一种用于工业机械臂平面抓取定位的相机标定方法技术

本发明专利技术提供了一种用于工业机械臂平面抓取定位的相机标定方法，该方法适用于相机固定在机械臂末端以及相机固定在机械臂基座两种情况，首先固定标定板并获取相机在标定板上方不同位置的图像和机械臂位姿集合；对图像进行处理获得图像中的标定板特征坐标点集合；通过机械臂位姿集合和标定板特征坐标点集合数据，计算得到相机坐标系在工具坐标系中的坐标。该相机外参的参数简洁，能够结合空间位置关系校验相机外参，在完成相机坐标转换到世界坐标的过程中能够有效简化工业机械臂平面抓取定位坐标计算过程，整个标定步骤简单便捷，算法稳定。定。定。

【技术实现步骤摘要】
一种用于工业机械臂平面抓取定位的相机标定方法


[0001]本专利技术涉及机器视觉、自动化
，特别涉及一种用于工业机械臂 平面抓取定位的相机标定方法。

技术介绍

[0002]工业机械臂广泛应用于各种工业场合，随着应用场景越来越复杂，机器 视觉技术逐渐成为工业机械臂应用领域的重要组成部分。
[0003]工业机械臂抓取平面上不同位置的物体，需要使用机器视觉对物体进行 拍照，通过位置变换过程，得到机械臂抓取平面物体的坐标。位置变换过程 中，往往需要通过预先标定相机外参，获得位置变换矩阵。
[0004]目前标定相机的方法通常需要进行数量较多的标定板图像的采集和复杂 的解算过程，为相机在平面抓取定位场景中的应用带来不便；另外，标定完 成后得到的相机标定结果，如相机内参，对于机械臂平面抓取定位无实际作 用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的上述不足，本申请的目的是提供一种用于工业机 械臂平面抓取定位的相机标定方法，该方法可以实现工业机械臂抓取平面物 体场景中相机安装在机械臂末端即“眼在手上”和相机安装在机械臂基座(基 座相对世界坐标系固定)即“眼在手外”两种工作方式下的相机外参标定， 并用于机器视觉定位辅助机械臂完成平面抓取过程，标定步骤简单清晰，标 定速度快，算法稳定。
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种用于工业机械臂平面抓取定位的相机标定 方法，“眼在手上”的情况包含以下步骤：
[0007]S101：将标定板固定在待抓取平面上，获取相机在标定板上方不同位置 的图像和机械臂拍照位姿集合；
[0008]S102：对图像进行处理获得图像中的标定板特征坐标点集合；
[0009]S103：通过机械臂位姿集合和标定板特征坐标点集合数据，计算得到求 得相机坐标系在工具坐标系中的坐标。
[0010]进一步地，S103中的计算坐标包含以下内容：
[0011]将工具坐标系的位置通过相机外参矩阵转换到相机坐标系，按式(1)完 成转换；
[0012]P
inC
＝R(θ
CinB
)(P
inB
‑
P
CinB
)
ꢀꢀ
(1)
[0013]将世界坐标系的位置通过工具偏置矩阵转换到工具坐标系，按式(2)完 成转换；
[0014]P
inB
＝R(θ
BinA
)(P
inA
‑
P
BinA
)
ꢀꢀ
(2)
[0015]将世界坐标系的位置用工具坐标系、相机外参矩阵、相机坐标进行表示， 按式(3)完成转换；
[0016]P
inA
＝P
BinA
+[R(θ
BinA
)]‑1P
CinB
+[R(θ
BinA
)]‑1[R(θ
CinB
)]‑1P
inC
ꢀꢀ
(3)
[0017]其中P
inA
，P
inB
，P
inC
分别表示世界坐标系，工具坐标系和相机坐标系中 任意固定点
P的平面坐标，θ
CinB
，θ
BinA
