一种手眼标定装置及方法

1.本发明涉及手眼标定领域技术领域，尤其涉及一种手眼标定装置及方法。


背景技术：

2.近年来，视觉技术越来越广泛的被应用于各行各业的机器人中，在其中扮演着机器人的“眼睛”，将机器人的“手”和眼建立起联系，求解此过程便成为“手眼标定”，手眼标定根据相机悬挂位置的不同又分为眼在手上和眼在手外标定。
3.1、经检索，申请号：202211548085.8的中国专利，公开了一种手眼标定方法及装置，该装置包括机械臂装置、标靶图，相机。机械臂固定在平面，标靶图安装在机械臂的末端，在机械臂以外悬挂有工业相机，通过操作机械臂变换标靶图的姿态，但是，该方法适合”眼在手外”的标定，对于“眼在手上”的标定则没有更多的照顾到。
4.2、申请号：202211688574.3的中国专利，公开了一种标定方法、装置、设备及介质，该装置包括机械臂，标定板，相机，处理装置。机械臂固定在水平面上，相机安装在机械臂的末端，标定板放在机械臂外，处理装置用于接受拍摄的数据，但该方案更多的适合“眼在手上”的标定，不支持“眼在手外”的标定，具有一定的局限性；
5.3、申请号：202211708042.1的中国专利，公开了一种手眼标定数据采集方法，该发明介绍了一种手眼标定的方法，首先移动机器人，对目标进行采集，随后旋转末端多关节，再次对目标图像进行采集，利用多次拍摄的目标图像，构建手眼标定方程，从而进行求解,但该方案缺少对于解的正确性的后续验证的加以验证，没有很好照顾到评价“手眼标定”质量的标准方面。
6.所以在实际的工业生产中，手眼标定是其中非常基础且重要的环节，其标定结果的精度直接影响后续操作精度。因此良好的标定方法和设备是提高标定精度的关键和前提。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种手眼标定装置及方法。
8.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
9.根据本发明的一个方面，提供了一种标定装置。
10.一种标定装置，包括平台支柱，所述平台支柱的顶端设有标定平台，所述平台支柱与所述标定平台之间通过螺栓连接；
11.所述标定平台的顶端设有标定机构，所述标定平台的一侧设有工作平台，所述工作平台的底端设有平台支架，所述工作平台的顶端设有相互配合的处理器和显示器，所述处理器和所述显示器均通过数据传输线与所述标定机构相连接。
12.进一步地，所述标定机构包括机械臂一、标定板一和工业相机一，所述机械臂一的一端通过螺栓与所述标定平台相连接，所述机械臂一远离所述标定平台一的一端连接工业
相机一，所述标定板一放置于所述工作平台的顶端；
13.进一步地，所述机械臂一通过数据传输线连接所述显示器和所述处理器。
14.进一步地，所述标定机构包括机械臂二、龙门架、标定板二和工业相机二，所述工业相机二固定在龙门架上，所述龙门架通过螺栓固定于标定平台上，所述机械臂二的一端通过螺栓固定于标定平台，所述标定板二固定于所述机械臂二远离所述标定平台的一端。
15.进一步地，机械臂二、所述处理器和所述显示器通过数据传输线相互连接。
16.根据本发明的另一个方面，提供了一种基于标定装置的标定方法。
17.一种标定方法，包括以下步骤：
18.s1：根据实施条件，选择采用“眼在手上”或“眼在手外”方式，并通过相机标定，获取相机的内参和畸变系数；
19.s2：在对标定板的8个位置进行拍摄时，机械臂示教器上可读出每个位置的旋转(r_x、r_y、r_z)和平移(x、y、z)参数；
20.s3：据相机内参与畸变计算board2cam旋转平移矩阵，根据示教器上的旋转和平移参数计算相应旋转平移矩阵；
21.s4：带入相应标定算法计算相应参数；
22.s5：根据相应算法，利用步骤s4获得的参数将相机拍摄的8张标定板图片转换到相应坐标系下，若标定板圆心完全重合则标定精度良好，作为检验标定参数的重要方式。
23.相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
24.通过机械臂对相机或标定板进行精确的移动，效率高，所用时间短；包括手眼标定的所有方式，适应性强，避免单一性，此外，可验证标定数据的准确性，具有评判标准，同时，还具有安装简单，软件可靠，可对软件进行封装等性能；
25.可通过机械臂对相机或标定板进行精确的移动，可兼顾工业中所有的标定方式，包括“眼在手上”和“眼在手外”，可验证标定数据的准确性。标定精度高，安装简单，软件可靠、便利，可对软件进行封装，不依赖任何编程环境。
附图说明
26.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
27.图1为本发明实施例一中标定装置的结构示意图；
28.图2为本发明实施例二中标定装置的结构示意图；
29.图3为本发明实施例一中的标定方法的实施坐标示意图；
30.图4为本发明实施例二中的标定方法的实施示意图。
