一种用于线激光传感器的标定块及手眼标定方法
阅读说明：本技术 一种用于线激光传感器的标定块及手眼标定方法 (Calibration block for line laser sensor and hand-eye calibration method ) 是由 江文松 罗哉 赵洪楠 朱志远 陈艺文 于 2020-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于线激光传感器的标定块及手眼标定方法,涉及一种激光传感器的标定技术。它解决了现有技术中激光传感器的标定技术的问题。本用于线激光传感器的标定块及手眼标定方法,所述标定块表面具有棋盘格,所述棋盘格由纵横的等距棋盘线列相交形成,所述标定块中部具有圆台孔,所述圆台孔的轴线垂直于棋盘格所在的表面,所述圆台孔的轴线过棋盘格上两根相交线的交点。本发明的标定块只需在平面上标识出棋盘格线及圆台孔,加工更加简单,加工精度容易提高；标定时机器人的位姿变换范围更广,特征点的拟合提取过程更加便捷易操作,快速准确,且不需要测定标定块在世界坐标系中的坐标。(The invention provides a calibration block for a line laser sensor and a hand-eye calibration method, and relates to a calibration technology of a laser sensor. The calibration method solves the problem of the calibration technology of the laser sensor in the prior art. The calibration block for the line laser sensor and the hand-eye calibration method are characterized in that the surface of the calibration block is provided with a checkerboard which is formed by intersecting longitudinal and transverse equidistant checkerboard lines, the middle of the calibration block is provided with a circular table hole, the axis of the circular table hole is perpendicular to the surface of the checkerboard, and the axis of the circular table hole passes through the intersection point of two intersecting lines on the checkerboard. The calibration block only needs to mark checkerboard lines and circular truncated cone holes on a plane, so that the machining is simpler, and the machining precision is easy to improve; the robot has wider pose transformation range during calibration, the fitting and extracting process of the characteristic points is more convenient, easy to operate, quick and accurate, and the coordinates of the calibration block in a world coordinate system do not need to be measured.)
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，特别是一种激光传感器的标定技术。
背景技术
随着制造业工艺的不断提高，工业检测行业对于检测方式提出了越来越高的要求，传统的接触式测量方法已经不能满足工业检测的要求，非接触、高精确、高灵敏度、数字化和便携化成为检测行业目前发展的主要趋势。线激光传感器是一种利用激光技术进行测量的传感器，非接触式激光测量作为光电检测技术的一个分支，具有速度快、精度高、量程大、可靠性强、适用范围广等优点，在长度、距离以及三维形貌等检测中有着广泛的应用。
