專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的攝像機(jī)自標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人視覺(jué)控制領(lǐng)域中的攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)，具體地說(shuō)是用于獲得攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的一種方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上利用標(biāo)定參照物—靶標(biāo)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，具體而言是在攝像機(jī)前放置一個(gè)已知形狀與尺寸的標(biāo)定參照物，通過(guò)測(cè)量參照物在圖像平面的成像位置，計(jì)算攝像機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，許多情況下不允許在環(huán)境中放置特定的標(biāo)定參照物，因此，不需要特定的標(biāo)定參照物的攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)(即自定標(biāo)技術(shù))越來(lái)越受到重視，該技術(shù)在機(jī)器人手-眼系統(tǒng)和頭-手系統(tǒng)中具有廣泛地應(yīng)用前景。
目前的攝像機(jī)自標(biāo)定技術(shù)，存在的缺陷是對(duì)攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)的限制比較嚴(yán)格。如Ma提出的方法，通過(guò)攝像機(jī)在三維空間內(nèi)作兩組平移運(yùn)動(dòng)，其中包括三次兩兩正交的平移運(yùn)動(dòng)，并控制攝像機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行自定標(biāo)(參見(jiàn)“Ma S D.A Self-calibration Technique for Active Vision System.IEEE Transaction on Robotics & Automation，第12卷，第1期，第114~120頁(yè)，1996年。”)。該方法避免了借助于固定參照物，并且實(shí)現(xiàn)了線性求解攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。又如Hartley等采用了攝像機(jī)圍繞特定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的方法，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的自定標(biāo)(參見(jiàn)“Hartley R.Self-calibration ofStationary Cameras.International Journal of Computer Vision.第229卷，第1期，第2~5頁(yè)，1997年?！?。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服上述不足、提高可用性的攝像機(jī)自標(biāo)定技術(shù)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的攝像機(jī)自標(biāo)定方法，其特征在于，采用單特征點(diǎn)，基于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行自標(biāo)定。
所述的方法，其包括下列步驟a)首先標(biāo)定出攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和相對(duì)于特征原點(diǎn)的外參數(shù)；b)然后標(biāo)定出特征原點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)系中位置；c)從而計(jì)算出攝像機(jī)相對(duì)于機(jī)器人末端的外參數(shù)。
所述的方法，其所述a)步中，在不改變末端姿態(tài)的情況下任意移動(dòng)機(jī)器人末端，帶動(dòng)攝像機(jī)移動(dòng)，標(biāo)定出攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和相對(duì)于特征原點(diǎn)的外參數(shù)。
所述的方法，其所述b)步中，任意改變機(jī)器人的末端姿態(tài)，標(biāo)定出特征原點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)系中位置。
所述的方法，其攝像機(jī)安裝在工業(yè)機(jī)器人的末端。
所述的方法，其可以同時(shí)對(duì)多個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。
本發(fā)明的突出特點(diǎn)是采用單特征點(diǎn)，基于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行自標(biāo)定。本發(fā)明的另一個(gè)突出特點(diǎn)是首先標(biāo)定出攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)和相對(duì)于特征原點(diǎn)的外參數(shù)，然后標(biāo)定特征原點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)系中位置，計(jì)算出攝像機(jī)相對(duì)于機(jī)器人末端的外參數(shù)。
本發(fā)明與已有的攝像機(jī)自標(biāo)定技術(shù)的不同在于攝像機(jī)安裝在工業(yè)機(jī)器人的末端，選擇攝像機(jī)視野中的一點(diǎn)作為特征原點(diǎn)，在不改變末端姿態(tài)的情況下任意移動(dòng)機(jī)器人末端，帶動(dòng)攝像機(jī)移動(dòng)。記錄機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)量，采集特征原點(diǎn)的圖像并記錄其圖像坐標(biāo)，這些數(shù)據(jù)構(gòu)成一個(gè)特征點(diǎn)的特征參數(shù)。當(dāng)機(jī)器人末端多次運(yùn)動(dòng)后，相當(dāng)于機(jī)器人不動(dòng)但具有了多個(gè)特征點(diǎn)。利用公知的最小二乘法可以獲得攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)M1和相對(duì)于特征原點(diǎn)的外參數(shù)M2。
然后，改變機(jī)器人的末端姿態(tài)，采集特征原點(diǎn)的圖像并記錄其圖像坐標(biāo)，記錄機(jī)器人的末端位姿。重新設(shè)定機(jī)器人的末端姿態(tài)，使之與前一次的姿態(tài)有較大變化，采集圖像，記錄機(jī)器人的末端位姿。至少采集三組圖像，記錄三組末端姿態(tài)。由攝像機(jī)光軸中心和成像平面上的成像點(diǎn)，可以得到一條空間直線，而特征原點(diǎn)必然在該直線的延長(zhǎng)線上。在機(jī)器人處在不同位姿時(shí)，可以獲得多條這樣的空間直線，這些直線的交點(diǎn)即為特征原點(diǎn)。
其中，ti為第i條直線方程的自變量，ti11~ti33為機(jī)器人的末端姿態(tài)所決定的參數(shù)，bi1~bi3和ci14~ci34為由特征原點(diǎn)的圖像坐標(biāo)、攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和相對(duì)于特征原點(diǎn)的外參數(shù)所決定的參數(shù)，(bx，by，bz)為特征原點(diǎn)在基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。可以將(x，y，z)和(bx，by，bz)等價(jià)，也可以分別對(duì)待。
利用攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)、特征原點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和機(jī)器人的末端姿態(tài)，計(jì)算出特征原點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)系中位置后，通過(guò)平移變換容易計(jì)算出攝像機(jī)相對(duì)于機(jī)器人末端的外參數(shù)Tm=T60-1TbTp0]]>其中，Tp0=M2-1,]]>T60為首次采集特征原點(diǎn)圖像時(shí)機(jī)器人末端的位姿，Tb為特征原點(diǎn)的平移變換矩陣，Tb=Ib01,]]>b＝[bxbybz]T。
