線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器機(jī)器人手眼關(guān)系標(biāo)定

　　摘要：為實現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人手眼關(guān)系的標(biāo)定，提出一種基于線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的手眼關(guān)系標(biāo)定方法。該方法在標(biāo)定時，將一個平面靶標(biāo)作為參考物固定在工業(yè)機(jī)器人工作空間內(nèi)，控制工業(yè)機(jī)器人末端運(yùn)動以帶動線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器作多組變位姿運(yùn)動，獲取在不同位姿狀態(tài)下的平面靶標(biāo)圖像并對其進(jìn)行圖像處理。通過對圖像上固定特征點的測量，以及建立線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器模型和手眼關(guān)系模型實現(xiàn)對線結(jié)構(gòu)光內(nèi)參數(shù)和手眼關(guān)系的標(biāo)定。用棋盤格標(biāo)定板進(jìn)行測量實驗驗證，實驗結(jié)果表明該方法準(zhǔn)確度為0.036mm，即優(yōu)于40μm，可用于工業(yè)機(jī)器人的測量應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：手眼關(guān)系;線結(jié)構(gòu)光傳感器;標(biāo)定;工業(yè)機(jī)器人

　　《中國工業(yè)評論》文稿應(yīng)資料可靠、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、具有創(chuàng)造性、科學(xué)性、實用性。應(yīng)立論新穎、論據(jù)充分、數(shù)據(jù)可靠，文責(zé)自負(fù)(嚴(yán)禁抄襲)，文字要精煉。

　　0 引言

　　工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用在工業(yè)制造領(lǐng)域，通常需要將測量傳感器安裝在機(jī)器人末端，以獲取被測物的三維信息。因此可將線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器安裝于六軸工業(yè)機(jī)器人末端，構(gòu)成基于線結(jié)構(gòu)光的機(jī)器人視覺測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過控制機(jī)器人以不同位

　　作者簡介：陸藝(1979-)，男，江蘇揚(yáng)州市人，副教授，碩士，研究方向為精密檢測技術(shù)、汽車零部件自動化測試。姿運(yùn)動，從而對目標(biāo)點進(jìn)行測量獲得測量坐標(biāo)系與目標(biāo)點之間位置關(guān)系。要實現(xiàn)上述測量過程，需要先對線結(jié)構(gòu)光傳感器內(nèi)參數(shù)和機(jī)器人手眼關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。其中線結(jié)構(gòu)光傳感器內(nèi)參數(shù)標(biāo)定根據(jù)靶標(biāo)不同分為三維標(biāo)定[1-2]和二維標(biāo)定[3]兩種。三維標(biāo)定靶標(biāo)具有一定精度，但靶標(biāo)成本和工藝要求高。二維靶標(biāo)制作簡單、效率高，標(biāo)定精度能滿足不同場合的測量需要。手眼關(guān)系標(biāo)定方法通常有有限場景點法[4]，平面靶標(biāo)法[5-7]，標(biāo)準(zhǔn)球法[8]等。其中手眼關(guān)系轉(zhuǎn)換矩陣的求解可通過兩步分離法[9]或單步法[10-11]得到，單步法可一步得到旋轉(zhuǎn)向量、平移向量，兩步分離法分兩步得到旋轉(zhuǎn)向量、平移向量，它存在累積誤差。

　　為此提出基于線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器的手眼關(guān)系標(biāo)定的方法。該方法采用二維平面靶標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，并通過單步法求解手眼關(guān)系。它簡化工業(yè)機(jī)器人測量系統(tǒng)的標(biāo)定過程，僅通過控制機(jī)器人末端作位姿運(yùn)動同時得到攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)，線結(jié)構(gòu)光內(nèi)參數(shù)以及手眼關(guān)系，保證較高精度。以研華LNC-56000型六軸工業(yè)機(jī)器人為實驗平臺進(jìn)行標(biāo)定和測量實驗，驗證該方法的有效性。