为达到高效率、高精度的测量要求，现代工业中将线激光传感器安装在机械臂的末端执行器的组合测量系统的应用越来越广泛。安装时，机器人与线激光传感器之间的位置关系是未知的，为了能够实现精确测量的目的，在实际测量活动之前必须先对机器人与激光传感器的位置关系进行求解和校正，即“手眼标定”。需要基于传感装置的内参数将物体在图像坐标系中的坐标转换到传感器坐标系中，然后再基于测量系统的外参数将物体在传感器坐标系中的坐标转换到世界坐标系中。实际上，传感装置的内参数在出厂时已经固化，无法在使用中进行修改；而外参数可以进行调节和校准，其中很重要的一个过程时必须对机器人视觉系统进行手眼标定，确定传感器与机器人之间的相对位置关系。
简单的说，手眼标定的目的是为了获取基坐标系或世界坐标系与线激光传感器的视觉坐标系之间的转换关系，进而将线激光传感器测得的视觉坐标系下的数据统一到基坐标系或世界坐标系中去。
目前手眼关系标定的方法通常有有限场景点法，平面靶标法和标准球法。有限场景点法和平面靶标法是基于摄像机的标定，其方法是通过调整摄像机的不同位姿对空间中同一点P进行拍摄，通过求解点P在不同图像中的位置关系来得到摄像机与机器人之间的手眼关系。由于线激光传感器的测量范围有限且测量原理不同，此方法不适用于线激光传感器的手眼标定。
标准球法是目前普遍应用于线激光传感器手眼标定的方法，但该标定方法操作过程繁琐，对标准球的加工精度要求高，以及在求球心坐标时的切剖面圆拟合误差较大，影响标定结果的准确性，导致手眼标定结果的精度要求难以保证。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种用于线激光传感器的标定块及手眼标定方法，本标定块加工精度要求不高，便于进行手眼标定，应用于该标定块的手眼标定方法简单，准确度高。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现： 一种用于线激光传感器的标定块及手眼标定方法，所述标定块表面具有棋盘格，所述棋盘格由纵横的等距棋盘线列相交形成，所述标定块中部具有圆台孔，所述圆台孔的轴线垂直于棋盘格所在的表面，所述圆台孔的轴线过棋盘格上两根相交线的交点。
在某些实施方式中，所述圆台孔的孔壁面与棋盘格所在表面相交的圆形口沿的直径小于棋盘格上最小的方格的边长，即两个相邻平行线的间距。
在某些实施方式中，圆台母线与底面夹角为45°。
在某些实施方式中，所述棋盘格为阴刻线。
在某些实施方式中，所述圆台孔下方设置有扫描定位装置，所述扫描定位装置包括可接收扫描光的光电检测器，所述光电检测器的光电探头设置在变形架上，变形架包括12个弧形变形单元，变形单元包括两个弧形杆，两个弧形杆中部通过中部铰链轴转动连接，多个变形单元的弧形杆通过端部铰链轴收尾连接成封闭的圆形的变形架，圆形的变形架与圆台孔的中轴线垂直，变形架的圆心位于圆台孔的中轴线上，同一变形单元的同一径向上的两个端部铰链轴滑动的配合在径向导轨上；端部铰链轴或中部铰链轴由直线电机控制沿径向导轨移动，从而控制所述变形架的收缩变形，从而改变光电检测器距离圆台孔中轴线的距离，光电检测器设置在变形架内侧的12端部铰链轴上。
一种用于线激光传感器的手眼标定方法，包括如下步骤：
（1）传感器设置：将线激光传感器固定安装在机械臂的末端执行器上，所述标定块和棋盘格安装在线激光传感器的测量范围内；
（2）获取“位姿—点云数据集”：通过机械臂调整末端执行器的位姿，使对应位姿下的线激光传感器发射的激光扫描面与标定块上的棋盘格相交，在棋盘格面上形成光条直线，所述光条直线至少经过两个关于圆台孔的中心对称的棋盘线交点，以便使得圆台孔的中心处于光条直线上，传感器采集激光扫描面反射回的3D点云在传感器坐标系下的坐标数据，通过机械臂示教器读取并记录所述末端执行器在不同位姿下的位姿信息数据，获取的末端执行器至少6个不同位姿对应的3D点云数据；
（3）计算出圆台孔中心在传感器坐标系下的坐标：对不同位姿下对应的3D点云数据进行直线拟合，并构造拟合直线方程，获取关于圆台孔中心对称的两个对称点，将两个对称点在同一个坐标轴上对应的第一坐标值代入拟合直线方程，得到两个对称点在拟合直线上对应的另一个坐标轴上的第二坐标值，两个对称点的对应坐标值和的二分之一即为圆台孔的中心在传感器坐标系下的坐标。
（4）对机器人进行手眼标定：由于标定块和机械臂的基座都是固定的，因此可由以 下矩阵等式求解出传感器坐标系相对于末端执行器坐标系的平移和旋转矩阵：
其中，n表示扫描采集数据的总次数，
在某些实施方式中，所述两个对称点为每个光条直线对应的3D点云数据中坐标发生突变的两点。
在某些实施方式中，所述3D点云数据包括棋盘格表面反射的表面3D点云数据和圆台孔内部底面反射的底面3D点云数据两部分，根据底面3D点云数据的坐标与表面3D点云数据的坐标存在突变的特点，剔除底面3D点云数据。
在某些实施方式中，在驱动线激光传感器时，使得棋盘格上关于圆台孔的中心对称的两个纵横棋盘线的交点均处于所述光条直线上。
在某些实施方式中，所述两个对称点为关于圆台孔对称的两个棋盘格线与光条直线的交点。
在某些实施方式中，在驱动线激光传感器时，扫描光部分的射进圆台孔内，通过直线电机控制变形架的变形，使得扫描光被其中两个铰链轴上的光电检测器检测到，根据直线电机的伸缩量及检测到光的光电检测器所在铰链轴的位置即可计算出扫描光入射的角度及朝向，从而可知在棋盘格上扫描光扫描的位置。
