[发明专利]一种基于标准球的单目测距定位方法

权利要求书

1.一种基于标准球的单目测距定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将单目相机固定在机械臂上，使相机可以与机械臂同步移动，并记录相机在机器人坐标系的相对位置；

步骤2：对相机进行标定，获得相机的内外参数；

步骤3：将机器人用户坐标系原点建在基板标准小球中心，垂直基板方向为Z方向，向下为y方向；

步骤4：将标准球固定在镜头范围内，控制机械臂，保持镜头方向不变，水平和垂直移动机械臂，在每次移动后拍照采集图像数据；

步骤5：通过标准球色差特征处理图像，提取标准球轮廓，计算出成像轮廓形状参数；

步骤6：使用不同距离基准位置的轮廓数据，求出相机光心轴在机器人坐标系的方向及位置；

步骤7：计算所有位置点相对光轴的夹角以及相机小孔距离标准球球心的距离；

步骤8：建立相机距小球距离及光轴夹角与成像轮廓对应数据集，由测量时拍摄的标准球成像轮廓，首先拟合出长轴尺寸与标准球物距及光轴夹角正切值的函数模型；

步骤9：手眼标定获取相机坐标系与机器人用户坐标系的变换矩阵；

步骤10：在工作机上安装的夹具加装定位基准板，基准板上安装3个标准球，3个球在该夹具坐标系的位置经过三坐标测量获得；

步骤11：机器人抓取待安装的零件后，移动至有效区域，所安装的相机对工作机夹具拍照；

步骤12：对所获得图像进行处理，提取标准球轮廓，依据标定成像尺寸与物距及光轴夹角的数学模型，可以计算出三个标准球的相机坐标值，依据手眼标定变换矩阵，可以得到三个标准球在机器人坐标系的坐标值；

步骤13：计算机器人坐标系和工作机夹具坐标系的变换关系，得出机器人夹具在工作机夹具坐标系中的位置，实现了机器人对工作机夹具的测距定位，机器人将零件安装至设计位置。

2.如权利要求1所述的单目相机定位方法，其特征在于：所述标准球为尺寸精度高，色彩辨识度高的，成像质量好的圆球，例如乒乓球。

3.如权利要求1所述的单目相机定位方法，其特征在于：步骤5中使用颜色特征突出的标准球作为标定和测距的参照基础，通过颜色分量的差值特征对图像进行二值化处理；提取出参照标准球的轮廓信息。

4.如权利要求1所述的单目相机定位方法，其特征在于：步骤5标准球成像轮廓提取时，首先依据凸包性将轮廓进行保凸处理，然后再进行轮廓参数的计算。

5.如权利要求1所述的单目相机定位方法，其特征在于：步骤5标准球成像轮廓参数，包括成像中心、长轴两个半轴，短轴两个半轴以及长轴与X轴的夹角。

6.如权利要求1所述的单目相机定位方法，其特征在于：步骤4所述标定采样方法，使用螺旋上升式的方法采样，确保可以收集到各个角度，不同距离的标准球信息，提高标定的精准度。

7.如权利要求1所述的单目相机定位方法，其特征在于：步骤10所述测定法，采用在基准版上安装3个标准球的方式，且三个球在工作夹具的坐标通过三坐标测量高精度获得。

8.如权利要求1所述的单目相机定位方法，其特征在于：步骤12所述测定法，由机械臂相机拍摄收集3个球的轮廓信息，在标定数据库中提取出对应的数据来计算出3个球在机器人坐标系中的位置，三组数据冗余平均，以进一步提高测量精度。

9.如权利要求1所述的单目相机定位方法，其特征在于：步骤13所述工作夹具坐标系测定法，在标定数据库中提取出对应的数据来计算出3个球在相机坐标系中的位置，进一步计算出工作台坐标系与相机坐标系的转换矩阵，最后通过步骤9手眼标定获得相机坐标系和机器坐标系的变换矩阵，则可获得三个球在机器坐标系的坐标值，实现了夹具在机器坐标系的定位。