一种适用于仿生眼系统的运动学标定方法技术方案

本发明专利技术提供了一种适用于仿生眼系统的运动学标定方法，属于仿生眼技术领域。本发明专利技术方法通过引入运动学模型误差后的机器仿生眼系统三维定位测量和激光测距仪三维定位测量，建立仿生眼系统三维定位测量误差模型，将运动学模型误差进行分组，并利用泰勒展开对引入运动学模型误差后的仿生眼系统三维定位测量的近似解析式进行求解，最后对所引入的运动学模型误差中的运动学误差参数进行了辨识和补偿，以提高仿生眼系统三维定位测量的精度。提高仿生眼系统三维定位测量的精度。提高仿生眼系统三维定位测量的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于仿生眼系统的运动学标定方法


[0001]本专利技术属于仿生眼
，具体涉及一种适用于仿生眼系统的运动学标定方法。

技术介绍

[0002]仿生眼系统中存在的运动学模型误差会降低三维定位测量的精度。仿生眼系统的运动学模型误差主要来源于机械加工误差、装配误差以及关节零位误差。通过运动学标定获取仿生眼系统的运动学模型误差中的运动学误差参数并对误差进行补偿，对于提高仿生眼系统三维定位测量的精度具有重要意义。
[0003]三维定位测量是指通过测量设备获得待测目标信息并对信息进行解析，从而获取待测目标的三维坐标的过程。三维定位测量通常分为接触式和非接触式两类方法。接触式方法利用特定仪器快速直接地对目标进行三维定位测量，具有测量精度高的优点，但仅能应用于仪器能够接触到待测量目标的场景，而且在测量时可能造成被测量目标的损伤。非接触式方法指不接触待测量目标的前提下，对目标进行三维定位测量的方法。非接触式方法的测量精度没有接触式方法高，但由于接触式方法存在上述局限性，因此非接触式方法的应用范围比接触式方法更广泛。非接触式方法主要包括主动式和被动式两种三维定位测量方法。
[0004]主动式三维定位测量方法指主动地向待测量目标发射可控信号，通过对发射信号与返回信号的解析实现对目标的三维定位测量。主动式三维定位测量方法需要专门的信号发生及控制装置，测量系统相对比较复杂，测量所需的成本较高。主动式三维测量方法主要包括结构光法、激光扫描法、飞行时间法(Time of Flight，TOF)等。被动式三维定位测量方法指直接依赖自然光源，通过对相机获取的图像中的信息进行解析实现对目标的三维定位测量。与主动式三维定位测量方法相比，被动式三维定位测量方法操作相对简单，成本也相对较低，能够应用于各种复杂环境。被动式三维定位测量方法根据相机数量的不同可分为单目视觉法、双目视觉法及多目视觉法。
[0005]机器人运动学标定对于提高机器人的定位精度而言具有重要的意义。在国内外学者开展的大多数机器人运动学标定研究中，机器人的定位精度是指机器人末端执行器的位姿精度。由于机械加工误差、装配差、关节零位偏差等因素的存在，机器人理想的末端执行器位姿与实际的末端执行器位姿之间存在差异，因此会降低机器人的定位精度。机器人运动学标定是指不改变机器人的硬件配置，通过修正运动学控制模型提高机器人定位精度的过程。根据研究表明，几何参数误差是影响机器人定位精度的主要因素，因此许多学者针对几何参数因素开展机器人运动学标定研究。机器人运动学标定主要分为四个步骤：运动学建模、测量、参数辨识及误差补偿。
[0006](1)运动学建模
[0007]1955年Denavit等人提出了Denavit
‑
Hartenberg(D
‑
H)模型，该模型是目前应用最广泛的机器人运动学模型。
[0008](2)测量
[0009]在机器人运动学标定的过程中，利用外部测量设备对机器人末端执行器的位姿进行测量，将测量的末端执行器位姿转换到机器人基坐标系中，然后进行参数辨识，测量的精度直接决定了参数辨识的精度。常用的外部测量设备有激光追踪仪、经纬仪、三坐标测量机、球杆仪、视觉测量设备等。
[0010](3)参数辨识
[0011]参数辨识通常是指通过建立机器人运动学参数误差与末端位姿误差之间的映射关系，利用优化算法辨识出机器人运动学参数误差的过程，是机器人运动学标定方法中的核心问题。最常用的参数辨识优化算法是最小二乘法。
[0012](4)误差补偿
[0013]误差补偿是指将辨识得到的运动学参数误差补偿到机器人运动学参数中，使机器人运动学参数与末端位姿之间的映射关系更加精确，从而提高机器人的定位精度。目前常用的误差补偿方法包括微分误差补偿、关节空间补偿、基于神经网络的实时误差补偿等。
[0014]在仅颈部可动的机器人主动式双目视觉系统中，由于两个相机固定，能够获取的视觉信息有限，特别是无法感知距双目视觉系统很近的物体。两个相机及颈部可动的机器人主动式双目视觉系统更接近人类的视觉系统，能够获取更多的视觉信息。然而，现有的两个相机及颈部可动的机器人主动式双目视觉系统大多不能满足轻量化、小型化的要求。
[0015]大多数机器人双目视觉系统实现三维测量时，需满足两个相机之间的相对位姿保持不变的条件。当两个相机的相对位姿发生变化时(例如对运动目标进行三维定位测量时)，需要重新对立体外参进行标定。现有的机器人双目视觉系统三维定位测量方法中，立体外参误差及两幅图像中匹配成像点之间的视差误差会对三维定位测量的结果产生很大影响。
[0016]仿生眼系统中存在的机械加工误差、装配误差、关节零位误差等因素会降低仿生眼系统三维定位测量的精度。现有的机器人运动学标定方法大多用于提高工业机器人末端的定位精度。因此需要提出新的适用于仿生眼系统的运动学标定方法，对仿生眼系统的运动学模型误差中的运动学误差参数进行辨识和补偿，从而提高仿生眼系统三维定位测量的精度。