与现有技术相比，本用于线激光传感器的标定块及手眼标定方法具有以下优点：
本发明的标定块只需在平面上标识出棋盘格线及圆台孔，加工更加简单，加工精度容易提高；标定时机器人的位姿变换范围更广，特征点的拟合提取过程更加便捷易操作，快速准确，且不需要测定标定块在世界坐标系中的坐标。
附图说明
在附图(其不一定是按比例绘制的)中，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示相似部件的不同示例。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
图1为实施例一的标定装置示意图；
图2为标定块的立体示意图；
图3为标定块的棋盘格面正视图；
图4为标定块的剖视图；
图5为两种激光扫描面与标定块棋盘格面相交状态的对比示意图；
图6为采集的3D点云数据的分布示意图；
图7为手眼标定的流程示意图；
图8为实施例三的示意图；
图9为实施例三的扫描定位装置的示意图；
图10为实施例三的扫描定位装置变形后的示意图；
图中：101、机械臂；201、末端执行器；301、线激光传感器；302、激光扫描面；401、标定块；402、棋盘格；403、特征点P；404、圆台孔；405、关于特征点P的对称交点对（示例I）；406、关于特征点P的对称交点对（示例II）；501、操作平台；中部铰链轴6；端部铰链轴7；光电探头8；径向导轨9；直线电机10；转环11；弧形杆12。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例，以下实施方式并不限制权利要求书所涉及的发明。此外，实施方式中说明的特征的所有组合未必是发明的解决方案所必须的。
本领域的普通技术人员应理解，所有的定向参考(例如，上方、下方、向上、上、向下、下、顶部、底部、左、右、垂直、水平等)描述性地用于附图以有助于读者理解，且不表示(例如，对位置、方位或用途等)对由所附权利要求书限定的本发明的范围的限制。另外，术语“基本上”可以是指条件、量、值或尺寸等的轻微不精确或轻微偏差，其中的一些在制造偏差或容限范围内。
实施例一
如附图1、2、3、4所示，在机械臂外的操作平台501上确定一个与世界坐标系相对固定的位置并固定标定块401，标定块401为立方体结构，规格为220.0mm×220.0mm×30.0mm，尺寸加工精度为0.01mm，表面粗糙度为1.6，材质为陶瓷；所述标定块表面具有棋盘格，所述棋盘格由纵横的等距棋盘线列相交形成，棋盘格402，位于标定块中的220mm×220mm的表面中心，规格为200mm×200mm，由21条横竖垂直的等间距线段组成，相邻两条平行线段之间的距离为10.0mm，刻线精度为0.01mm；所述标定块中部具有圆台孔（即圆台型孔洞），圆台孔404的中心轴与标定块401中心轴同轴，位于标定块401的中心处；圆台孔404高30mm，上表面圆的半径为5mm，下表面圆的半径为35mm，圆台母线与底面夹角为45°， 所述圆台孔的轴线垂直于棋盘格所在的表面，特征点P403位于棋盘格的中心交点处，所述圆台孔的轴线过该交点；所以特征点P403也即圆台上圆孔的圆心。所述圆台孔的孔壁面与棋盘格所在表面相交的圆形口沿的直径小于棋盘格上最小的方格的边长，即两个相邻平行线的间距。
标定基本原理：特征点P403位于标定块401表面中心，将线激光传感器301固定安装在机械臂的末端执行器201上，通过机械臂101调整末端执行器201并驱动线激光传感器301一起运动，使线激光传感器301以不同位姿对关于特征点P403的位置信息进行扫描采集。因为线激光传感器301和机器人的末端执行器201的相对位置关系不变，所以传感器坐标系和末端执行器坐标系的相对位置关系不变，求取这两个坐标系的关系就是机器人的手眼标定。
如图5、6、7所示，具体标定方法如下：
（1）传感器设置：将线激光传感器301固定安装在机械臂101的末端执行器201上，标定块401固定安装在操作平台501上，所述标定块401和棋盘格402安装在线激光传感器301的测量范围内；
（2）获取“位姿—点云数据集”：通过机械臂101调整末端执行器201的位姿，使对应位姿下的线激光传感器301发射的激光扫描面与标定块401上的棋盘格402相交，在棋盘格面上形成光条直线，所述光条直线至少经过两个关于圆台孔的中心 (即特征点)对称的棋盘线交点，以便使得圆台孔的中心处于光条直线上，传感器采集激光扫描面反射回的3D点云在传感器坐标系下的坐标数据，通过机械臂示教器读取并记录所述末端执行器201在不同位姿下的位姿信息数据，获取至少6个不同位姿对应的3D点云数据，将该过程的位姿数据和标定块401的3D点云数据打包成“位姿—点云数据集”；
（3）计算出圆台孔中心在传感器坐标系下的坐标：
