機(jī)械手臂系統(tǒng)參數(shù)的校正方法與校正裝置的制作方法

專利名稱：機(jī)械手臂系統(tǒng)參數(shù)的校正方法與校正裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種機(jī)械手臂系統(tǒng)參數(shù)的校正方法與校正系統(tǒng)，且特別是有關(guān)于同時(shí)校正攝像單元的內(nèi)部參數(shù)，以及攝像單元與機(jī)械手臂的相互關(guān)系的一種機(jī)械手臂的校正方法與校正系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在自動(dòng)化生產(chǎn)中，常利用機(jī)械手臂進(jìn)行工件的抓取、排列或組裝，而進(jìn)一步在機(jī)械手臂與視覺的整合系統(tǒng)，其例如是在一生產(chǎn)在線讓機(jī)械手臂使用視覺系統(tǒng)自動(dòng)抓取在輸送帶上的目標(biāo)物，則是利用目標(biāo)物在攝影機(jī)影像中的特征點(diǎn)位置來(lái)標(biāo)定目標(biāo)物的位置和姿態(tài)。為了使系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地測(cè)定目標(biāo)物的位置和姿態(tài)，此系統(tǒng)需經(jīng)過(guò)使用前的校正方能達(dá)成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種機(jī)械手臂系統(tǒng)參數(shù)的校正方法，以使機(jī)械手臂系統(tǒng)具有較高的精度。本發(fā)明提供一種校正裝置，其藉由簡(jiǎn)易的構(gòu)件而達(dá)到校正攝像單元的內(nèi)部參數(shù)， 及攝像單元與機(jī)械手臂之間的空間關(guān)系。本發(fā)明的一實(shí)施例提出一種機(jī)械手臂系統(tǒng)參數(shù)的校正方法。機(jī)械手臂系統(tǒng)包括一基座、一機(jī)械手臂與至少一攝像單元，其中機(jī)械手臂具有一第一端與一第二端，第一端連接至基座。上述的參數(shù)特別是指攝影單元的內(nèi)部參數(shù)、以及攝像單元相對(duì)于機(jī)械手臂的第一端的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量。校正方法包括，設(shè)置一平面在攝像單元前，以及設(shè)置一激光單元在機(jī)械手臂的第二端，其中激光單元投射一光束至平面上形成一光點(diǎn)，之后分別取得激光單元相對(duì)于機(jī)械手臂的第二端的一第一初始參數(shù)集合、平面相對(duì)于機(jī)械手臂的第一端的一第二初始參數(shù)集合、攝像單元的內(nèi)部參數(shù)，亦即是攝像單元的一第三初始參數(shù)集合、與攝像單元相對(duì)于機(jī)械手臂的第一端的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量，亦即是攝像單元相對(duì)于機(jī)械手臂的第一端的一第四初始參數(shù)集合。接著，移動(dòng)機(jī)械手臂的第二端到至少一位置姿態(tài)，使光點(diǎn)在攝像單元上所形成的影像而取得光點(diǎn)相對(duì)于攝像單元的至少一實(shí)際位置，以取得機(jī)械手臂的第二端相對(duì)于第一端的一第五參數(shù)集合。接著，藉由第一初始參數(shù)集合、第二初始參數(shù)集合、第三初始參數(shù)集合、第四初始參數(shù)集合與第五參數(shù)集合取得光點(diǎn)相對(duì)于攝像單元的至少一預(yù)測(cè)位置。接著將彼此對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)位置與實(shí)際位置的相對(duì)差異量形成一方程式，最后藉由一算法取得此方程式的參數(shù)解，以校正該第一初始參數(shù)集合、該第二初始參數(shù)集合、該第三初始參數(shù)集合與該第四初始參數(shù)集合。本發(fā)明的一實(shí)施例提出一種校正裝置，用以校正一機(jī)械手臂系統(tǒng)。機(jī)械手臂系統(tǒng)包括一機(jī)械手臂與至少一攝像單元。校正裝置包括一激光單元、一控制單元以及一平面。激光單元組裝在機(jī)械手臂上?？刂茊卧娦赃B接機(jī)械手臂與攝像單元。平面配置在攝像單元的可視范圍內(nèi)。激光單元發(fā)射一光束至平面上形成一光點(diǎn)，其中控制單元藉由攝像單元擷取在平面上的光點(diǎn)的影像，而同時(shí)校正攝像單元的內(nèi)部參數(shù)及攝像單元與機(jī)械手臂之間的空間幾何關(guān)系?；谏鲜?，在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，機(jī)械手臂系統(tǒng)參數(shù)的校正方法藉由設(shè)置在攝像單元的可視范圍內(nèi)的一平面與配置在機(jī)械手臂上的激光單元，以讓使用者能方便地同時(shí)校正攝像單元的參數(shù)及機(jī)械手臂與攝像單元之間的關(guān)系參數(shù)。此舉讓機(jī)械手臂系統(tǒng)能以較簡(jiǎn)易且方便的方式便能達(dá)到精確地校正機(jī)械手臂系統(tǒng)的效果。為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附圖式作詳細(xì)說(shuō)明如下。