31.图中：1、平台支柱；2、标定平台；3、工作平台；4、显示器；5、机械臂一；6、标定板一；7、工业相机一；8、机械臂二；9、龙门架；10、标定板二；11、平台支架；12、工业相机二。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
33.根据本发明的一个方面提供了一种标定装置。
34.一种标定装置，包括平台支柱1，所述平台支柱1的顶端设有标定平台2，所述平台支柱1与所述标定平台2之间通过螺栓连接；
35.所述标定平台2的顶端设有标定机构，所述标定平台2的一侧设有工作平台3，所述工作平台3的底端设有平台支架11，所述工作平台3的顶端设有相互配合的处理器和显示器4，所述处理器和所述显示器4均通过数据传输线与所述标定机构相连接。
36.需要说明的是，处理器为任一具有数据处理组件的能够与显示器4相连接的装置或者模块组件；
37.在本实施例中，处理器安装于显示器4内。
38.根据本发明的另一实施例，提供了一种基于标定装置的标定方法。
39.一种标定方法，包括以下步骤：
40.s1：根据实施条件，选择采用“眼在手上”或“眼在手外”方式，并通过相机标定，获取相机的内参和畸变系数；
41.s2：在对标定板的8个位置进行拍摄时，机械臂示教器上可读出每个位置的旋转(r_x、r_y、r_z)和平移(x、y、z)参数；
42.s3：据相机内参与畸变计算board2cam旋转平移矩阵，根据示教器上的旋转和平移参数计算相应旋转平移矩阵；
43.s4：带入相应标定算法计算相应参数；
44.s5：根据相应算法，利用步骤s4获得的参数将相机拍摄的8张标定板图片转换到相应坐标系下，若标定板圆心完全重合则标定精度良好，作为检验标定参数的重要方式
45.实施例一
46.如图1所示，作为本技术的优选实施例，所述标定机构包括机械臂一5、标定板一6和工业相机一7，所述机械臂一5的一端通过螺栓与所述标定平台2相连接，所述机械臂一5远离所述标定平台2一的一端连接工业相机一7，所述标定板一6放置于所述工作平台3的顶端；
47.所述机械臂一5通过数据传输线连接所述显示器4和所述处理器。
48.如图3所示，在本实施例中，还提供了标定方法，具体包括以下步骤：
49.s1：相机参数获取
50.通过相机标定，获取相机的内参和畸变系数。
51.s2：tool-base转换矩阵获取
52.在对标定板的8个位置进行拍摄时，机械臂示教器上可读出每个位置的旋转(r_x、r_y、r_z)和平移(x、y、z)参数。
53.s3：根据相机内参与畸变计算board2cam旋转平移矩阵，根据示教器上的旋转和平移参数计算tcp2base旋转平移矩阵；
54.s4：带入“眼在手上”标定算法计算cam2tcp参数；
55.s5：利用cam2tcp参数将相机拍摄的8张标定板图片转换到base坐标系下，若标定板圆心完全重合则标定精度良好，可作为检验标定参数的重要方式。
56.如图3所示，需要说明的是，基础坐标系(用base表示)是机器臂的基底坐标系，末端坐标系(用end表示)是机器臂的末端坐标系，相机坐标系(用cam表示)是固定在机器臂上面的相机自身坐标系，标定物坐标系(用cal表示)是标定板所在的坐标系。任意移动两次机
器臂，由于标定板和机器臂的基底是不动的，因此对于某个世界点，其在base坐标系和cal坐标系下的坐标值不变，在end坐标系和cam坐标系下的坐标值随着机器臂的运动而改变。根据这一关系，可以求解出end坐标系和cam坐标系之间的转换矩阵。base：机械臂的基坐标系tool/tcp：机械臂的末端坐标系cam：相机坐标系cal：标定板坐标系
57.对于现实世界中的任意一点，相机与机械臂末端是不断变化的，坐标值会随着机械臂的运动而改变，因基座与放置的标定板位置固定，所以此点在base和cal坐标系下的坐标值是不变的。
58.假设此点在cal坐标系下的坐标为p0，在base坐标系下的坐标为p3，cal到cam的转换矩阵为t1(已知)，cam到tool的转换矩阵为x(待求矩阵)，tool到base的转换矩阵为t3(已知)，对于此点移动两次机械臂，坐标值不变。公式如下：
59.t3xt1p0＝p360.t3‘
xt1‘
p0＝p361.联立得：
62.t3xt1＝t3‘
xt1‘
63.即：
64.t3‘-1
t3x＝xt1‘
t
1-1
65.令t3‘-1
t3为矩阵a，t1‘
t
1-1
为矩阵b，则上式可写成：ax＝xb。
66.因a、b矩阵已知，可求得转换矩阵x(cam2tcp)。
67.实施例二
68.如图2所示，作为本技术的另一优选实施例，所述标定机构包括机械臂二8、龙门架9、标定板二10和工业相机二12，所述工业相机二12固定在龙门架9上，所述龙门架9通过螺栓固定于标定平台2上，所述机械臂二8的一端通过螺栓固定于标定平台2，所述标定板二10固定于所述机械臂二8远离所述标定平台2的一端；
69.机械臂二8、所述处理器和所述显示器4通过数据传输线相互连接。