　　1 系統(tǒng)標(biāo)定原理

　　1.1 線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器模型

　　線結(jié)構(gòu)光傳感器數(shù)學(xué)模型如圖1所示，該傳感器包括CCD相機(jī)以及線激光器兩部分。其中被測點尸在圖像坐標(biāo)系OUV下坐標(biāo)為(u，v)，在相機(jī)坐標(biāo)系OcXcYcZc下坐標(biāo)為(xc，yc，zc)，在世界坐標(biāo)系OwXwYwZw下坐標(biāo)為(xw，yw，zw)，像面坐標(biāo)系為OXY，相機(jī)主點坐標(biāo)為(u0，v0)。

　　結(jié)合上述模型，根據(jù)相機(jī)的投影變換模型，被測點尸在圖像坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系的關(guān)系為式(1)，相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)系為式(2)：其中kx，ky為相機(jī)X軸、Y軸放大系數(shù)，MC為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，CMW為相機(jī)坐標(biāo)和世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系外參數(shù)矩陣，包括旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。

　　假設(shè)在相機(jī)坐標(biāo)系下光平面方程表示為：

　　z=Ax+By+C(3)

　　結(jié)合式(1)和式(3)，可得到點P在相機(jī)坐標(biāo)下的坐標(biāo)為：

　　根據(jù)以上過程，已知光平面在相機(jī)下的方程即可得知空間某一點在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。式中kx，ky，u0，v0即為需要標(biāo)定的相機(jī)內(nèi)參數(shù)，光平面方程系數(shù)A，B，C即為待標(biāo)定的結(jié)構(gòu)光內(nèi)參數(shù)。

　　1.2 確定線結(jié)構(gòu)光內(nèi)參數(shù)

　　采用如圖2所示的棋盤格標(biāo)定板作為平面靶標(biāo)，棋盤格為7×7的方形靶標(biāo)，棋盤格大小為11mm×11mm。將標(biāo)定板固定放置在工業(yè)機(jī)器人工作空間內(nèi)，控制工業(yè)機(jī)器人帶動線結(jié)構(gòu)光傳感器不同姿態(tài)得到靶標(biāo)圖像。通過張正友標(biāo)定法[12]獲得相機(jī)內(nèi)外參數(shù)MC，CMW，即kx、ky、u0、v0和靶標(biāo)坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。靶標(biāo)上角點和激光條形成交點，這些交點都為光平面上的點，將它們作為標(biāo)定線結(jié)構(gòu)光內(nèi)參數(shù)的標(biāo)定特征點。由式(2)得到這些特征點在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。通過使機(jī)器人末端帶動線結(jié)構(gòu)光傳感器運(yùn)動到不同位置，獲取多組標(biāo)定特征點在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，由此可擬合相機(jī)坐標(biāo)系下的光平面方程，獲得線結(jié)構(gòu)光內(nèi)參數(shù)A、B、C。

　　1.3 手眼關(guān)系模型

　　把線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器安裝在工業(yè)機(jī)器人末端，由此構(gòu)成機(jī)器人視覺測量系統(tǒng)。按照圖3所示建立坐標(biāo)系，其中Ob為機(jī)器人基坐標(biāo)系，Qw為世界坐標(biāo)系，Oe為工業(yè)機(jī)器人末端坐標(biāo)系，Oc為相機(jī)坐標(biāo)系。

　　由1.1和1.2可知，激光器投射出的光平面與被測物體相交形成光條，根據(jù)相機(jī)內(nèi)參數(shù)及線結(jié)構(gòu)光傳感器內(nèi)參數(shù)即可得到被測點在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。控制機(jī)器人運(yùn)動到不同位姿，通過式(5)將被測點的坐標(biāo)統(tǒng)一到世界坐標(biāo)系即機(jī)器人基坐標(biāo)系下，便可獲得被測物體三維數(shù)據(jù)。