一种基于相机光轴约束的双机械臂标定方法技术

本发明专利技术涉及一种基于相机光轴约束的双机械臂标定方法，包括以下步骤：步骤一：构建双机械臂标定系统；步骤二：建立基于误差模型的参数标定方程；步骤三：基于视觉控制的特征点对齐及位置数据获取；步骤四：求解标定方程。本发明专利技术仅利用相机和棋盘格标定板构建双机械臂标定系统，操作简便，不需要昂贵的高精度仪器和精心制作的标定工具，降低了标定成本；本发明专利技术标定精度更高，标定步骤更少，操作更加方便；本发明专利技术使用基于图像的视觉控制方法控制主动机械臂运动，使特征点自动与相机光轴对齐，标定过程无需专业人员操作，仅需操作者进行简单的监督即可；本发明专利技术适用于各类双臂协作系统，标定精度高，标定结果可满足大部分双臂协作任务的需求。

A Calibration Method of Two Robot Arms Based on Camera Optical Axis Constraints

The present invention relates to a calibration method of two manipulators based on camera optical axis constraint, which includes the following steps: step 1: constructing a calibration system of two manipulators; step 2: establishing parameter calibration equation based on error model; step 3: feature point alignment and position data acquisition based on visual control; step 4: solving calibration equation. The invention only uses cameras and checkerboard grid calibration board to construct a dual manipulator calibration system, which is easy to operate, does not need expensive high-precision instruments and precision calibration tools, and reduces the cost of calibration; the invention has higher calibration accuracy, fewer calibration steps and more convenient operation; the invention uses image-based visual control method to control the movement of the active manipulator, so as to make the feature points self-contained. The calibration process is aligned with the optical axis of the camera, and requires no professional operation, only simple supervision by the operator. The calibration method is applicable to all kinds of dual-arm cooperative systems with high calibration accuracy, and the calibration results can meet the needs of most dual-arm cooperative tasks.