70.如图4所示，在本实施例中，还提供了标定方法，具体包括以下步骤：
71.s1：相机参数获取
72.通过相机标定，获取相机的内参和畸变系数。
73.s2：base2tcp转换矩阵获取
74.在对标定板的8个位置进行拍摄时，机械臂示教器上可读出每个位置的旋转(r_x、r_y、r_z)和平移(x、y、z)参数；
75.s3：根据相机内参与畸变计算board2cam旋转平移矩阵，根据示教器上的旋转和平移参数计算base2tcp旋转平移矩阵；
76.s4：带入“眼在手外”标定算法计算cam2base参数；
77.s5：cam2base参数将相机拍摄的8张标定板图片转换到tcp坐标系下，若标定板圆心完全重合则标定精度良好，可作为检验标定参数的重要方式。
78.如图4所示，需要进一步说明的是，对于现实世界中的任意一点，标定板与机械臂末端是不断变化的，坐标值会随着机械臂的运动而改变，因基座与相机位置固定，所以此点在base和cam坐标系下的坐标值是不变的。
79.假设此点在cal坐标系下的坐标为p0，在tcp坐标系下的坐标为p3，设cal到cam的转
换矩阵为t1(已知)，cam到base的转换矩阵为x(待求矩阵)，base到tcp的转换矩阵为t3(已知)，对于任意移动两次机械臂坐标值不变。公式如下：
80.t3xt1p0＝p3ꢀꢀ
(1)
81.t'3xt'1p0＝p3ꢀꢀ
(2)
82.联立得：
83.t3xt1＝t'3xt'1ꢀꢀ
(3)
84.即：
[0085][0086]
上述公式可理解为求：ax＝xb，其中a、b都是已知，通过变换多次机器臂末端位姿，对手眼标定方程ax＝xb求解，即可得到手眼转换矩阵。本示例利用opencv中的calibratehandeye()函数进行标定,最终得到相机到基座标系的旋转平移矩阵cam2base。
[0087]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种标定装置，其特征在于，包括平台支柱(1)，所述平台支柱(1)的顶端设有标定平台(2)，所述平台支柱(1)与所述标定平台(2)之间通过螺栓连接；所述标定平台(2)的顶端设有标定机构，所述标定平台(2)的一侧设有工作平台(3)，所述工作平台(3)的底端设有平台支架(11)，所述工作平台(3)的顶端设有相互配合的处理器和显示器(4)，所述处理器和所述显示器(4)均通过数据传输线与所述标定机构相连接。2.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述标定机构包括机械臂一(5)、标定板一(6)和工业相机一(7)，所述机械臂一(5)的一端通过螺栓与所述标定平台(2)相连接，所述机械臂一(5)远离所述标定平台(2)一的一端连接工业相机一(7)，所述标定板一(6)放置于所述工作平台(3)的顶端。3.根据权利要求2所述的标定装置，其特征在于，所述机械臂一(5)通过数据传输线连接所述显示器(4)和所述处理器。4.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述标定机构包括机械臂二(8)、龙门架(9)、标定板二(10)和工业相机二(12)，所述工业相机二(12)固定在龙门架(9)上，所述龙门架(9)通过螺栓固定于标定平台(2)上，所述机械臂二(8)的一端通过螺栓固定于标定平台(2)，所述标定板二(10)固定于所述机械臂二(8)远离所述标定平台(2)的一端。5.根据权利要求4所述的标定装置，其特征在于，机械臂二(8)、所述处理器和所述显示器(4)通过数据传输线相互连接。6.一种标定方法，基于权利要求1-5任一所述的标定装置，其特征在于，包括以下步骤：s1：根据实施条件，选择采用“眼在手上”或“眼在手外”方式，并通过相机标定，获取相机的内参和畸变系数；s2：在对标定板的8个位置进行拍摄时，机械臂示教器上可读出每个位置的旋转和平移参数；s3：据相机内参与畸变计算board2cam旋转平移矩阵，根据示教器上的旋转和平移参数计算相应旋转平移矩阵；s4：带入相应标定算法计算相应参数；s5：根据相应算法，利用步骤s4获得的参数将相机拍摄的8张标定板图片转换到相应坐标系下，若标定板圆心完全重合则标定精度良好，作为检验标定参数的重要方式。

技术总结
本发明公开了一种手眼标定装置及方法，属于手眼标定领域，包括平台支柱，所述平台支柱的顶端设有标定平台，所述平台支柱与所述标定平台之间通过螺栓连接。可通过机械臂对相机或标定板进行精确的移动，可兼顾工业中所有的标定方式，包括“眼在手上”和“眼在手外”，可验证标定数据的准确性。标定精度高，安装简单，软件可靠、便利，可对软件进行封装，不依赖任何编程环境。环境。环境。


技术研发人员：姚海航 邓泽健 姚政以
受保护的技术使用者：上海电机学院
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/14