[發明專利]基于彩色球形光源靶標的機械臂末端位姿測量系統及方法

有效

• 申請號: 201811332218.1
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109443206B
• 公開（公告）日: 2020-03-10
• 發明（設計）人: 蔣奇;馬一凡
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/26
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李琳

1.一種基于彩色球形光源靶標的機械臂末端位姿測量系統的工作方法，其特征是：包括彩色球形光源靶標、光源控制模塊、固定安裝相機、計算機、機械臂和靶標標定系統，其中：

所述彩色球形光源靶標包括兩個相互垂直相交的支桿，每個支桿的兩個端部均設置有一組光源，每組光源至少包括一個定位中心，以及沿所述定位中心分布的三個不同顏色的光源；

所述支桿設置于機械臂上，隨機械臂的移動而移動；

所述光源控制模塊用于控制光源靶標打開和關閉，與計算機連接；

所述固定安裝相機采集機械臂末端運動圖像，與計算機連接；

所述計算機用于處理相機采集的圖像，進行圖像處理，計算機械臂末端位姿，所述計算機通過光源控制模塊控制光源打開和關閉；

所述靶標標定系統用于計算靶標在機械臂末端坐標系的位置，靶標標定系統出廠或第一次使用時進行一次計算即可；

包括以下步驟：

測量系統出廠或第一次使用時，在自然光環境下確定固定安裝相機圖像中顏色校正板區域位置；

測量系統出廠或第一次使用時標定靶標在機械臂末端坐標系位置；

固定安裝相機標定；

分別在關閉靶標光源與打開靶標光源狀態采集至少一幅圖像；

靶標光源打開前后的圖像相減得到光源靶標圖像；

對采集的圖像進行顏色校正；

結合顏色和靶標圓形形狀識別出光源靶標，計算靶標圖像的重心作為光源球心；

判斷當前圖像中靶標數量，若靶標數量大于等于3，則計算靶標特征點在相機坐標系的位置，根據靶標特征點在機械臂末端坐標系和相機坐標系的位置，計算機械臂末端坐標系在相機坐標系的旋轉平移矩陣以及位置和姿態角；否則重新采集圖像。

2.如權利要求1所述的一種基于彩色球形光源靶標的機械臂末端位姿測量系統的工作方法，其特征是：所述固定安裝相機為一個相機組成單目視覺或兩個相機組成雙目視覺進行位姿測量。

3.如權利要求1所述的一種基于彩色球形光源靶標的機械臂末端位姿測量系統的工作方法，其特征是：所述靶標標定系統采用手眼標定的方式計算光源靶標在機械臂末端坐標系位置。

4.如權利要求1中的工作方法，其特征是：靶標標定系統計算靶標在機械臂末端坐標系位置具體步驟如下：

首先確定手眼相機圖像中顏色校正板區域位置；

單目視覺方式：在機械臂末端上放置相機，標定相機內參數，通過手眼標定計算相機坐標系和機械臂末端坐標系的旋轉平移矩陣，通過單目視覺方式計算出每個光源靶標在手眼相機坐標系位置，計算靶標在機械臂末端坐標系的位置；

雙目視覺方式：在機械臂末端上放置兩個相機構成雙目視覺，標定兩個相機內參數和外參數，通過手眼標定計算其中一個相機的相機坐標系和機械臂末端坐標系的旋轉平移矩陣，通過雙目視覺方式計算出每個光源靶標在上述相機坐標系位置，計算靶標在機械臂末端坐標系的位置。

5.如權利要求1中的工作方法，其特征是：關閉靶標光源時采集的圖像A，打開靶標光源時采集的圖像B，圖像B減去圖像A得到圖像C，根據圖像C確定靶標區域，令圖像C中靶標區域值是1，非靶標區域值是0，與圖像B對應坐標像素值相乘，即得到光源靶標圖像。

6.如權利要求1中的工作方法，其特征是：對采集的圖像進行顏色校正的具體過程包括：

(1)在工作環境中，相機采集圖像，計算顏色校正板區域圖像的各個顏色通道平均值R_avg、G_avg和B_avg；

(2)對采集的圖像R、G和B通道進行如下運算：r＝R_i/R_avg；g＝G_i/G_avg；b＝B_i/B_avg，R_i、G_i和B_i為采集的圖像的各通道的數據，若結果大于1，取值為1；

(3)將r、g和b轉換成8位整型數據；

(4)組合RGB三個通道矩陣。