对不同位姿下对应的3D点云数据进行直线拟合，并构造拟合直线方程，获取关于圆台孔中心对称的两个对称点，将两个对称点在同一个坐标轴上对应的第一坐标值代入拟合直线方程，得到两个对称点在拟合直线上对应的另一个坐标轴上的第二坐标值，两个对称点的对应坐标值和的二分之一即为圆台孔的中心在传感器坐标系下的坐标，所述两个对称点可以为每个光条直线对应的3D点云数据中坐标发生突变的两个点，即圆台孔边缘在传感器坐标系下的对应的两个点，因为所述3D点云数据包括棋盘格402表面反射的表面3D点云数据和圆台孔404内部底面反射的底面3D点云数据两部分，根据底面3D点云数据的坐标与表面3D点云数据的坐标存在突变的特点， 3D点云数据坐标发生突变的点即为光条直线与圆台孔边缘相交的两个点，该两个点的中心即为圆孔的圆心，即特征点P403，更具体的说明如下：
所述线激光传感器301对标定块401测得的3D点云数据均在传感器坐标系中的yz平面 内，包括N个数据点(0,yi,zi)，分布在激光传感器301发射的激光扫描面302与标定块401的 相交的光条直线上；所述3D点云数据包括棋盘格402上的3D点云数据和圆台孔404底面上的 3D点云数据两部分，A、B两点为棋盘格402上的3D点云数据中，距离特征点P403最近的两个 点；对所述光条直线上的3D点云数据再进行处理，剔除圆台孔404底面上的光条直线所在的 3D点云数据，获取棋盘格402上的光条直线所在的3D点云数据；通过最小二乘法对所述“棋 盘格402上的光条直线所在的3D点云数据”在传感器坐标系中的yz平面内进行拟合，并构造 函数Z(y)来表示拟合直线方程 ，获取距离特征点P403最近的两个3D点 云数据分别为A(0,y1,z1)和B(0,y2,z2)，取其y轴值并代入拟合直线方程得到A、B两点经拟合之后的Z轴坐标值分别为：
由于特征点P403为线段AB的中点，所以经过拟合之后的特征点P403的在传感器坐标系中的坐标可以表示为：
（4）对机器人进行手眼标定：由于标定块401和机械臂101的基座都是固定的，因此可由以下矩阵等式成立：
（5）
其中，n表示扫描采集数据的总次数，表示圆台孔的中心在基坐标系中的坐标，
由式（5）可得以下方程：
（6）
令代入式（6）并展开可以得到：
（7）
再建立以下关系式：
（8）
（10）
以上公式中，
Ax=b （11）
通过最小二乘解方程可以得到关于x的解：
（12）
通过求解出来的x就可以得到Rx，Tx的参数值，得到手眼关系矩阵，手眼标定完成。
实施例二
在驱动线激光传感器301时，使得激光扫描面与棋盘格402上关于圆台孔的中心对称的纵横棋盘线的交点均处于所述光条直线上，确保圆台孔的中心处于激光扫描面上，交点便于识别。
计算出圆台孔中心在传感器坐标系下的坐标时，使得棋盘格上关于圆台孔的中心对称的两个纵横棋盘线的交点均处于所述光条直线上，由于棋盘格线为阴刻线，棋盘格线与光条直线的交点在传感器坐标系的坐标相对于3D点云的其他点有明显的坐标值的变化，所以对称的两个点很容易被找到，即所述两个对称点为关于圆台孔对称的两个棋盘格线与光条直线的交点。
在驱动线激光传感器301时，控制机械臂101调整末端执行器201的位姿使特征点P403靠近光条直线的中心位置，有利于线激光传感器301采集到的坐标数据处理更精确。
实施例三
如图8、9、10所示，与上述实施例不同的是，所述圆台孔下方设置有扫描定位装置，所述扫描定位装置包括可接收扫描光的光电检测器，所述光电检测器的光电探头8设置在变形架上，变形架包括12个弧形变形单元，变形单元包括两个弧形杆12，两个弧形杆中部通过中部铰链轴6转动连接，多个变形单元的弧形杆通过端部铰链轴7收尾连接成封闭的圆形的变形架，圆形的变形架与圆台孔的中轴线垂直，变形架的圆心位于圆台孔的中轴线上，同一变形单元的同一径向上的两个端部铰链轴滑动的配合在径向导轨9上。端部铰链轴或中部铰链轴由直线电机10控制沿径向导轨移动，从而控制所述变形架的收缩变形，从而改变光电检测器距离圆台孔中轴线的距离，光电检测器设置在变形架内侧的12个端部铰链轴上。虽然图中示出了多个直线电机，但直线电机其实只要一个即可，当然也可采用其他伸缩控制装置。
检测时，扫描光部分的射进圆台孔内，通过直线电机控制变形架的变形，使得扫描光被其中两个铰链轴上的光电检测器检测到，根据直线电机的伸缩量及检测到光的光电检测器所在铰链轴的位置即可计算出扫描光入射的角度及朝向，从而可知在棋盘格上扫描光扫描的位置。
径向导轨可固定在转环11上，所述转环与圆台孔的中轴线同轴，步进电机控制转环绕圆台孔的中轴线转动，一般与可对朝任意方位扫描的光都能保证同时有两个光电检测器检测到该方向的光。
尽管本文较多地使用了一些术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。说明书及附图中所示的装置及方法中的动作、步骤等执行顺序，只要没有特别明示顺序的限定，只要前面处理的输出并不用在后面的处理中，则可以任意顺序实现。为描述方便起见而使用“首先”、“接着”等的说明，并不意味着必须依照这样的顺序实施。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。