一种机械臂末端位姿误差测量方法及系统
阅读说明：本技术 一种机械臂末端位姿误差测量方法及系统 (Method and system for measuring pose error of tail end of mechanical arm ) 是由 张炜 耿金华 朱炯光 邵鹏 尹树彬 于 2021-01-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种机械臂末端位姿误差测量方法及系统,所述系统包括测量靶标装置、机械臂、条纹投影三维扫描装置和处理器；所述测量靶标装置包括底座、多个标准球及多个支撑杆组成,每个支撑杆的一端固定在底座上,另一端用于固定一个标准球,所述多个支撑杆成环形分布,所述测量靶标装置安装于机械臂末端。通过无外部影响时提前获取机械臂末端的标准位姿,直接和实际工作中的机械臂末端的实际位姿进行比较,快速测量位姿误差；另外,获取大量基准球表面三维点云数据,通过三维点云数据拟合各球心位置,由于计算过程中使用了大量点云数据,少量误差较大的数据对测量结果影响较小,可以实现更高精度的工业机械臂末端位姿误差测量。(The invention discloses a method and a system for measuring pose errors of the tail end of a mechanical arm, wherein the system comprises a measuring target device, the mechanical arm, a stripe projection three-dimensional scanning device and a processor; the measuring target device comprises a base, a plurality of standard balls and a plurality of supporting rods, one end of each supporting rod is fixed on the base, the other end of each supporting rod is used for fixing one standard ball, the supporting rods are distributed in an annular mode, and the measuring target device is installed at the tail end of the mechanical arm. The standard pose of the tail end of the mechanical arm is obtained in advance when no external influence exists, and the pose error is directly compared with the actual pose of the tail end of the mechanical arm in actual work to quickly measure the pose error; in addition, a large amount of three-dimensional point cloud data of the surface of the reference sphere are obtained, and the positions of the sphere centers are fitted through the three-dimensional point cloud data.)
技术领域
本发明涉及工业机械臂领域，具体是一种机械臂末端位姿误差测量方法及系统。
背景技术
