一種簡易高精度機(jī)器視覺系統(tǒng)標(biāo)定方法研究

【摘 要】針對公司硬盤磁頭動(dòng)態(tài)測試的特殊性，以EPSON工業(yè)機(jī)器人為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用CCD攝像機(jī)建立了機(jī)器人手眼視覺系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人手眼關(guān)系快速標(biāo)定算法，實(shí)驗(yàn)證明該方法簡單易行，并且具有較高的精度等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】高精度；機(jī)器視覺；標(biāo)定

攝像機(jī)標(biāo)定是準(zhǔn)確測量目標(biāo)物體的必要過程，每個(gè)鏡頭的畸變程度各不相同，通過攝像機(jī)標(biāo)定就可以矯正這種鏡頭畸變，另外，在攝像機(jī)標(biāo)定后就可以得到在世界坐標(biāo)系中目標(biāo)物體米制單位的坐標(biāo)?，F(xiàn)有的攝像機(jī)定標(biāo)技術(shù)大體可以歸結(jié)為兩類：傳統(tǒng)的攝像機(jī)定標(biāo)方法和攝像機(jī)自定標(biāo)方法.傳統(tǒng)的標(biāo)定方法有：利用最優(yōu)化算法的攝像機(jī)標(biāo)定方法、直接線性變化方法（DLT）、利用透視變換矩陣的攝像機(jī)標(biāo)定方法以及兩步法等。利用本質(zhì)矩陣和基本矩陣的攝像機(jī)定標(biāo)方法及利用主動(dòng)系統(tǒng)控制攝像機(jī)做特定運(yùn)動(dòng)的自定標(biāo)方法等。本文主要論述了一種快速標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)和手眼關(guān)系的算法及其實(shí)驗(yàn)過程，它具有實(shí)驗(yàn)過程簡單易行，算法方便快捷，并且具有較高的精度等優(yōu)點(diǎn)。

一、機(jī)器視覺標(biāo)定系統(tǒng)的建立

為了標(biāo)定攝像機(jī)，有必要建立一個(gè)模型，該模型主要有攝像機(jī)、鏡頭、光源和圖像采集卡（如果使用）組成?？紤]到本系統(tǒng)是為滿足公司磁頭動(dòng)態(tài)性能測試要求而建立，故在EPSONE E2S551C（適合無塵室標(biāo)準(zhǔn)）工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，增加了一套視覺系統(tǒng)，使其成為一個(gè)具有視覺的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)包括：EPSON E2S551C機(jī)械臂，RC420工業(yè)機(jī)器人控制器、Sony CCD攝像機(jī)、Matrox公司的Meteoi-II型PCI數(shù)字圖像采集卡以及相應(yīng)的外部設(shè)備。其系統(tǒng)模型及實(shí)際構(gòu)成圖如圖1圖2所示：

二、機(jī)器視覺的標(biāo)定算法

在機(jī)械手手眼系統(tǒng)中，將CCD或攝像機(jī)固定在可以移動(dòng)的機(jī)械手手臂的末端，并隨著機(jī)械手手臂移動(dòng)（即采用Eye-in-hand方式），機(jī)械手執(zhí)行任務(wù)時(shí)，需要知道空間工件物體相對于機(jī)械手平臺的位置，而工件物體的位置信息可以通過攝像機(jī)來獲取.即關(guān)鍵在于確定攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)械手末端相對位置關(guān)系，即標(biāo)定機(jī)器人的手眼關(guān)系.為了簡化攝像機(jī)標(biāo)定過程，采用基于直接將圖像坐標(biāo)映射到機(jī)器人參考坐標(biāo)的“黑箱”思想，即不標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，采用從圖像坐標(biāo)直接計(jì)算出目標(biāo)位置的方法，即基于恒定旋轉(zhuǎn)矩陣的方式來實(shí)現(xiàn)特定環(huán)境下的目標(biāo)立體定位的方法。在攝象機(jī)的成像過程中要涉及到下面幾個(gè)不同坐標(biāo)系統(tǒng)之間的變換。各個(gè)坐標(biāo)系的模型如圖3所示：

（1）像素坐標(biāo)系，即計(jì)算機(jī)幀存圖像坐標(biāo)系，是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)字圖像所用的坐標(biāo)系。

（2）成像平面坐標(biāo)系。在攝像機(jī)內(nèi)部所形成的在成像平面上的二維坐標(biāo)系統(tǒng)。

（3）攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)。以攝像機(jī)為中心建立的三維坐標(biāo)系統(tǒng)，一般常取攝像機(jī)的透鏡中心為坐標(biāo)原點(diǎn)也稱該點(diǎn)為攝像機(jī)光心，原點(diǎn)定義在攝像機(jī)的光心，軸分別平行于x ，y軸，軸與攝像機(jī)的透鏡主光軸重合。為攝像機(jī)的有效焦距。