【技术实现步骤摘要】
一种基于相机光轴约束的双机械臂标定方法
本专利技术涉及一种双机械臂标定方法，特别是一种基于相机光轴约束的双机械臂标定方法，属于机器人标定领域。
技术介绍
双臂机器人作为机器人产业发展的重大标志性产品之一，在工业、生活、医疗、航空航天等领域有着越来越广泛的应用。双机械臂可以合作完成单个机械臂难以完成的任务，如移动质量或体积大的物体、多部件复杂装配、柔性物体的处理等，具有节约成本、节省空间、提高生产效率等优点。在双臂协作完成各种任务时，双臂系统的精度直接影响了任务的完成程度和成功率，零件装配等任务对双臂系统的精度提出了更高的要求。为了提高双臂系统的定位精度，必须对其进行有效的标定。在双臂系统完成协作任务时，两机械臂基座的相对关系需要提前已知，即为双机械臂的基坐标标定。对于双机械臂系统，一般只进行基坐标标定，而由于制造公差、环境变化和磨损等因素的影响，机械臂实际的运动学参数与其出厂设置的名义运动学参数存在误差，导致机械臂的末端绝对定位精度降低，因此需要进行运动学参数标定。目前，机械臂运动学参数标定和基坐标系标定通常使用高精度的测量仪器或精心制作的标定工具，这类方法价格昂贵且需要专业的人员操作，不适合大多数场景中对简单有效标定的要求，并且机械臂运动学参数标定和基坐标标定通常分开进行，使用不同的标定设备和标定方法，使标定过程更加复杂。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种不需要昂贵的标定设备，精度高且操作简单的基于相机光轴约束的双机械臂标定方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于相机光轴约束的双机械臂标定方法，包括以下步骤：步骤一：构建双机械臂标定系统；步骤二：建立基于误差模型的参数标定方程；步骤三：基于视觉控制的特征点对齐及位置数据获取；步骤四：求解标定方程。本专利技术还包括：1.步骤一中双机械臂标定系统具体为：包括两个机械臂，在其中一个机械臂的末端固定一个相机，此机械臂为被动机械臂；另一个机械臂末端固定一个棋盘格标定板，此机械臂为主动机械臂。2.步骤二中建立基于误差模型的参数标定方程具体为：步骤1：分别对每个机械臂建立运动学误差模型，得到机械臂的末端位置误差ΔPe与运动学参数误差向量之间的关系：其中JP为运动学位置误差雅可比矩阵；步骤2：根据建立的运动学误差模型，推导基于直线约束的运动学误差模型，得到运动学参数标定方程：其中E为位置对齐误差，Φ为运动学误差雅可比矩阵；步骤3：建立两机械臂的基座姿态变换误差模型，得到双臂基坐标姿态变换矩阵的标定方程，具体为：其中，{A}为主动机械臂基坐标系，{P}和{H}分别为被动机械臂基坐标系和末端坐标系，{C}为相机坐标系，AZC和PRH分别为相机Z轴向量相对于主动机械臂基坐标系的向量和被动机械臂末端相对于其基坐标的姿态矩阵；PRA和HZC分别为主动机械臂基坐标系相对于被动机械臂基坐标系的姿态矩阵和相机Z轴相对于被动机械臂末端的向量，和是HZC和PRA的名义值，ΔHZC和ΔPRA是HZC和PRA的误差；步骤4：建立两机械臂的基座位置变换误差模型，得到双臂基坐标位置变换矩阵的标定方程，具体为：Jm[ΔAPP,A,ΔHPC,H]T＝ρm，其中APP,A和HPC,H分别为在主动机械臂基坐标系中描述的被动机械臂基坐标相对于主动机械臂基坐标的位置向量和在被动机械臂末端坐标系中描述的相机到被动机械臂末端的位置向量，上述两个向量的误差分别为ΔAPP,A和ΔHPC,H，Jm为基坐标位置误差雅可比矩阵,其中μk为光轴向量,I为单位矩阵,ρm为位置误差矩阵,其中,i为特征点当前的位置数，i≤p，k为光轴当前的位置数，k≤n，·(i,k)为特征点在第k条光轴上第i个位置处变量·的值，{A}和{E}分别为主动机械臂基坐标系和末端坐标系，{P}和{H}分别为被动机械臂基坐标系和末端坐标系，{C}和{F}分别为相机坐标系和工具中心坐标系，ARP为被动机械臂基坐标系相对于主动机械臂基坐标系的姿态矩阵，PRH和ARE分别为被动机械臂末端相对于被动机械臂基座的姿态矩阵和主动机械臂末端相对于主动机械臂基座的姿态矩阵，APE,A为在主动机械臂基坐标系中描述的主动机械臂末端相对于主动机械臂基座的位置向量，EPF,E为在主动机械臂末端坐标系中描述的工具坐标系相对于主动机械臂末端的位置向量，PPH,P为在被动机械臂基坐标系中描述的被动机械臂末端相对于被动机械臂基座的位置向量，和分别为HPC,H和APP,A的名义值。3.步骤三中基于视觉控制的特征点对齐及位置数据获取具体为：步骤1：被动机械臂末端位姿固定，利用基于图像的视觉控制方法控制主动机械臂运动，使特征点自动运动到光轴上，记录此时两机械臂的关节角；步骤2：改变主动机械臂末端位姿，重复步骤1，使特征点依次到达光轴上n个不同的位置，其中n≥3；步骤3：改变被动机械臂末端位姿，重复步骤1–2；步骤4：根据记录的特征点与光轴对齐时两机械臂的关节角，利用每个机械臂的正运动学计算每个位置点处机械臂末端相对于基坐标系的名义位姿；步骤5：互换相机和棋盘格标定板的位置，重复步骤1–4。4.步骤四中求解标定方程具体为：步骤1：根据运动学参数标定方程使用迭代最小二乘法求解每个机械臂的运动学参数误差，得到两个机械臂真实的运动学参数；步骤2：根据双臂基坐标姿态变换矩阵标定方程迭代估计基坐标姿态变换矩阵；步骤3：根据双臂基坐标位置变换矩阵标定方程Jm[ΔAPP,A,ΔHPC,H]T＝ρm，估计基坐标位置变换矩阵。本专利技术有益效果：针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于相机光轴约束的双机械臂标定方法，利用相机光轴构建虚拟约束，建立基于直线约束的标定方程，令两机械臂运动到满足约束的位姿，测量的机械臂关节角及位姿数据同时用于运动学参数标定方程和基坐标标定方程，通过对标定方程求解估计得到真实的参数值。本专利技术不需要昂贵的标定设备，仅需相机和棋盘格标定板即可同时完成运动学参数标定和基坐标标定，标定精度高且操作简单，可直接应用于各场景的双臂系统标定中。本专利技术可同时实现两个机械臂的运动学参数标定和基坐标位姿变换矩阵标定。1.本专利技术仅利用相机和棋盘格标定板构建双机械臂标定系统，操作简便，不需要昂贵的高精度仪器和精心制作的标定工具，降低了标定成本；2.本专利技术基于相机光轴约束同时完成两个机械臂的运动学参数标定和基坐标标定，与使用不同方法分别标定运动学参数和基坐标的方法相比，本专利技术标定精度更高，标定步骤更少，操作更加方便；3.本专利技术使用基于图像的视觉控制方法控制主动机械臂运动，使特征点自动与相机光轴对齐，标定过程无需专业人员操作，仅需操作者进行简单的监督即可；4.本专利技术的标定方法适用于各类双臂协作系统，标定精度高，标定结果可满足大部分双臂协作任务的需求。附图说明图1是本专利技术的双机械臂标定系统示意图；图2是本专利技术的特征点位置与光轴的相对关系图；图3是本专利技术的双机械臂标定系统坐标系分布图；图4是本专利技术的基于图像的视觉控制框图；图5是本专利技术的特征点在一条光轴上的位置图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供了一种基于相机光轴约束的双机械臂标定方法。目前机器人飞速发展，越来越多的领域需要双臂协作机器人，为了顺利完成操作任务，必须对双臂系统进行标定。针对目前双臂协本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相机光轴约束的双机械臂标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：构建双机械臂标定系统；步骤二：建立基于误差模型的参数标定方程；步骤三：基于视觉控制的特征点对齐及位置数据获取；步骤四：求解标定方程。