工业机械臂具有结构简单，操控方便等特点，可以替代人力实现自动化和智能化生产，能够提高生产效率、改善生产环境和降低产品成本，在企业中得到了越来越多的应用。尽管工业机械臂已经广泛应用于产品搬运或油漆喷涂等危险工作，但是工业机械臂的整体机械结构属于串联式结构，结构刚性较弱，在工作过程中很难达到较高的定位精度，其绝对定位误差甚至可以达到2～3毫米，极大地限制了其在高精度制造场合中的进一步应用。通过优化装置及构件结构或者改进建模理论等方式可以提高工业机械臂的绝对定位精度，但是由于工业机械臂的整体结构不平衡，这些方法往往定位精度提升效果有限。
相比之下，采用测量系统对工业机械臂位姿误差进行监测并及时进行补偿，能够更加有效地实现工业机械臂的高精度定位和满足智能产品制造的操控精度需求。现有的工业机械臂末端位姿测量方法可以简单分为接触式和非接触式测量方法。接触式测量方式要求测量设备必须直接与测量目标接触,通常使用球杆仪、拉线式传感器等设备,这种接触式的测量在机械臂上实施起来难度大,操作也较为复杂且测量范围较小。非接触测量方法主要包括有激光跟踪仪器和视觉传感器。其中，激光跟踪仪具有测量精度高，测量范围大等优点，但不易搬运而且价格昂贵。凭借着测量效率高和成本低等优点，视觉检测成为最常用的工业机械臂末端位姿测量方式。双目视觉方法基于视差原理并通过多个特征点的匹配以实现三维位姿检测。该方法仅需两个相机同步采集图像即可实现位姿测量，测量效率较高，是目前最常见的工业机械臂末端位姿测量方法。但是双目视觉方法的测量精度容易受到测量距离和成像角度等因素影响，往往只能在最佳测量位置获得标称的测量精度。
发明内容
本发明提供一种机械臂末端位姿误差测量方法及系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
第一方面，本发明实施例提供了一种机械臂末端位姿误差测量方法，包括：
设计测量靶标装置，所述测量靶标装置包括底座、多个标准球及多个支撑杆组成，每个支撑杆的一端固定在底座上，另一端用于固定一个标准球，所述多个支撑杆成环形分布，所述测量靶标装置安装于机械臂末端；
在实际工作之前，将机械臂末端移动到目标位置时，通过条纹投影三维扫描装置获取标准球的多个参考相移条纹图像，使用三维点云数据计算方法对多个参考相移条纹图像处理得到各标准球表面轮廓三维点云数据作为参考三维点云数据，根据参考三维点云数据拟合各标准球的球心三维坐标作为标准位姿数据；
在实际工作过程中，当机械臂末端移动到所述目标位置时，通过条纹投影三维扫描装置获取标准球的多个实际相移条纹图像，使用三维点云数据计算方法对多个实际相移条纹图像处理得到各标准球表面轮廓三维点云数据作为实际三维点云数据，根据实际三维点云数据拟合各标准球的球心三维坐标作为实际位姿数据；
对实际位姿数据中每一个标准球的球心三维坐标沿空间坐标方向进行平移和绕坐标方向进行旋转变换处理，当实际位姿数据经过平移参数平移和旋转参数旋转变换后与标准位姿数据的差值满足预设条件时，将满足预设条件的平移参数和旋转参数作为机械臂末端位姿误差。
进一步，通过条纹投影三维扫描装置获取标准球的多个参考相移条纹图像包括：
使用条纹投影三维扫描装置投射多步相移条纹模板，同时使用相机同步采集与每个相移条纹模板对应相移条纹图像Ii(x,y)，i＝1,2,…,N，N为相移步数，x和y为图像的横坐标和纵坐标。
进一步，位姿数据计算方法包括：
根据采集的相移条纹图像计算调制度图像；
对所述调制度图像进行二值化转换得到二值化调制度图像；
从所述二值化调制度图像中确定各标准球表面图像区域；
根据条纹投影三维扫描装置的转换模型以及相位图像坐标处的相位值，将各标准球表面区域的图像坐标转换成各标准球表面轮廓三维点云数据，其中相位图像由相移条纹图像经过多步相移算法处理得到；
由各标准球表面轮廓三维点云数据结合最小二乘拟合算法获取各标准球中心位置三维坐标作为位姿数据。
进一步，所述根据采集的相移条纹图像计算调制度图像为：
其中，M(x,y)为调制度图像。
进一步，所述对所述调制度图像进行二值化转换得到二值化调制度图像包括：
使用大津法Otsu计算所述调制度图像的二值图像分割阈值，根据所述分割阈值对所述调制度图像进行二值化转换得到二值化调制度图像。
