[发明专利]一种工业机器人自动手眼标定方法

权利要求书

1.一种工业机器人自动手眼标定方法，其特征在于，包括手动初始化和自动手眼标定两个阶段：

手动初始化阶段：

步骤S1：将标定板放置在目标工作区域内，并调整相机，使之位于标定板的正上方处；

步骤S2：根据相机与末端工具坐标系之间的设计与安装尺寸或者采样3-5幅标定图片和对应的机器人位姿进行粗略标定，获取相机与末端工具坐标系之间的位姿关系：^T0H_C0；

自动手眼标定阶段：

步骤S3：以标定板坐标系原点为球心，按照球体坐标系参数进行相机位姿规划并将其转化为笛卡尔坐标系下的位姿，具体为：

以标定板坐标系为世界坐标系{W}，相机坐标系为{C}，手眼标定的位姿规划在世界坐标系{W}下进行，且以世界坐标系原点为球心的球形坐标系下规划；规划的相机位姿分为：平移、深度和旋转三类，具体规划如下：

相机视野：W×H，标定板有效区域尺寸：L×L；

相机的平移范围：(W-L)×(H-L)，规划位姿相对于初始中心位姿的坐标为：

(-(W-L)/2,(H-L)/2),(0,(H-L)/2),((W-L)/2,(H-L)/2),(-(W-L)/2,-(H-L)/2),(0,-(H-L)/2),((W-L)/2,-(H-L)/2)；

深度平移范围：(0,0,h-d/2),(0,0,h-d/4),(0,0,h),(0,0,h+d/4),(0,0,h+d/2)；其中，h为相机的标准工作距离，d为人为设定深度方向的最大位移；

旋转位姿规划：以经纬度λ为参数，规划3×3组位姿，球面经纬度分别为(80°，0°)，(80°，120°)，(80°，240°)，(65°，30°)，(65°，150°)，(65°，270°)，(45°，60°)，(45°，180°)，(45°，300°)；

将规划球体位姿转换为笛卡尔坐标系下的位姿过程如下：

以为例，求取相机在标定板坐标系中的位姿：^WH_C；

位于距离球心h，经纬坐标的相机位姿从如下过程获得：世界坐标系最后绕原来的z轴旋转-λ，即：

其中，表示绕x轴旋转角度Ty(h)表示沿y轴平移h距离；

Rx(θ)，Ry(θ)，Rz(θ)的表达式为；

Ty(d)＝[0,d,0]^T

其中，cθ＝cos(θ)，sθ＝sin(θ)，以上公式带入公式(1)求得相机坐标系在世界坐标系即标定板坐标系中的位姿：^WH_C，世界坐标系在相机坐标系中的位姿为：^CH_W＝(^WH_C)^-1；

步骤S4：通过使用粗略的相机与末端工具坐标系之间的位姿关系^T0H_C0将转化后标定板坐标系下的相机位姿转换为对应的机器人位姿；

步骤S5：通过相机获取当前位姿并记录，判断当前位姿是否为最后的标定位姿，如果是最后的位姿，则对所有已采集图片和位姿进行手眼标定，否则继续采集图片和位姿。

2.根据权利要求1所述的一种工业机器人自动手眼标定方法，其特征在于，步骤S4规划的相机位姿转换为对应的机器人位姿具体步骤如下：

在整个标定过程中，无论相机如何变换位姿，标定板位置不变，标定板在机器人坐标系中的位姿也不变；

^BH_W＝^BH_T^TH_C^CH_W＝^B0H_T0^T0H_C0^C0H_W0＝^B0H_W0

其中，^C0H_W0为相机手动调整到标定板正上方工作距离时，标定板坐标系在相机坐标系中的位姿，^T0H_C0为机械加工与安装所粗略决定的相机坐标系在机械手工具坐标系中的位姿，在完成相机与机器人手眼标定之前有^TH_C＝^T0H_C0，^B0H_T0即为机器人的位姿，由机器人控制系统给出；

相机的规划位姿到机器人位姿之间的转换关系为，

^BH_T＝^B0H_T0^T0H_C0^C0H_W0(^TH_C^CH_W)^-1＝^B0H_W0(^CH_W)^-1(^TH_C)^-1

由规划的相机在标定板坐标系下的位姿^WH_C到工具坐标系到机器人坐标系下的位姿^BH_T完成，机器人根据^BH_T运动即可使相机到达规划位姿，进行有效的标定板图像采集。