分别表示相机坐标系与相机坐标系 的旋转角，工具坐标系与世界坐标系的旋转角，P
CinB
表示相机坐标系在工具 坐标系中的坐标，R(θ
BinA
)表示所述的工具偏置矩阵，θ(θ
CinB
)表示相机外 参矩阵；θ(R)广义上表示旋转矩阵，定义如下式(4)：
[0018][0019]对于世界坐标系中任意一固定点P，改变机械臂拍照平面位置和角度， 均满足式(3)的约束关系，建立一组方程组(5)：
[0020][0021]由于相机固定在机械臂上，因此满足下式(6)：
[0022]P
CinB
＝P
C1inB1
＝P
C2inB2
ꢀꢀ
(6)
[0023]P
CinB
表示相机坐标系在工具坐标系中的坐标；
[0024]可得到式(7)：
[0025]P
CinB
＝[[R(θ
B1inA
)]‑1‑
[R(θ
B2inA
)]‑1]‑1[(P
B2inA
‑
P
B1inA
)+ [R(θ
B2inA
)]‑1[R(θ
CinB
)]‑1P
inC2
‑
[R(θ
B1inA
)]‑1[R(θ
CinB
)]‑1P
inG1
]ꢀꢀ
(7)
[0026]通过式(3)约束关系，利用N个任意位置P点的不同机械臂位置拍照 的位置点对，建立N组方程组(8)，其中N≥2的整数：
[0027][[R(θ
B1inA
)]‑1‑
[R(θ
B2inA
)]‑1]‑1[(P
B2inA
‑
P
B1inA
)+ [R(θ
B2inA
)]‑1[R(θ
CinB
)]‑1P
inC2
‑
[R(θ
B1inA
)]‑1[R(θ
CinB
)]‑1P
inC1
]＝ [[R(θ
B3inA
)]‑1‑
[R(θ
B4inA
)]‑1]‑1[(P
B4nA
‑
P
B3inA
)+ [R(θ
B4inA
)]‑1[R(θ
CinB
)]‑1P
inC4
‑
[R(θ
B3inA
)]‑1[R(θ
CinB
)]‑1P
inC3
]＝ [[R(θ
BN
‑
1inA
)]‑1‑
[R(θ
BNinA
)]‑1]‑1[(P
BNnA
‑
P
BN
‑
1inA
)+ [R(θ
BNinA
)]‑1[R(θ
CinB
)]‑1P
inCN
‑
[R(θ
BN
‑
1inA
)]‑1[R(θ
CinB
)]‑1P
inCN
‑1]ꢀꢀ
(8)
[0028]其中下标B1、B2、
……
BN；C1、C2
……
CN分别表示改变机械臂位置 后，工具坐标系、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于工业机械臂平面抓取定位的相机标定方法，其特征在于，相机固定在机械臂末端，包含以下步骤：S101：将标定板固定在待抓取平面上，获取相机在标定板上方不同位置的图像和机械臂位姿集合；S102：对图像进行处理获得图像中的标定板特征坐标点集合；S103：通过机械臂位姿集合和标定板特征坐标点集合数据，计算得到相机坐标系在工具坐标系中的坐标。2.如权利要求1所述的用于工业机械臂平面抓取定位的相机标定方法，其特征在于，S103中的计算坐标包含以下内容：将工具坐标系的位置通过相机外参矩阵转换到相机坐标系，按式(1)完成转换；P
inC
＝R(θ
CinB
)(P
inB
‑
P
CinB
)
ꢀꢀ
(1)将世界坐标系的位置通过工具偏置矩阵转换到工具坐标系，按式(2)完成转换；P
inB
＝R(θ
BinA
)(P
inA
‑
P
BinA
)
ꢀꢀ
(2)将世界坐标系的位置用工具坐标系、相机外参矩阵、相机坐标进行表示，按式(3)完成转换；P
inA
＝P
BinA
+[R(θ
BinA
)]
‑1P
CinB
+[R(θ
BinA
)]
‑1[R(θ
