[发明专利]一种基于S-R-S结构的康复机械臂的单目视觉手眼标定方法

说明书

本发明公开了一种基于S‑R‑S结构的康复机械臂的单目视觉手眼标定方法，首先建立康复机械臂的运动学模型；然后标定相机的内参矩阵，利用圆弧轨迹分析法求出康复机械臂末端和基座各关节旋转轴在相机坐标系中坐标表示，进一步求得末端和基座坐标系与相机坐标系之间的转换矩阵，再利用靶标与相机坐标系间的转换矩阵求得末端与靶标之间的转换关系，同理求出基座与相机坐标系间的转换矩阵，实现手眼标定；根据标定得到的靶标与末端间的转换矩阵和基座与相机间的转换矩阵，以及康复机械臂转动后靶标与相机间的实时转换矩阵，可以求得末端坐标系与基座坐标系之间的转换矩阵，实现位姿测量；本发明简化了单目测量的系统结构，手眼标定和位姿测量可以同时测量。

技术领域

本发明属于移动机器人定位和单目视觉测量技术领域，具体涉及一种基于S-R-S结构的康复机械臂的单目视觉手眼标定方法。

背景技术

机械臂末端位姿的准确测量是机器人定位技术中的关键问题。视觉传感器因价格低廉、使用方便而受到广泛关注，基于视觉传感器的定位方法一直是研究的热点。根据传感器数目的不同，视觉定位方法可分为单目视觉定位、双目视觉(立体视觉)定位和多目视觉(全方位视觉)定位。单目视觉定位仅需要一台摄像机便能完成定位工作，简单易用且适用广泛，无需解决立体视觉中的两摄像机间的标定和特征点的匹配问题，也不会像全方位视觉传感器那样产生很大的畸变。如何在单目视觉条件下，准确完成位姿求解是一个重要的研究方向。

根据相机与机器人的位置关系，机器人视觉系统可以分为： Eye-in-Hand(EIH)和Eye-to-Hand(ETH)。相机安装在机械臂末端，并随机械臂一起运动的视觉系统称为Eye-in-Hand式手眼系统。相机安装在机械臂本体之外的固定位置，且相机不随机械臂运动的视觉系统称为Eye-to-Hand式手眼系统。针对康复机械臂末端位姿的测量，由于机械臂末端的特殊性，不宜安装相机，所以必须采用固定相机的 ETH视觉系统，此系统中在机械臂末端安装靶标来实现位姿测量。视觉系统的首要任务便是确定相机与机械臂之间的空间关系，即手眼标定。典型的手眼标定方法是控制机械臂末端变换至不同位置，利用相机采集不同位置处靶标坐标系与相机坐标系的转换矩阵，再结合机械臂的运动参数，求解方程AX＝XB确定手眼关系。对于该方程的求解，经典的方法是Tsai等人提出的转站法，但该方法需要机械臂移动较大角度才能标定；另外，存在一些几何方法、特征向量、直积等不同的数学方法解决这一问题，但是由于该方程解的非线性和不稳定性，方程的求解也比较复杂。此外，该方程中矩阵B是机械臂运动前后末端位姿变换矩阵，需要准确的机械臂运动学参数来计算，引入了很大的误差来源，而且针对某些没有完整、准确的运动学参数的康复机械臂，传统的手眼标定方法便无法实现。

发明内容

针对上述现有技术中手眼标定方法计算过程复杂的问题，本发明于提出一种基于S-R-S结构的康复机械臂的单目视觉手眼标定方法；该方法无需求解复杂的非线性方程，而且不需要提供全部的28个DH 参数，只需要提供其中d₁和d₇参数，具体技术方案如下：

一种基于S-R-S结构的康复机械臂的单目视觉手眼标定方法，所述方法包括步骤：

S1、建立指定大小自由度康复机械臂的运动学模型，其中，所述康复机械臂中相邻关节的旋转轴之间均相互垂直且相交于一点；

S2、在所述康复机械臂的末端固定连接一标靶，并固定一相机在所述康复机械臂附近；

S3、以设定的姿态和位置摆放标靶，采用相机获取不同姿态和位置摆放所述标靶的照片，并利用解PNP的方法获取所述相机坐标系在所述康复机械臂转动后与所述标靶坐标系的转换矩阵^bT_c；

S4、旋转所述康复机械臂末端单个关节并利用对应关节转动的圆弧轨迹拟合出所述圆弧轨迹的圆心，基于对应所述关节的旋转轴经过所述圆心获得所述旋转轴在所述相机坐标系中的坐标表示，并获取康复机械臂末端坐标系与所述相机坐标系之间的转换矩阵ⁿT_c；