由于外參數(shù)矩陣的姿態(tài)部分R不是正交矩陣，導(dǎo)致外參數(shù)具有較大誤差。以獲得的內(nèi)外參數(shù)作為初值，利用梯度下降法，只需要幾十次迭代即可精確求取攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。
本發(fā)明減少了對(duì)攝像機(jī)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡的限制，更具有普遍性。標(biāo)定攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和相對(duì)于特征原點(diǎn)的外參數(shù)時(shí)，不限定為正交運(yùn)動(dòng)；標(biāo)定特征原點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)系中的位置時(shí)，只要運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化較大即可，對(duì)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有其它限制。
實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)攝像機(jī)較高精度的標(biāo)定，可以滿(mǎn)足機(jī)器人視覺(jué)測(cè)量的需要。


圖1為攝像機(jī)在工業(yè)機(jī)器人末端的安裝示意圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1。在實(shí)施例1中，兩臺(tái)攝像機(jī)安裝在Yaskawa K10的末端，攝像機(jī)為WATEC505黑白工業(yè)攝像機(jī)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)ADVANTECH-610，加裝圖像采集卡MC-30。按照本發(fā)明對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如下攝像機(jī)1的內(nèi)參數(shù)和相對(duì)于機(jī)器人末端的外參數(shù)Tr1=2642.20335.402676.6354.6001,]]>Tm1=-0.9840-0.05650.1691-89.17950.05790.99830.0032154.95660.16860.01290.9856-6.56800001]]>攝像機(jī)2的內(nèi)參數(shù)和相對(duì)于機(jī)器人末端的外參數(shù)Tr1=2657.30398.202665.6404.8001,]]>Tm1=-0.9476-0.0021-0.3194109.77430.0140-0.9993-0.0353147.1714-0.3191-0.03790.94709.40850001]]>外參數(shù)中的位置以mm為單位。
在實(shí)施例2中，攝像機(jī)為MINTRON彩色攝像機(jī)，計(jì)算機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)ADVANTECH-610，加裝圖像采集卡MC-30。按照本發(fā)明對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如下攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)為T(mén)r=2030.00809.602083.4279.3001,]]>攝像機(jī)外參數(shù)為T(mén)m=0.90870.00690.417510.0097-0.02150.99930.0302-410.5238-0.4170-0.03640.9082169.78200001]]>外參數(shù)中的位置以mm為單位。
實(shí)施例1標(biāo)定的攝像機(jī)已應(yīng)用于弧焊機(jī)器人的焊縫跟蹤。實(shí)施例2標(biāo)定的攝像機(jī)已應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的定位導(dǎo)航。
權(quán)利要求
1.一種基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的攝像機(jī)自標(biāo)定方法，其特征在于，采用單特征點(diǎn)，基于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行自標(biāo)定。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括下列步驟a)首先標(biāo)定出攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和相對(duì)于特征原點(diǎn)的外參數(shù)；b)然后標(biāo)定出特征原點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)系中位置；c)從而計(jì)算出攝像機(jī)相對(duì)于機(jī)器人末端的外參數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述a)步中，在不改變末端姿態(tài)的情況下任意移動(dòng)機(jī)器人末端，帶動(dòng)攝像機(jī)移動(dòng)，標(biāo)定出攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和相對(duì)于特征原點(diǎn)的外參數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述b)步中，任意改變機(jī)器人的末端姿態(tài)，標(biāo)定出特征原點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)系中位置。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，攝像機(jī)安裝在工業(yè)機(jī)器人的末端。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。
全文摘要
一種基于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的攝像機(jī)自標(biāo)定方法，采用單特征點(diǎn)，基于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行自標(biāo)定。攝像機(jī)裝在工業(yè)機(jī)器人的末端，選擇攝像機(jī)視野中的一點(diǎn)作為特征原點(diǎn)，在不改變末端姿態(tài)的情況下任意移動(dòng)機(jī)器人末端。末端多次運(yùn)動(dòng)后，相當(dāng)于機(jī)器人不動(dòng)但有了多個(gè)特征點(diǎn)。利用最小二乘法得攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)和相對(duì)特征原點(diǎn)的外參數(shù)。然后改變機(jī)器人的末端姿態(tài)，由攝像機(jī)光軸中心和成像平面上的成像點(diǎn)，得到一條空間直線。在機(jī)器人處在不同位姿時(shí)，可以獲得多條空間直線，利用這些直線的交點(diǎn)標(biāo)定出特征原點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)系中位置，從而計(jì)算出攝像機(jī)相對(duì)于機(jī)器人末端的外參數(shù)。本發(fā)明能降低對(duì)攝像機(jī)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡的限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)較高精度的標(biāo)定。
文檔編號(hào)B25J13/08GK1590040SQ0315568
公開(kāi)日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2003年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月3日
發(fā)明者徐德, 譚民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所