CinB
)]
‑1P
inC
ꢀꢀ
(3)其中P
inA
，P
inB
，P
inC
分别表示世界坐标系，工具坐标系和相机坐标系中任意固定点P的平面坐标，θ
CinB
，θ
BinA
分别表示相机坐标系与相机坐标系的旋转角，工具坐标系与世界坐标系的旋转角，P
CinB
表示相机坐标系在工具坐标系中的坐标，R(θ
BinA
)表示所述的工具偏置矩阵，R(θ
CinB
)表示相机外参矩阵；R(θ)广义上表示旋转矩阵，定义如下式(4)：对于世界坐标系中任意一固定点P，改变机械臂拍照平面位置和角度，均满足式(3)的约束关系，建立一组方程组(5)：由于相机固定在机械臂上，因此满足下式(6)：P
CinB
＝P
C1inB1
＝P
C2inB2
ꢀꢀ
(6)P
CinB
表示相机坐标系在工具坐标系中的坐标；可得到式(7)：P
CinB
＝[[R(θ
B1inA
)]
‑1‑
[R(θ
B2inA
)]
‑1]
‑1[(P
B2inA
‑
P
B1inA
)+[R(θ
B2inA
)]
‑1[R(θ
CinB
)]
‑1P
inC2
‑
[R(θ
B1inA
)]
‑1[R(θ
CinB
)]
‑1P
inC1
]
ꢀꢀ
(7)通过式(3)约束关系，利用N个任意位置P点的不同机械臂位置拍照的位置点对，建立N组方程组(8)，其中N≥2的整数：[[R(θ
B1inA
)]
‑1‑
[R(θ
B2inA
)]
‑1]
‑1[(P
B2inA
‑
P
B1inA
)+[R(θ
B2inA
)]
‑1[R(θ
CinB
)]
‑1P
inC2
‑
[R(θ
B1inA
)]
‑1[R(θ
CinB
)]
‑1P
inC1
]＝[[R(θ
B3inA
)]
‑1‑
[R(θ
B4inA
)]
‑1]
‑1[(P
B4nA
‑
P
B3inA
)+[R(θ
B4inA
)]
‑1[R
(θ
CinB
)]
‑1P
inC4
‑
[R(θ
B3inA
)]
‑1[R(θ
CinB
)]
‑1P
inC3
]＝[[R(θ
BN
‑
1inA
)]
‑1‑
[R(θ
BNinA
)]
‑1]
‑1[(P
BNnA
‑
P
BN
‑
1inA
)+[R(θ
BNinA
)]
‑1[R(θ
CinB
)]
‑1P
inCN
‑
[R(θ
BN
‑
1inA
)]
‑1[R(θ
CinB
)]
‑1P
inCN
‑1](8)其中下标B1、B2、
……
BN；C1、C2
……
CN分别表示改变机械臂位置后，工具坐标系、相机坐标系的N个不同位置点；式(8)中待求量为相机外参矩阵R(θ
CinB
)，并且θ
CinB
∈(0，2π)，其余量为已知量，利用迭代法，求得相机外参矩阵R(θ
CinB
)，代入式(7)，求得P
CinB
；在进行平面抓取定位运算时，将相机外参矩阵代入式(3)即可求得被抓取点的世界坐标。3.如权利要求1所述的用于工业机械臂平面抓取定位的相机标定方法，其特征在于，所述标定板的标定图案至少为3个。4.如权利要求1所述的用于工业机械臂平面抓取定位的相机标定方法，其特征在于，机械臂更换位置的拍照次数至少为3次。5.一种用于工业机械臂平面抓取定位的相机标定方法，其特征在于，相机固定在机械臂基座，包含以下步骤：S201：将标定板固定在机械臂上，获取机械臂在不同位置的标定板图像和机械臂位姿集合；S202：对图像进行处理获得图像中的标定板特征坐标点集合；S203：通...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文超，王鹏飞，叶敏，王淑秀，王瑞，
申请(专利权)人：上海神添实业有限公司，
类型：发明
国别省市：