[发明专利]基于四目立体视觉的机械臂标定系统和标定方法

说明书

本发明公开了基于四目立体视觉的机械臂标定系统，包括机械臂、控制箱、计算机、两台双目摄像机、标定板、若干标记点，若干标记点分别固定于所述机械臂末端及其各个关节，两台双目摄像机分布在所述机械臂前方和侧方，对若干标记点进行实时拍摄；本发明还公开了基于四目立体视觉的机械臂标定方法，包括以下步骤：求解两个坐标系的转换矩阵；采集第一批数据进行计算，构建目标函数；采用最小二乘算法对机械臂几何参数以及非几何参数进行迭代优化；对机械臂零点以及转换矩阵进行修正，利用修正后的D‑H运动学参数完成对机械臂几何参数的标定；对标定结果进行验证。本发明具有能够快速完成机械臂几何参数标定与零点修正的有益效果。

技术领域

本发明涉及机械臂控制领域。更具体地说，本发明涉及一种基于四目立体视觉的机械臂标定系统和标定方法。

背景技术

随着机械臂技术的智能化发展，国内外机械臂企业开始注重工业领域以外的应用，桌面机械臂产业已经形成后起之势。小型化的桌面机械臂具有重量轻、体积小、操作性好，易于开发等优点，避免了大型工业机械臂的笨重和危险，目前已成功应用于医疗、教育、食品加工等行业领域，但是这类机械臂大都是由国外生产研发的，价格非常昂贵，难以普及和推广。国内生产的消费级桌面机械臂虽然价格便宜，但经常存在定位精度不高，出厂前的标定精度低，甚至没有关节角传感器、零点限位功能等问题，这些都限制了其开发与应用范围，只有解决了这一关键问题才能全方位普及和应用，才能更好的为消费者服务。

机械臂定位性能的衡量指标一般分为重复定位精度和绝对定位精度两大类，研究发现，运动学参数误差对绝对定位精度的影响约占总误差的90％以上。机械臂运动学参数标定是提高机器人绝对定位精度的有效方式，一般包括建模、数据测量、参数辨识和误差补偿4步，其中，进行数据测量时，常借助于外界先进的测量设备获取机械臂末端真实的位姿数据。常用的测量设备如三坐标测量机、激光跟踪仪、运动捕捉系统等，一般价格昂贵，操作复杂。

现有的基于视觉测量的标定方法如中国发明申请CN 105773609A提供的一种基于视觉测量及距离误差模型的机器人运动学标定方法，建立了完整的误差模型，对手眼关系与运动学参数进行了同时标定，但其最大的问题在于将相机固定于机械臂末端进行测量，花费了更多的计算代价，因此数据采集过程也会更加耗时。

如中国发明专利CN 102848389B提供的一种基于视觉运动捕捉的机械臂标定及跟踪系统实现方法：在机械臂上设置标记点，采用视觉运动捕捉系统获取标记点的空间坐标，结合机械臂关节的驱动命令与实时捕获的机械臂关节的位置数据，完成各个关节的标定。这是一种有效的标定与跟踪方法，但由于此方法需要依次对每个关节进行标定，标定过程耗时较多，而且测量设备价格昂贵，因此不利于在机械臂标定中推广应用。

综上所述，仍然需要一种低成本且完善的机械臂标定设备和方法，以解决消费级桌面机械臂定位精度不高的问题。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种基于四目立体视觉的机械臂标定系统，还提供一种基于四目立体视觉的机械臂标定方法，具有能够快速完成机械臂几何参数标定与零点修正的有益效果。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于四目立体视觉的机械臂标定系统，包括机械臂、控制箱、计算机，所述控制箱与所述计算机连接，所述控制箱控制所述机械臂的运动，还包括：

两台双目摄像机，两台双目摄像机分别分布在所述机械臂的前方和侧方，所述双目摄像机与所述计算机连接；

标定板，其用于标定所述双目摄像机，构建机械臂标定系统的世界坐标系；

若干标记点，若干标记点分别固定于所述机械臂末端及其各个关节。

优选的是，所述计算机中包括摄像机控制模块、数据处理模块、机械臂标定模块、机械臂控制模块；