[發明專利]一種基于階梯形標定物的激光輪廓傳感器eye-in-hand標定方法

有效

• 申請號: 202110445265.2
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113237434B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 孫煒;苑河南;劉乃銘;劉權利;舒帥
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 南京蘇創專利代理事務所(普通合伙) 32273
• 代理人: 常曉慧

本發明提出了一種階梯型標定物和基于階梯型標定物激光輪廓傳感器手眼標定方法(eye?in?hand模式)，涉及了激光輪廓傳感器的手眼標定技術。本發明所用的階梯形標定物特征明顯，這些特征易于被傳感器檢測并提取，每次標定僅需對齊階梯形標定物上的標記點，提取每個階梯的角點并對這些角點利用RANSAC法擬合直線，利用直線修正激光輪廓傳感器掃描的特征點數據，再根據這些點在機器人基坐標系下的坐標構建手眼方程，用這些數據求解手眼矩陣方程，該方法操作簡單，僅需對標定物掃描一次就可以得到高精度的標定結果。

技術領域

本發明涉及機器人三維視覺領域，具體為一種基于階梯形標定物的激光輪廓傳感器eye-in-hand標定方法。

背景技術

在機器人學和數學中，手眼校準問題是確定機器人末端執行器和攝像機之間或機器人基坐與世界坐標系之間的轉換的問題。實際使用的場景中常采用求解手眼標定問題，其中矩陣代表了機器人基坐標系的特征，矩陣代表了視覺傳感器坐標系的特征，而和是未知的變換矩陣。特殊情況發生在的情況下，求解手眼標定的方程變為，這也是手眼標定求解方程的最普遍情況。例如在機械臂二維抓取的使用場景中，需要求解。

手眼系統分為兩種，即eye-in-hand和eye-to-hand。與二維相機相比，三維傳感器(例如激光輪廓傳感器)標定方式的底層原理和二維相機的標定底層原理類似，但卻不用求解。二維相機標定中存在像素坐標系到世界坐標系的變換過程，由二維相機拍攝的圖片并不是相機坐標系下的圖像，需要根據小孔成像的相機模型進行轉化，所以與三維傳感器的標定相比，二維相機的手眼標定過程更加復雜。三維傳感器在工作過程中采集的點云數據均為傳感器坐標系下的數據，可以直接使用而無需其他的轉換，所以對于激光輪廓傳感器而言，手眼標定問題被轉化為求解。

在已存在的標定算法中，基于標準球的標定方法應用最為廣泛，該方法通過用激光輪廓傳感器掃描標準球，以標準球的球心作為定點，控制機器人多次掃描標準球，再根據球形標定物的特性根據勾股定理求取標準球的球心在傳感器坐標系下的坐標，該方法至少需要機器人以不同的姿態四次掃描標準球，且對于每次激光輪廓傳感器采集的數據都需要進行圓分割和擬合，計算繁瑣且算法復雜度高，在實際標定的過程中，主要存在以下問題：

1.準確獲取標準球球心在機器人基坐標系的坐標值難度較高；

2.在獲取標準球球心在傳感器坐標系下的坐標值(x_s,y_s,z_s)過程中，需要根據建立坐標系并對判斷y_s值的正負，該過程易出錯，且出錯后將導致標定失敗；

3.對每次激光輪廓傳感器掃描標準球的原始數據。需要分割出圓弧區域并對圓弧區域進行擬合，該過程往往需要人工干預，自動化程度較低。

對于問題1，目前常用的解決方案是通過控制機械臂末端執行器接觸標準球表面，從示教器上讀取機器人末端執行器在機器人基坐表系下的坐標，多次重復，將獲取的坐標值進行球擬合獲取標準球在機器人基坐標系下的坐標。該方法存在著明顯的缺陷，首先觸碰標準球可能會導致標準球的位置發生改變，進而導致標準球的球心在機器人基坐標系下的坐標變化；其次，對于末端執行器為抓手的機器人，無法接觸標準球表面，獲取標準球的球心在機器人基坐標系下的坐標變得更加困難；最后，為了保證機器人不觸碰標準球，往往在實際操作的過程中不會使末端執行器觸碰到標準球。這就導致了標定精度不理想，標定結果不穩定。所以球型標定法雖然應用廣泛，但該方法存在較多缺陷。首先，在實驗數據采集的過程中，需要多次對標準球進行掃描，并且每次都需要對輪廓進行分割，分割出圓形區域，然后對圓形區域的數據進行擬合，增加了運算過程的復雜程度；對于每組采集得到的數據都需要對進行修正，若未修正，就會導致標定結果產生較大的偏差；此外受到噪聲等因素的影響，球型標定法的標定結果魯棒性較差，所以球型標定法較為繁瑣。