进一步，所述从所述二值化调制度图像中确定各标准球表面图像区域包括：
对所述二值化调制度图像中的各个不连通区域进行搜索，根据其中心与各边缘距离的变动情况搜索具有圆形特征的区域，确定为各标准球表面图像区域。
进一步，根据参考三维点云数据拟合各标准球的球心三维坐标作为标准位姿数据具体为：
由参考三维点云数据结合最小二乘拟合算法获取各标准球的球心三维坐标作为标准位姿数据。
进一步，使用粒子群寻优算法迭代平移参数和旋转参数，直至实际位姿数据经过平移参数平移和旋转参数旋转变换后与标准位姿数据的差值满足预设条件，其中预设条件指实际位姿数据中每一个标准球的球心三维坐标经过平移参数平移和旋转参数旋转变换后与标准位姿数据中对应的标准球的球心三维坐标的差值的绝对值的总和小于阈值。
进一步，所述实际位姿数据中每一个标准球的球心三维坐标沿空间坐标方向进行平移和绕坐标方向进行旋转变换处理：
其中，C’j(x’j,y’j,z’j)为实际位姿数据中第j个标准球的球心三维坐标，C”j(x”j,y”j,z”j)为实际位姿数据中第j个标准球的球心三维坐标经过平移和旋转变换之后的坐标值，3≤j≤M，M为标准球的数量，(Δx′,Δy′,Δz′)为平移参数，(θ′x,θ′y,θ′z)为旋转参数。
第二方面，本发明实施例提供了一种机械臂末端位姿误差系统，包括：测量靶标装置、机械臂、条纹投影三维扫描装置和处理器；其中测量靶标装置包括底座、多个标准球及多个支撑杆组成，每个支撑杆的一端固定在底座上，另一端用于固定一个标准球，所述多个支撑杆成环形分布，
所述测量靶标装置，用于安装于机械臂末端；
条纹投影三维扫描装置，用于在实际工作之前，将机械臂末端移动到目标位置，获取标准球的多个参考相移条纹图像；还用于在实际工作过程中，当机械臂末端移动到所述目标位置时，获取标准球的多个实际相移条纹图像；
处理器，用于根据所述多个参考相移条纹图像确定标准位姿参考数据，根据多个实际相移条纹图像确定实际位姿数据，对实际位姿数据中每一个标准球的位姿数据沿空间坐标方向进行平移和绕坐标方向进行旋转变换处理，当实际位姿数据经过平移参数平移和旋转参数旋转变换后与标准位姿数据的差值满足预设条件时，将满足上述预设条件的平移参数和旋转参数作为机械臂末端位姿误差。
本发明实施例的一种机械臂末端位姿误差测量方法及系统，至少具有以下有益效果：通过无外部影响时提前获取机械臂末端的标准位姿，直接和实际工作中的机械臂末端的标准位姿进行比较，快速测量位姿误差；另外，获取大量基准球表面三维点云数据，通过三维点云数据拟合各球心位置，由于计算过程中使用了大量点云数据，少量误差较大的数据对测量结果影响较小，可以实现更高精度的工业机械臂末端位姿误差测量。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是本发明一实施例提供的一种机械臂末端位姿误差测量方法的流程图；
图2是本发明一实施例提供的一种测量靶标装置的结构图。
图3(a)为现有技术对相移条纹图像处理得到的灰度图像；
图3(b)为本发明对相移条纹图像处理得到的的调制度图像；
图4是本发明一实施例提供的一种基于粒子群寻优算法确定机械臂末端位姿误差的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1是本发明实施例提供的一种机械臂末端位姿误差测量方法，包括以下步骤：
S101、设计测量靶标装置，所述测量靶标装置安装于机械臂末端；
其中，如图2所示，所述测量靶标装置100包括底座101、多个标准球102、多个支撑杆103和操作工具104组成，每个支撑杆103的一端固定在底座101上，另一端用于固定一个标准球102，底座101为圆形底座，所述多个支撑杆成环形分布；测量靶标装置安装于机械臂200末端，标准球的数量为M，3≤M，例如图2中，M＝3。
S102、在实际工作之前，将机械臂末端移动到目标位置时，通过条纹投影三维扫描装置获取标准球的多个参考相移条纹图像，使用三维点云数据计算方法对多个参考相移条纹图像处理得到各标准球表面轮廓三维点云数据作为参考三维点云数据，根据参考三维点云数据拟合各标准球的球心三维坐标作为标准位姿数据；
