[發明專利]一種移動作業機器人的三維激光雷達與機械臂間的聯合標定方法

有效

• 申請號: 201910724194.2
• 申請日: 2019-08-07
• 公開（公告）號: CN110497373B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 王超;莊嚴;李卓函;閆飛
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B25J5/00
• 分類號: B25J5/00;B25J19/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;劉秋彤

本發明公開了一種移動作業機器人的三維激光雷達與機械臂間的聯合標定方法，本發明屬于移動作業機器人自主目標識別、抓取及人機協作技術領域。其使用普通方形紙板作為機器人標定過程中的參照物，通過機器人所搭載的三維激光雷達進行三維點云采集，對獲取的點云進行預處理，識別機械臂末端所夾持的方形紙板，得到機械臂在三維激光雷達中的坐標值，通過機械臂控制器獲取其在控制器中的坐標值；重復調整機械臂位置N次(N≥8)，并獲取其相應的坐標值，最后使用最小二乘法求解機械臂在三維激光雷達中的坐標與其控制器中的坐標轉換關系。

技術領域

本發明屬于移動作業機器人自主目標識別、抓取及人機協作技術領域，涉及到三維激光雷達與機械臂之間的聯合工作，特別涉及到三維激光雷達與機械臂之間的聯合標定方法。

背景技術

移動作業機器人是由移動機器人底盤、安裝在底盤上面的三維激光雷達和多自由度機械臂三個主要部件構成，其中底盤可實現機器人在工作場景中的大范圍移動，三維激光雷達負責完成三維環境感知，機械臂用于目標物體抓取及人機協作，其構成示意如圖1所示。移動作業機器人是集機械、控制、模式識別等多學科先進技術于一體的新型工業機器人，相對于傳統工業機器人具有自主靈活作業、高安全性(無需安全隔離帶)、與人共享工作空間等特性，具有廣闊的應用前景。要實現具有自主作業、高安全性的新一代機器人系統，如何解決安裝在底盤上的三維激光雷達與機械臂之間的坐標變換問題，即手眼配合問題是最根本的問題。

在移動作業機器人應用過程中，需要對目標物體實施精確定位與抓取，機器人的手眼配合精準度直接決定了其工作的可靠性，因此提高機器人所搭載的三維激光雷達傳感器坐標系與機械臂坐標系之間的坐標變換精度，可以提高其工作可靠性。國內外學者對此已經展開了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果，但是仍然具有一定的局限性與不確定性。文獻(Malm H,Heyden A.Extensions of plane-based calibration to the caseof translational motion in a robot vision setting[J].IEEE Transactions onRobotics,2006,22(2):322-333.)介紹了一種傳統的手眼標定方法，該方法使用已知的標定對象(黑白標定板)作為參照物，標定視覺與機械臂之間的關系；該方法將相機固定在機械臂末端，通過調整機械臂間接調整相機的位姿，以不同的姿態去拍攝標定對象，求解相機與機械臂之間的坐標轉換關系。文獻(HaixiaXu,YaonaWang,WeiChen,etc.A Self-Calibration Approach to Hand-Eye Relation Using a Single Point[C].Proceedingsof the 2008 IEEE International Conference on Information and Automation,Zhangjiajie China,2008:413-418)介紹了一種使用場景中已知單點參照物的手眼標定方法，該方法將相機固定于機械臂末端，控制相機以7種不同的位姿去觀測場景中的已知參照物，得到參照物在相機中7組不同的坐標值，線性求解坐標轉換矩陣即為相機到機械臂之間的轉換矩陣。上述兩種方法均將相機固定于機械臂末端，無法滿足移動作業機器人視覺與機械臂分離的需求；同時相機雙目測距精度與雙目間基線有光，且誤差與距離相關，距離越遠誤差越大，其測距性能不如激光穩定(激光測距不受距離限制)，無法滿足移動作業機器人對大范圍物體精確定位的需求。

文獻(王英男,戴曙光.線激光器的手眼標定方法[J].電子科技,2015,28(7):183-184.)描述了一種使線激光器以不同位姿掃描空間已知的標定對象(標準球)的方法，獲取不同的位姿坐標，從而獲取機械臂與線激光器的位置關系。但是此方所得的轉換精度受標定對象限制，特別是當線激光器距離標定對象較遠時，其標定結果受到顯著影響；同時，使用二維激光器無法完成三維環境感知，不能滿足移動作業機器人對三維環境感知的需求。

發明內容