基于標準球的機器人手眼標定方法改進研究

林玉瑩 穆平安

摘 要：現(xiàn)代工業(yè)測量中，機器人與激光掃描儀相結(jié)合的測量系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。在測量前，為解決激光器與機器人位置關(guān)系問題，提高測量精度，提出一種改進的基于標準球的機器人手眼標定方法。以標準球球心作為定點，以激光線第一次投射到球體上的位置為基準，控制機器人帶動激光掃描儀自動搜索并移動到標準球最大圓弧處，以此求出球心坐標以及手眼標定矩陣。實驗結(jié)果表明，改進后的手眼標定方法測量誤差小，能有效、快速地應(yīng)用于各種高精度測量環(huán)境。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；激光掃描儀；標準球；手眼標定

DOI：10. 11907/rjdk. 182468

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）005-0041-03

Abstract： In modern industrial measurement， measurement systems combining robots and laser scanners are widely used. In order to solve the problem of laser and robot position relationship and further improve the measurement accuracy before the measurement， an improved standard ball-based robot hand-eye calibration method is proposed. The method uses the standard ball center as a fixed point， and takes the position where the laser line is first projected onto the sphere as a reference， then it controls the robot to drive the laser scanner to automatically search and move to the maximum arc of the standard ball to find the spherical coordinates and the hand-eye calibration matrix. The experimental results show that the improved hand-eye calibration method has smaller measurement error and can be effectively and quickly applied to various high-precision measurement occasions.

Key Words： industrial robot； laser scanner； standard ball； hand-eye calibration

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)測量中，為達到高效率、高精度要求，激光掃描儀與機器人相結(jié)合的手眼系統(tǒng)應(yīng)用逐漸增多[1-4]。激光掃描儀是一種利用激光技術(shù)進行測量的傳感器，它常利用多軸式工業(yè)機器人作為搭載平臺構(gòu)成測量系統(tǒng)，具有誤差小、效率高、運動靈活等優(yōu)點[5]。實際測量前，為提高測量精度，減小安裝誤差，往往需要進行“手眼標定”，即求解激光掃描儀坐標系到機器人坐標系的變換矩陣，以確定機器人與激光器的相對位置關(guān)系[6-11]。

文獻[12]提出了一種定點變位姿標定方法（FPDP）。在此基礎(chǔ)上，文獻[13]利用一個已知半徑的標準球，將其球心位置作為定點。當激光線投射到球體上時，由于任意切剖面都為圓形，且該剖面半徑與球體半徑、剖面圓心與球體球心距離滿足勾股定理，由此可得球心在激光掃描儀坐標系下的坐標，根據(jù)機器人基坐標系下坐標不變原理求出手眼標定矩陣。但該種方法并沒有準確反映出機器人空間姿態(tài)信息與標準球球心坐標的對應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)致手眼標定結(jié)果不夠準確[14]。為解決上述問題，本文提出一種改進的基于標準球的手眼標定方法。該方法控制機器人運動，使激光掃描儀恰好輸出標準球球心所在的最大圓弧，針對機器人每種位置姿態(tài)都能確定唯一的標準球球心坐標與之對應(yīng)，從而使手眼標定結(jié)果更加準確。

1 標準球定點法

基于標準球的手眼標定方法根據(jù)基于定點的方法演變而來，實質(zhì)就是利用球心的位置作為固定點。標準球為一個已知半徑的高精度球體，當被任意方向上的平面切割時，所形成的切剖面一定為圓形，并且由球體球心與所形成的剖面圓圓心所構(gòu)成的連線必與切剖面垂直。

2 改進的機器人手眼標定方法

手眼標定方法是輸出標準球某一圓弧，根據(jù)該圓弧半徑與球體半徑，圓弧圓心與球體球心距離由幾何關(guān)系計算得到球心坐標。本文在前人研究成果基礎(chǔ)上提出一種改進的手眼標定方法，該方法能控制機器人運動使激光掃描儀恰好輸出標準球球心所在的最大圓弧，針對機器人每種位置姿態(tài)都能確定唯一的標準球球心坐標與之對應(yīng)，從而使手眼標定結(jié)果更加準確，其方法流程如圖3所示。