技术实现思路

[0017]针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种适用于仿生眼系统的运动学标定方法，提高仿生眼系统三维定位测量的精度。
[0018]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0019]一种适用于仿生眼系统的运动学标定方法，通过引入运动学模型误差后的机器仿生眼系统三维定位测量和激光测距仪三维定位测量，建立仿生眼系统三维定位测量误差模型，然后将运动学模型误差分组，利用泰勒展开对引入运动学模型误差后的仿生眼系统三维定位测量的近似解析式进行求解，最后利用非线性优化算法对引入的运动学模型误差中的运动学误差参数进行了辨识，并将辨识得到的误差参数补偿到引入运动学模型误差后的仿生眼系统三维定位测量的近似解析式中。
[0020]进一步地，所述仿生眼系统三维定位测量误差模型为：
[0021][0022]其中，是世界坐标系到仿生眼O
N
‑
X
N
Y
N
Z
N
坐标系的变换矩阵逆矩阵，是空间点在仿生眼基坐标系O
N
‑
X
N
Y
N
Z
N
下的坐标，是利用激光测距仪与反射球配合测量的空间点在世界坐标系的坐标。
[0023]进一步地，所述按照如下公式计算得到：
[0024]P
′
N
＝
N
T
′
Cl
P
′
Cl
ꢀꢀꢀ
(1)
[0025]其中，P
′
Cl
为引入误差后目标空间点P在仿生眼左眼相机坐标系下的坐标，引入误差后的左眼相机坐标系相对于基坐标系O
N
‑
X
N
Y
N
Z
N
的齐次变换矩阵
N
T2表示坐标系{2}相对于基坐标系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于仿生眼系统的运动学标定方法，其特征在于，通过引入运动学模型误差后的机器仿生眼系统三维定位测量和激光测距仪三维定位测量，建立仿生眼系统三维定位测量误差模型，然后将运动学模型误差分组，利用泰勒展开对引入运动学模型误差后的仿生眼系统三维定位测量的近似解析式进行求解，最后利用非线性优化算法对引入的运动学模型误差中的运动学误差参数进行了辨识，并将辨识得到的误差参数补偿到引入运动学模型误差后的仿生眼系统三维定位测量的近似解析式中。2.根据权利要求1所述的适用于仿生眼系统的运动学标定方法，其特征在于，所述仿生眼系统三维定位测量误差模型为：其中，是世界坐标系到仿生眼O
N
‑
X
N
Y
N
Z
N
坐标系的变换矩阵逆矩阵，是空间点在仿生眼基坐标系O
N
‑
X
N
Y
N
Z
N
下的坐标，是利用激光测距仪与反射球配合测量的空间点在世界坐标系的坐标。3.根据权利要求2所述的适用于仿生眼系统的运动学标定方法，其特征在于，所述按照如下公式计算得到：P
′
N
＝
N
T
′
Cl
P
′
Cl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，P
′
Cl
为引入误差后目标空间点P在仿生眼左眼相机坐标系下的坐标，引入误差后的左眼相机坐标系相对于基坐标系O
N
‑
X
N
Y
N
Z
N
的齐次变换矩阵
N
T2表示坐标系{2}相对于基坐标系O
N
‑
X
N
Y
N
Z
N
的齐次变换矩阵，2T
3l
表示坐标系{3l}相对于坐标系{2}的齐次变换矩阵，表示存在偏差的坐标系相对于坐标系{3l}的齐次变换矩阵，表示坐标系{4}相对于存在偏差的坐标系的齐次变换矩阵，表示存在偏差的坐标系相对于坐标系{4}的齐次变换矩阵，表示坐标系{5}相对于存在偏差的坐标系的齐次变换矩阵，表示存在偏差的坐标系相对于坐标系{5}的齐次变换矩阵，表示仿生眼左眼相机坐标系相对于存在偏差的坐标系的齐次变换矩阵；将公式(1)表示成函数形式：其中函数的输入为目标空间点P在仿生眼左、右相机成像平面中的成像点的像素坐标仿生眼左、右眼各关节角θ
i
以及运动学模型误差δχ，其中i＝4，5，6，7。4.根据权利要求3所述的适用于仿生眼系统的运动学标定方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓鹏，苟思远，黄强，徐阳，王启航，赵培渊，马思研，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：