，当视觉测量系统的相机被更换或者被移动后，再次采集坐标转换部7的光学结构和坐标，并基于步骤4所绑定的转换关系对机器人机座坐标系进行标定；

由于建立了刚性坐标系W与{Rw1,Tw1}的唯一对应关系，当视觉测量系统的相机被更换或者被移动后(被更换或者被移动后的相机称之为新相机)，再次进行标定时就只需要采集坐标转换部7在新相机坐标系下的光学结构和坐标，从而能够快速计算得到机器人机座坐标系与新相机坐标系的转换关系{R’c1,T’c1}，使得用于机器人示教、标定的视觉系统相机和机器人机座可以不必保持固定位置。

采用本发明的方案，在机器人4上固定安装坐标转换部7后，机器人机座和坐标转换部7属于同一个刚体，坐标转换部7的坐标关系与机器人机座坐标关系保持不变，在第一次进行相机和机器人机座坐标系标定时，可将机器人机座坐标系和坐标转换部7的坐标系转换关系保存，进而，视觉测量系统相机更换或者被移动后，可以快速测量坐标转换部7在新相机坐标系下的位姿，从而快速计算得到机器人机座坐标系与新相机坐标系的转换关系{R’c1,T’c1}。从而可以实现：在采集示教位姿的过程中视觉测量系统的相机可以移动，多台机器人可以只用一套视觉测量系统和光学结构就能进行快速的示教姿态采集。

采用本发明方案，能够标定视觉测量系统的相机坐标系和机器人机座坐标系，一台机器人只需进行一次坐标系标记，能够将一套视觉测量系统应用于多台机器人，标记后可在多台机器人之间实现快速切换，同一套视觉测量系统在多台机器人之间进行切换时不用重复进行手眼标定；采用本发明方案，大幅简化了机器人标定工作的工序，大幅降低了机器人标定工作的难度，普通人员也能够顺利进行机器人标定操作。

本发明中，所用的光笔或探测标靶1可以是主动发光标记装置，也可以是被动发光标记装置，主动发光标记装置可以采用如文献CN111707190A中的一种用于视觉测量的主动发光标记装置。

本发明中，不同坐标系之间的转换关系的算法为本领域技术人员知晓的算法，基于这些算法都能够通过程序实现结果输出。

采用本发明方案进行机器人标定的实施步骤：

步骤11，在机器人保持某一已知构型下，将坐标转换部7固定安装在机器人的机座上，确保坐标转换部7位于视觉测量系统的相机视野范围内；

步骤12，开启视觉测量系统，将光笔或探测标靶1的触点(探测点)接触机器人4的机械接口，每次接触后视觉测量系统的相机2自动拍照并获取光笔或探测标靶1的触点坐标(此处是指在相机坐标系下的坐标)，由此测量出机械接口在相机坐标系下的坐标，因为在某一构型下机械接口在相机坐标系下的坐标已知，从而可以计算出相机坐标系与机器人机座标系的转换关系{Rc1,Tc1}；同时，视觉测量系统的相机2自动拍照并获取坐标转换部7在相机坐标系下的标记点坐标；此步骤中，最终通过计算机程序自动计算出坐标转换部7坐标系与机器人机座坐标系的转换关系{Rw1,Tw1}，并对该转换关系进行保存(与其光学结构绑定)；

步骤13，当视觉测量系统的相机被更换或者被移动后，再次开启视觉测量系统，采集坐标转换部7在新相机坐标系下的光学结构和坐标，并基于所绑定的转换关系对机器人机座坐标系进行标定，从而能够快速计算得到机器人机座坐标系与新相机坐标系的新转换关系{R’c1,T’c1}。

实施例2

一种用于机器人标定的系统，以及一种基于本实施例中用于机器人标定的系统的标定方法，其方案参照实施例1并结合图2所示，其与实施例1的区别在于：光笔或探测标靶1采用带被动反光标记点的探测装置，需要在光笔或探测标靶1附近外配光源8，光源照射光笔或探测标靶1以及坐标转换部7上的反光标记点，便于视觉系统采集到更加清晰的反光点的光学结构。