[发明专利]一种基于三维视觉的机械臂手眼标定方法和装置

说明书

本发明公开了一种基于三维视觉的机械臂手眼标定方法和装置，应用在机械臂位姿标定领域，其技术方案要点是：包括三维视觉伺服单元、机械臂和标定板，所述三维视觉伺服单元位于机械臂末端，所述三维视觉伺服单元包括摄像头和投影仪，所述三维视觉伺服单元采用结构光测量技术，所述投影仪向被测物体投射事先编码的结构光，所述摄像机拍摄经由物体表面形貌调制的结构光图案，通过计算机解码获得被测物体的三维形貌；具有的技术效果是：通过三维视觉伺服单元获得的高精度三维信息来精确定位机械臂末端的空间位置，从而引导机械臂的精密控制。

技术领域

本发明涉及机械臂位姿标定领域，特别是涉及一种基于机械臂末端视觉伺服系统的标定方法。

背景技术

随着全球工业4.0时代的到来，智能制造和无人工厂已成为现代工业自动化的主流发展趋势。基于视觉伺服的机械臂作为现代工业的主要应用，它通过视觉引导的方式规划机械臂的运动路径，从而提高机械臂工作的智能化水平，提高生产效率。

对于视觉伺服机械臂系统，机械臂（手）与视觉系统（眼）的位姿标定是重要任务。通常，此类系统的标定按照视觉单元的安装方式不同分为眼在手外（即摄像头安装在手臂之外）和眼在手内（摄像头安装在机械臂末端）两大类，它们的原理都是通过标定模块来确定摄像机视觉坐标系和机械臂基坐标系之间的关系。然而现有的标定方式常常局限于视觉伺服单元的构成：单目相机不能恢复空间立体信息，只能限定机械臂在某一平面内移动；双目或TOF相机空间的定位精度较低，很难适用于对定位精度要求较高的应用中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三维视觉的机械臂手眼标定方法和装置，其优点是：可以采用基于结构光的三维扫描设备作为视觉伺服单元，通过其扫描获得的高精度三维信息来精确定位机械臂末端的空间位置，从而引导机械臂的精密控制。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于三维视觉的机械臂手眼标定方法和装置，包括三维视觉伺服单元、机械臂和标定板，所述三维视觉伺服单元位于机械臂末端，所述三维视觉伺服单元包括摄像头和投影仪，所述三维视觉伺服单元采用结构光测量技术，所述投影仪向被测物体投射事先编码的结构光，所述摄像机拍摄经由物体表面形貌调制的结构光图案，通过计算机解码获得被测物体的三维形貌。

所述手眼标定方法包括以下步骤：

步骤1：确定三维视觉伺服单元的内外参数；

步骤2：确定三维视觉伺服单元在机械臂基坐标系下位姿；

步骤3：通过三维扫描结果确定机械臂末端空间位置。

所述步骤1具体为：

步骤1.1：将含有圆形图案的标定板置于操作空间中，调节机械臂位姿使得标定板在其末端相机和投影仪的公共视野中。记录此时机械臂各关节参数，获得机械臂末端在机械臂基座坐标下的坐标。

步骤1.2：使用投影仪向标定板依次投影5步正弦相移条纹及二值格雷码序列图案，投射过程中触发相机拍摄标定板上的条纹图片。抽取其中格雷码序列中不含暗条纹的图片，提取该图片中标定板上圆形标志点的外轮廓进行拟合求取各个圆形标志点中心坐标。

步骤1.3：将步骤1.2中拍摄相移条纹和格雷码序列进行解相，并根据圆形标志点中心的绝对相位值将它们映射到投影仪平面，获得圆形标志点在投影仪平面内的坐标。

步骤1.4：调整机械臂位置，并保证标定板仍处于相机和投影仪视野中，记录机械臂末端在机械臂基座坐标下的坐标；重复步骤1.2和步骤1.3，获得第二个位置下标志点中心得相机坐标和投影仪坐标。

步骤1.5：重复1.4步骤，保证至少获得三个位置下的机械臂末端在机械臂基座坐标下的坐标，标志点中心得相机坐标和投影仪坐标等数据；