S103、在实际工作过程中，当机械臂末端移动到所述目标位置时，通过条纹投影三维扫描装置获取标准球的多个实际相移条纹图像，使用三维点云数据计算方法对多个实际相移条纹图像处理得到各标准球表面轮廓三维点云数据作为实际三维点云数据，根据实际三维点云数据拟合各标准球的球心三维坐标作为实际位姿数据；
S104、对实际位姿数据中每一个标准球的球心三维坐标沿空间坐标方向进行平移和绕坐标方向进行旋转变换处理，当实际位姿数据经过平移参数平移和旋转参数旋转变换后与标准位姿数据的差值满足预设条件时，将满足预设条件的平移参数和旋转参数作为机械臂末端位姿误差。
其中，步骤S102是在无外部影响下运动的位姿，精度较高，步骤S103是实际工作过程中采集的位姿，受到动态载荷的影响，误差较大，通过无外部影响时提前获取机械臂末端的标准位姿，直接和实际工作中的机械臂末端的标准位姿进行比较，快速测量位姿误差。
进一步，步骤S102中，通过条纹投影三维扫描装置获取标准球的多个参考相移条纹图像包括：
使用条纹投影三维扫描装置投射多步相移条纹模板，同时使用相机同步采集与每个相移条纹模板对应相移条纹图像Ii(x,y)，i＝1,2,…,N，N为相移步数，x和y为图像的横坐标和纵坐，多步相移条纹模板指具有不同初始相位的相移条纹模板，相邻相移条纹模板的初始相位差为360度/N，输入到条纹投影三维扫描装置，使得投射的光扫描目标对象，采集目标对象的相移条纹图像。例如，三步相移，则对应三个相移条纹模板，得到3个相移条纹图像，每个图像之间相位差为120度。
在一实施例中，步骤S103中通过条纹投影三维扫描装置获取标准球的多个实际相移条纹图像的方法与S102中通过条纹投影三维扫描装置获取标准球的多个参考相移条纹图像的方法相同。
进一步，步骤S102和步骤S103中的三维点云数据计算方法包括：
S201、根据采集的相移条纹图像计算调制度图像；
S202、对所述调制度图像进行二值化转换得到二值化调制度图像；
S203、从所述二值化调制度图像中确定各标准球表面图像区域；
S204、根据条纹投影三维扫描装置的转换模型以及相位图像坐标处的相位值，将各标准球表面区域的图像坐标转换成各标准球表面轮廓三维点云数据。
该转换模型采用现有技术中的相位-高度转换模型，输入为相位分布图的坐标，和该坐标处的数值即相位，采用相位-高度转换模型能够直接计算出相位图像坐标处对应的三维坐标，即计算出各标准球表面各点的三维坐标，而相位图像由采集的相移条纹图像经过多步相移算法处理得到。
进一步，步骤S102中根据参考三维点云数据拟合各标准球的球心三维坐标作为标准位姿数据具体为：
由参考三维点云数据结合最小二乘拟合算法获取各标准球的球心三维坐标作为标准位姿数据。
进一步，步骤S103中根据实际三维点云数据拟合各标准球的球心三维坐标作为实际位姿数据具体为：
由实际三维点云数据结合最小二乘拟合算法获取各标准球的球心三维坐标作为实际位姿数据。
使用本发明的位姿误差测量方法获取基准球表面三维点云数据，通过三维点云数据拟合各球心位置，由于计算过程中使用了大量点云数据，少量误差较大的数据对测量结果影响较小，使其测量精度高于双目视觉测量系统，可以实现更高精度的工业机械臂末端位姿误差测量。
进一步，步骤S201中根据采集的相移条纹图像计算调制度图像为：
其中，M(x,y)为调制度图像。如图3(a)和图(b)所示，图3(a)为现有技术对相移条纹图像处理得到的灰度图像，图3(b)为本发明的调制度图像，调制度图像相比灰度图像，球形靶标的边缘区域在调制度图中亮度会降低，有利于在后续对标准球图像区域进行精确分割与识别。其中图3(a)和图3(b)的左下角均为标准球和支撑杆连接处的放大图，可以看出，调制度图像相比灰度图像，图像分辨率更高。
进一步，步骤S202中对所述调制度图像进行二值化转换得到二值化调制度图像包括：
使用大津法Otsu计算所述调制度图像的二值图像分割阈值，根据所述分割阈值对所述调制度图像进行二值化转换得到二值化调制度图像。
