[發明專利]一種基于S-R-S結構的康復機械臂的單目視覺手眼標定方法

有效

• 申請號: 201910044816.7
• 申請日: 2019-01-17
• 公開（公告）號: CN109859275B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 張天麟;陳盛;徐國政;高翔;朱博
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80;B25J9/16
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 王素琴

本發明公開了一種基于S?R?S結構的康復機械臂的單目視覺手眼標定方法，首先建立康復機械臂的運動學模型；然后標定相機的內參矩陣，利用圓弧軌跡分析法求出康復機械臂末端和基座各關節旋轉軸在相機坐標系中坐標表示，進一步求得末端和基座坐標系與相機坐標系之間的轉換矩陣，再利用靶標與相機坐標系間的轉換矩陣求得末端與靶標之間的轉換關系，同理求出基座與相機坐標系間的轉換矩陣，實現手眼標定；根據標定得到的靶標與末端間的轉換矩陣和基座與相機間的轉換矩陣，以及康復機械臂轉動后靶標與相機間的實時轉換矩陣，可以求得末端坐標系與基座坐標系之間的轉換矩陣，實現位姿測量；本發明簡化了單目測量的系統結構，手眼標定和位姿測量可以同時測量。

技術領域

本發明屬于移動機器人定位和單目視覺測量技術領域，具體涉及一種基于S-R-S結構的康復機械臂的單目視覺手眼標定方法。

背景技術

機械臂末端位姿的準確測量是機器人定位技術中的關鍵問題。視覺傳感器因價格低廉、使用方便而受到廣泛關注，基于視覺傳感器的定位方法一直是研究的熱點。根據傳感器數目的不同，視覺定位方法可分為單目視覺定位、雙目視覺(立體視覺)定位和多目視覺(全方位視覺)定位。單目視覺定位僅需要一臺攝像機便能完成定位工作，簡單易用且適用廣泛，無需解決立體視覺中的兩攝像機間的標定和特征點的匹配問題，也不會像全方位視覺傳感器那樣產生很大的畸變。如何在單目視覺條件下，準確完成位姿求解是一個重要的研究方向。

根據相機與機器人的位置關系，機器人視覺系統可以分為： Eye-in-Hand(EIH)和Eye-to-Hand(ETH)。相機安裝在機械臂末端，并隨機械臂一起運動的視覺系統稱為Eye-in-Hand式手眼系統。相機安裝在機械臂本體之外的固定位置，且相機不隨機械臂運動的視覺系統稱為Eye-to-Hand式手眼系統。針對康復機械臂末端位姿的測量，由于機械臂末端的特殊性，不宜安裝相機，所以必須采用固定相機的 ETH視覺系統，此系統中在機械臂末端安裝靶標來實現位姿測量。視覺系統的首要任務便是確定相機與機械臂之間的空間關系，即手眼標定。典型的手眼標定方法是控制機械臂末端變換至不同位置，利用相機采集不同位置處靶標坐標系與相機坐標系的轉換矩陣，再結合機械臂的運動參數，求解方程AX＝XB確定手眼關系。對于該方程的求解，經典的方法是Tsai等人提出的轉站法，但該方法需要機械臂移動較大角度才能標定；另外，存在一些幾何方法、特征向量、直積等不同的數學方法解決這一問題，但是由于該方程解的非線性和不穩定性，方程的求解也比較復雜。此外，該方程中矩陣B是機械臂運動前后末端位姿變換矩陣，需要準確的機械臂運動學參數來計算，引入了很大的誤差來源，而且針對某些沒有完整、準確的運動學參數的康復機械臂，傳統的手眼標定方法便無法實現。

發明內容

針對上述現有技術中手眼標定方法計算過程復雜的問題，本發明于提出一種基于S-R-S結構的康復機械臂的單目視覺手眼標定方法；該方法無需求解復雜的非線性方程，而且不需要提供全部的28個DH 參數，只需要提供其中d₁和d₇參數，具體技術方案如下：

一種基于S-R-S結構的康復機械臂的單目視覺手眼標定方法，所述方法包括步驟：

S1、建立指定大小自由度康復機械臂的運動學模型，其中，所述康復機械臂中相鄰關節的旋轉軸之間均相互垂直且相交于一點；

S2、在所述康復機械臂的末端固定連接一標靶，并固定一相機在所述康復機械臂附近；

S3、以設定的姿態和位置擺放標靶，采用相機獲取不同姿態和位置擺放所述標靶的照片，并利用解PNP的方法獲取所述相機坐標系在所述康復機械臂轉動后與所述標靶坐標系的轉換矩陣^bT_c；

S4、旋轉所述康復機械臂末端單個關節并利用對應關節轉動的圓弧軌跡擬合出所述圓弧軌跡的圓心，基于對應所述關節的旋轉軸經過所述圓心獲得所述旋轉軸在所述相機坐標系中的坐標表示，并獲取康復機械臂末端坐標系與所述相機坐標系之間的轉換矩陣ⁿT_c；