[發明專利]一種用于線結構光傳感器的手眼標定系統及標定方法

有效

• 申請號: 201911046064.4
• 申請日: 2019-10-30
• 公開（公告）號: CN110906863B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 張明勇
• 申請（專利權）人: 成都絕影智能科技有限公司
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 成都環泰專利代理事務所(特殊普通合伙) 51242
• 代理人: 李斌;黃青

1.一種用于線結構光傳感器的手眼標定方法，包括機器人、線結構光傳感器、末端工具和錐形標靶，其特征在于，包括以下步驟：

S1、移動機器人的動作部，使末端工具的尖端與所述錐形標靶的錐尖對準，記錄此刻末端工具尖端在機器人本體坐標系下的空間坐標，記為T(x₀,y₀,z₀)；

S2、移動機器人的動作部，使線結構光傳感器掃描并測量所述錐形標靶的錐尖，測量并記錄線結構光傳感器測量錐尖位置的坐標，同時記錄當錐尖位于線結構光的光平面上時，末端工具尖端在機器人本體坐標系下的空間坐標，一次記錄的所述錐尖位置的坐標和所述空間坐標記為一組標定點坐標數據,所述步驟S2中，線結構光傳感器測量錐尖位置的坐標包括以下步驟：

S21、當線結構光傳感器的結構光靠近所述錐形標靶的尖端位置附近并繼續掃過錐尖時，計算并記錄線結構光在錐尖上投射出的兩條亮線之間的夾角θ；

S22、判斷線結構光在錐尖上投射出的兩條亮線之間的夾角隨著機械臂移動時的變化，當夾角θ取得極值時，記錄此時線結構光傳感器檢測到的錐尖坐標；

S3、移動機器人的動作部，改變機器人的動作部和末端工具的位姿，重復執行步驟S2，在線結構光傳感器的測量范圍內采集至少4組標定點坐標數據；

S4、利用機器人運動學方程和線結構光傳感器對同一錐尖點的多次測量獲得的上述多組標定點坐標數據，建立標定點坐標約束的最小二乘方程，計算出手眼標定變換矩陣。

2.根據權利要求1所述的用于線結構光傳感器的手眼標定方法，其特征在于，所述步驟S21中，夾角θ的計算包括以下步驟：

獲取線結構光傳感器在所述錐形標靶的錐尖處測量得到的三維輪廓點云數據，擬合出兩條相交的空間直線，并計算出這兩條直線之間的夾角。

3.根據權利要求1所述的用于線結構光傳感器的手眼標定方法，其特征在于，所述步驟S21中，夾角θ的計算包括以下步驟：

獲取線結構光傳感器在所述錐形標靶的錐尖處測量得到的圖像平面內的二維點云數據，擬合出兩條相交的平面直線，并計算出這兩條直線之間的夾角。

4.根據權利要求2或3所述的用于線結構光傳感器的手眼標定方法，其特征在于，所述步驟S22中，取得極值的同時，判斷點云數據擬合出的連線在錐形標靶的錐尖處是否連續且為相交直線：若點云數據擬合出的連線在錐形標靶的錐尖位置連續且構成相交直線，則判斷該極值點有效；若點云數據擬合出的連線在錐形標靶的錐尖處為圓弧線或不連續，則判定該夾角極值無效，繼續尋找夾角極值。

5.根據權利要求1所述的用于線結構光傳感器的手眼標定方法，其特征在于，所述步驟S4中，建立標定點坐標約束的最小二乘方程包括以下步驟：

S41、將步驟S3獲取到的幾組標定點坐標數據代入如下坐標齊次變換方程：

將tool下標的齊次矩陣記為A，sense下標的齊次矩陣記為B，上式可表達為：A＝T_calib×B，式中，T_calib為4x4階的待求矩陣，即手眼標定矩陣；A中的x_i、y_i、z_i分別代表在線結構光傳感器掃描到錐形標靶的尖端中心位置時，末端工具在機器人本體坐標系下的空間坐標；B中的a_j、b_j、c_j表示在線結構光傳感器掃描到錐形標靶的尖端中心位置時，線結構光傳感器測量到的錐形標靶的錐尖在線結構光傳感器坐標系下的坐標；其中i＝1,2,3,4,...n；j＝1,2,3,4,...n；n4；

S42、使用最小二乘法求解T_calib，其矩陣計算公式為：

T_calib＝(A×B^T)×inv(B×B^T)。

6.根據權利要求5所述的用于線結構光傳感器的手眼標定方法，其特征在于，所述步驟S42之后還包括以下步驟：

S43、將步驟S3獲得的各組標定點坐標數據帶入步驟S41中的齊次變換方程，并按照下式計算各組標定點坐標數據的標定誤差：

Δerror_i＝sqrt((x_i-x_i^*)²+(y_i-y_i^*)²+(z_i-z_i^*)²)；

式中，x_i^*、y_i^*、z_i^*表示序號為i的標定點坐標數據對應的線結構光傳感器測量錐形標靶的錐尖在線結構光傳感器坐標系下的坐標經手眼標定轉換之后的新坐標；

S44、判斷是否存在某個標定點坐標數據的誤差大于預設定的最大允許標定誤差，若是，刪除超差的標定點坐標數據后進入步驟S45，反之則結束標定；

S45、判斷剩余標定點坐標數據組的組數是否大于4，若是則返回步驟S41；反之則提示標定誤差超差，繼續采集新的標定點坐標數據后返回步驟S41。