进一步，步骤S203中所述从所述二值化调制度图像中确定各标准球表面图像区域包括：
对所述二值化调制度图像中的各个不连通区域进行搜索，根据其中心与各边缘距离的变动情况搜索具有圆形特征的区域，确定为各标准球表面图像区域。
进一步，使用粒子群寻优算法迭代平移参数和旋转参数，直至实际位姿数据经过平移参数平移和旋转参数旋转变换后与标准位姿数据的差值满足预设条件，其中预设条件指实际位姿数据中每一个标准球的球心三维坐标经过平移参数平移和旋转参数旋转变换后与标准位姿数据中对应的标准球的球心三维坐标的差值的绝对值的总和小于阈值。
进一步，步骤S104中对每一个标准球的球心三维坐标沿空间坐标方向进行平移和绕坐标方向进行旋转变换处理为：
其中，C’j(x’j,y’j,z’j)为实际位姿数据中第j个标准球的球心三维坐标，C”j(x”j,y”j,z”j)为实际位姿数据中第j个标准球的球心三维坐标经过平移和旋转变换之后的坐标值，3≤j≤M，M为标准球的数量，(Δx′,Δy′,Δz′)为标准球的平移参数，(θ′x,θ′y,θ′z)为标准球的旋转参数。
为了快速确定位姿误差数值，本发明使用粒子群算法进行参数寻优。该算法不断迭代平移(Δx′,Δy′,Δz′)和旋转变换(θ′x,θ′y,θ′z)参数。
工业机械臂末端位姿误差可以分解为沿空间坐标方向平移参数(Δx,Δy,Δz)以及绕坐标方向旋转参数(θx,θy,θz),当转换后的各标准球中心三维坐标C”j(x”j,y”j,z”j)与标准球中心参考坐标Cj(xj,yj,zj)之间差值的绝对值的总和满足小于预设值的条件时，此时的平移参数(Δx′,Δy′,Δz′)和旋转变换(θ′x,θ′y,θ′z)作为各标准球的沿空间坐标方向平移参数(Δx,Δy,Δz)以及绕坐标方向旋转参数(θx,θy,θz)，即作为工业机械臂末端位姿误差精确测量结果，即为其计算流程图如图4所示：
S301、实际位姿数据中标准球的位姿数据沿空间坐标方向进行平移和绕坐标方向进行旋转变换；
S302、判断实际位姿数据经过平移参数平移和旋转参数旋转变换后与标准位姿数据的差值的绝对值的总和是否满足小于阈值的条件；
当判断结果为是时，执行步骤S303；
当判断结果为否时，执行步骤S304；
S303、平移参数和旋转参数作为机械臂末端位姿误差；
S304、使用粒子群寻优算法迭代平移参数和旋转参数，执行步骤S302。
在一实施例中，本发明实施例提供的一种机械臂末端位姿误差测量装置，包括：
一种机械臂末端位姿误差系统，包括：测量靶标装置100、机械臂200、条纹投影三维扫描装置和处理器；其中测量靶标装置100包括底座101、多个标准球102、多个支撑杆103和操作工具104组成，每个支撑杆103的一端固定在底座101上，另一端用于固定一个标准球102，底座101为圆形底座，操作工具104包括操作支撑杆和操作端，操作支撑杆固定在圆形底座中心，操作支撑杆的长度比支撑杆103的长度长，所述多个支撑杆成环形分布；测量靶标装置安装于机械臂200末端。
所述测量靶标装置100，用于安装于机械臂200末端；
条纹投影三维扫描装置，用于当机械臂末端移动到目标位置时，获取标准球的多个参考相移条纹图像；还用于在实际工作过程中，当机械臂末端移动到所述目标位置时，获取标准球的多个实际相移条纹图像；
处理器，用于根据所述多个参考相移条纹图像确定标准位姿参考数据，根据多个实际相移条纹图像确定实际位姿数据，对实际位姿数据沿空间坐标方向进行平移和绕坐标方向进行旋转变换处理，对实际位姿数据中每一个标准球的位姿数据沿空间坐标方向进行平移和绕坐标方向进行旋转变换处理，当实际位姿数据经过平移参数平移和旋转参数旋转变换后与标准位姿数据的差值满足预设条件时，将满足上述预设条件的平移参数和旋转参数作为机械臂末端位姿误差。
其中，处理器进行处理的过程与机械臂末端位姿误差测量方法进行处理的过程类似，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。