3 實驗結(jié)果

為驗證兩種方法得到的手眼標定結(jié)果誤差大小，實驗選用FANUC機器人公司的Robot LR Mate 200iD型機器人[18]，并與基恩士輪廓測量儀LJ-V7060組成測量系統(tǒng)[19]，對標準球進行多次不同姿態(tài)的掃描，利用Matlab求得手眼標定矩陣[20]，并將激光掃描儀坐標系下標準球的球心坐標根據(jù)式（1）全部轉(zhuǎn)換至機器人基坐標系中。以第一組數(shù)據(jù)為準，算出其它組數(shù)據(jù)的誤差并進行誤差分析。

4 結(jié)語

由機器人與激光掃描儀組成的測量系統(tǒng)效率高、實用性強，在現(xiàn)代工業(yè)測量中發(fā)揮著重要作用。本文提出了一種改進的基于標準球的手眼標定方法，通過控制機器人運動使激光掃描儀恰好輸出標準球球心所在的最大圓弧，以此求出球心坐標及手眼標定矩陣，進而準確建立機器人真實位置姿態(tài)與標準球球心坐標的對應(yīng)關(guān)系，使手眼標定結(jié)果更加準確，該方法相比于改進前的方法誤差明顯減小。后期將研究如何通過外部誤差補償方式進一步提高標定精度，應(yīng)用于更多高精度測量場合。

參考文獻：

[1] 計時鳴，黃希歡. 工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述[J]. 機電工程，2015，32（1）：1-13.

[2] 顧震宇.全球工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢[J]. 機電一體化，2006，12（2）：6-9.

[3] 孫宇臣，葛寶臻，張以謨. 物體三維信息測量技術(shù)綜述[J]. 光電子·激光，2004，15（2）：248-254.

[4] 張啟福，孫現(xiàn)申. 三維激光掃描儀測量方法與前景展望[J]. 北京測繪，2011（1）：39-42.

[5] 邾繼貴，鄒劍，林嘉睿，等. 面向測量的工業(yè)機器人定位誤差補償[J]. 光電子·激光，2013（4）：746-750.

[6] DORNAIKA F，HORAUD R. Simultaneous robot-world and hand-eye calibration[J]. IEEE Transactions on Robotics & Automation， 2011， 14（4）：617-622.

[7] 王東署. 工業(yè)機器人標定技術(shù)研究[D]. 沈陽：東北大學(xué)， 2006.

[8] 李愛國，馬孜， 張旭，等.一種用于機器人三維表面掃描系統(tǒng)的手眼標定算法[J]. 控制與決策，2009，24（6）：885-888.

[9] 張云珠. 工業(yè)機器人手眼標定技術(shù)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[10] 魏振忠，張博，張廣軍. 雙機器人系統(tǒng)的快速手眼標定方法[J]. 光學(xué)精密工程，2011，19（8）：1895-1902.

[11] 劉振宇，陳英林，曲道奎，等. 機器人標定技術(shù)研究[J]. 機器人， 2002，24（5）：447-450.

[12] 王勝華，都東，張文增，等. 機器人定點變位姿手-眼標定方法[J]. 清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，47（2）：165-168.

[13] 王英男，戴曙光. 線激光器的手眼標定方法[J]. 電子科技，2015， 28（7）：183-184.

[14] ROTH Z S， MOORING B W， RAVANI B. An overview of robot calibration[J]. Information Technology Journal， 1987， 3（1）：377-385.

[15] 潘國榮，李懷鋒. 基于空間向量的空間圓形擬合檢測新方法[J]. 大地測量與地球動力學(xué)，2010，30（4）：106-108.

[16] 李英碩，楊帆，袁兆奎. 空間圓形擬合檢測新方法[J]. 測繪科學(xué)， 2013，38（6）.

[17] 田曉，李全海. 基于投影點的空間圓形擬合檢測新方法[J]. 工程勘察，2014， 42（5）：72-74.

[18] FANUC Robot series R-30iB/ R-30iB Mate控制裝置[S]. B-83284CM/04.

[19] Ultra-High Speed In-line Profilometer LJ-V7000 Series User's Manual[S]. 96M13610.

[20] 王呂梁，郭唐永，李世鵬，等. 機載三維激光掃描儀軟件系統(tǒng)構(gòu)建[J]. 軟件導(dǎo)刊，2016，15（12）：87-89.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）