【技术特征摘要】
1.一种基于相机光轴约束的双机械臂标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：构建双机械臂标定系统；步骤二：建立基于误差模型的参数标定方程；步骤三：基于视觉控制的特征点对齐及位置数据获取；步骤四：求解标定方程。2.根据权利要求书1所述的一种基于相机光轴约束的双机械臂标定方法，其特征在于：步骤一所述的双机械臂标定系统具体为：包括两个机械臂，在其中一个机械臂的末端固定一个相机，此机械臂为被动机械臂；另一个机械臂末端固定一个棋盘格标定板，此机械臂为主动机械臂。3.根据权利要求书1中所述的一种基于相机光轴约束的双机械臂标定方法，其特征在于：步骤二所述的建立基于误差模型的参数标定方程具体为：步骤1：分别对每个机械臂建立运动学误差模型，得到机械臂的末端位置误差ΔPe与运动学参数误差向量之间的关系：其中JP为运动学位置误差雅可比矩阵；步骤2：根据建立的运动学误差模型，推导基于直线约束的运动学误差模型，得到运动学参数标定方程：其中E为位置对齐误差，Φ为运动学误差雅可比矩阵；步骤3：建立两机械臂的基座姿态变换误差模型，得到双臂基坐标姿态变换矩阵的标定方程，具体为：其中，{A}为主动机械臂基坐标系，{P}和{H}分别为被动机械臂基坐标系和末端坐标系，{C}为相机坐标系，AZC和PRH分别为相机Z轴向量相对于主动机械臂基坐标系的向量和被动机械臂末端相对于其基坐标的姿态矩阵；PRA和HZC分别为主动机械臂基坐标系相对于被动机械臂基坐标系的姿态矩阵和相机Z轴相对于被动机械臂末端的向量，和是HZC和PRA的名义值，ΔHZC和ΔPRA是HZC和PRA的误差；步骤4：建立两机械臂的基座位置变换误差模型，得到双臂基坐标位置变换矩阵的标定方程，具体为：Jm[ΔAPP,A,ΔHPC,H]T＝ρm，其中APP,A和HPC,H分别为在主动机械臂基坐标系中描述的被动机械臂基坐标相对于主动机械臂基坐标的位置向量和在被动机械臂末端坐标系中描述的相机到被动机械臂末端的位置向量，上述两个向量的误差分别为ΔAPP,A和ΔHPC,H，Jm为基坐标位置误差雅可比矩阵,其中μk为光轴向量,I为单位矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱齐丹，谢心如，李超，夏桂华，蔡成涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23