（4）世界坐標(biāo)系：現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系統(tǒng)，它是客觀世界的絕對坐標(biāo)。一般的三維場景都用這個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)來表示。本文中取世界坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系重合。

設(shè)是攝像機(jī)坐標(biāo)系中的某一點(diǎn)，其變換到機(jī)器人外臂坐標(biāo)系中對應(yīng)的點(diǎn)為，則攝像機(jī)坐標(biāo)系到外臂坐標(biāo)系的變換關(guān)系如下：

（1-1）

為攝像機(jī)坐標(biāo)系到外臂坐標(biāo)系的變換矩陣； 為攝象機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)在外臂坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。由于本系統(tǒng)中將攝像機(jī)安裝在機(jī)器人外臂上，所以是一個(gè)恒定值。

假設(shè)外臂坐標(biāo)系中的映射點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)系中的對應(yīng)點(diǎn)是，則有如下變換關(guān)系存在：

（1-2）

為外臂坐標(biāo)系到機(jī)器人基坐標(biāo)系的變換矩陣，它由外臂的姿態(tài)決定，與外臂所在位置無關(guān)。為外臂坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)下的三維坐標(biāo)值，實(shí)際上也就是外臂坐標(biāo)原點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。將（1-1）代入（1-2）可得：

式中為的前兩列；N為第三列乘以；W=。在上述假設(shè)條件下，H、N和W在標(biāo)定過程中是保持不變的。由于本系統(tǒng)在末端執(zhí)行器上裝有專門的光電傳感器可以檢測出目標(biāo)的高度，所以在標(biāo)定過程中可以保持CCD攝象機(jī)高度不變，即保持恒定，這樣三維問題我們可以看成二維問題來解決。則式（1-6）還可寫成如下形式：

（1-7）

式中，

在視覺系統(tǒng)進(jìn)行圖象處理時(shí)，保持外臂在機(jī)器人基坐標(biāo)系的姿態(tài)不變，在在式（1-7）中，可以從攝象機(jī)獲取的圖象中計(jì)算出，可以從機(jī)器人的示教器中直接讀出。移動(dòng)機(jī)器人末端執(zhí)行器到三個(gè)不同位置，則有：

可直接從圖像識別結(jié)果中得到，而從機(jī)器人的控制命令中得到。為了減小誤差，使得出來的參數(shù)更接近真實(shí)值，可以使末端執(zhí)行器移動(dòng)到n個(gè)位置，利用最小二乘法獲得最優(yōu)解A，由于目標(biāo)點(diǎn)位置已知，可以進(jìn)一步求出B。

三、視覺系統(tǒng)驗(yàn)證

為了獲取A、B參數(shù)矩陣，取目標(biāo)對象為標(biāo)定參照物，如圖4，在標(biāo)定時(shí)，采用工件表面的灰度質(zhì)心點(diǎn)作為圖像的目標(biāo)點(diǎn)。在標(biāo)定過程中還應(yīng)先調(diào)節(jié)CCD光源及焦距，以使得在特定高度下采集的圖象效果最好。

實(shí)驗(yàn)中取機(jī)器人的位姿在（-369.994，90.062，-39.554，136.867）的旋轉(zhuǎn)矩陣，通過計(jì)算可以得到：

在驗(yàn)證時(shí)，把工件放在坐標(biāo)（-320.8，84.08，-68，0）處，移動(dòng)末端執(zhí)行器，使目標(biāo)工件在圖象中上下左右移動(dòng)，得到每個(gè)位置工件的質(zhì)心象素坐標(biāo)，然后用上述矩陣演算之，結(jié)果如表1。

四、總結(jié)

采用該方法進(jìn)行機(jī)器人的手眼關(guān)系標(biāo)定，在標(biāo)定計(jì)算過程中只需采用最小二乘法對線性方程組求解。經(jīng)過該系統(tǒng)幾個(gè)月的試運(yùn)行，證明該視覺系統(tǒng)對目標(biāo)的定位準(zhǔn)確，測量值與真實(shí)值之間的誤差0.2mm之內(nèi)，基本能滿足公司磁頭測試中的抓取和放置任務(wù)，為機(jī)械手在磁頭的動(dòng)態(tài)性能自動(dòng)化測試系統(tǒng)應(yīng)用提供了保證。

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基金項(xiàng)目：東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金項(xiàng)目（2012b02）

作者簡介：高龍（1982-）男，山東德州人，東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。主要從事故障診斷、機(jī)器視覺方面研究。