圖1是依照本發(fā)明一實(shí)施例的一種機(jī)械手臂系統(tǒng)與校正裝置的示意圖；圖2繪示圖1的機(jī)械手臂系統(tǒng)的校正方法的流程圖；圖3繪示在圖1機(jī)械手臂系統(tǒng)在校正流程中用以取得初始參數(shù)的示意圖。主要組件符號(hào)說(shuō)明10:監(jiān)視器100 校正裝置200 機(jī)械手臂系統(tǒng)210:機(jī)械手臂110:激光單元120:控制單元130 平面220 攝像單元140:光點(diǎn)230 基座180:圖樣182、18加格點(diǎn)El 第一端E2 第二端
具體實(shí)施例方式圖1是依照本發(fā)明一實(shí)施例的一種機(jī)械手臂系統(tǒng)參數(shù)與校正裝置的示意圖。請(qǐng)參考圖1，在本實(shí)施例中，校正裝置100用以校正一機(jī)械手臂系統(tǒng)200，此機(jī)械手臂系統(tǒng)200包括一機(jī)械手臂210與一攝像單元220，而校正裝置100包括一激光單元110、一控制單元120 與一平面130，其中控制單元120電性連接機(jī)械手臂210與攝像單元220，而平面130位于攝像單元220的可視范圍內(nèi)，激光單元110藉由發(fā)射激光束至平面130而在平面130上形成一光點(diǎn)140。攝像單元220例如是一攝影機(jī)，其用以擷取平面130及光點(diǎn)140的影像。再者，機(jī)械手臂210具有彼此相對(duì)的一第一端El與一第二端E2，其中第一端El組裝至一基座230，而激光單元110組裝在機(jī)械手臂210的第二端E2。其中，該控制單元120藉由該攝像單元220擷取在該平面130上的該光點(diǎn)140的影像而同時(shí)校正該攝像單元220的內(nèi)部參數(shù)，及該攝像單元220與該機(jī)械手臂之間的空間關(guān)系。為了使機(jī)械手臂210藉由視覺系統(tǒng)而自動(dòng)抓取一目標(biāo)物，因此本發(fā)明提供一種機(jī)械手臂系統(tǒng)參數(shù)的校正方法，上述的機(jī)械手臂系統(tǒng)參數(shù)特別是指攝影單元220的內(nèi)部參數(shù)、以及攝像單元220相對(duì)于機(jī)械手臂210的第一端El的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量。圖2繪示圖1的機(jī)械手臂系統(tǒng)的校正方法的流程圖。請(qǐng)同時(shí)參考圖1及圖2，在本實(shí)施例中，將上述校正裝置100與機(jī)械手臂系統(tǒng)200的相關(guān)構(gòu)件組裝后，首先控制單元120在步驟S210中取得激光單元110相對(duì)于機(jī)械手臂210的第二端E2的一第一初始參數(shù)集合。若由于機(jī)械手臂210的位置姿態(tài)不適當(dāng)，而造成例如光點(diǎn)140不是位于攝像單元 220的可視范圍內(nèi)，則接著，在步驟S225中，改變機(jī)械手臂210的位置姿態(tài)，使光點(diǎn)140在平面130上的位置改變至攝像單元220的可視范圍內(nèi)。接著，在步驟S230中，取得機(jī)械手臂210的第二端E2相對(duì)于第一端El的一第五參數(shù)集合。 接著，在步驟S240中，藉由激光單元110投射光束在平面130上所形成的光點(diǎn)140 在攝像單元220上所形成的影像，而取得光點(diǎn)140相對(duì)于攝像單元220的至少一實(shí)際位置。接著，在步驟S250中，取得攝像單元220的一第三初始參數(shù)集合(亦即是前述的攝影單元220的內(nèi)部參數(shù))及平面130相對(duì)于攝像單元220的初始空間關(guān)系，并在步驟S260 與步驟S270中，取得攝像單元220相對(duì)于機(jī)械手臂210的第一端El的一第四初始參數(shù)集合 (亦即是前述之?dāng)z像單元220相對(duì)于機(jī)械手臂210的第一端El的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量)， 以及平面130相對(duì)于機(jī)械手臂210的第一端El的一第二初始參數(shù)集合。于步驟S280中，藉由第一初始參數(shù)集合、第二初始參數(shù)集合、第三初始參數(shù)集合、 第四初始參數(shù)集合與第五參數(shù)集合取得光點(diǎn)140相對(duì)于攝像單元220的至少一預(yù)測(cè)位置， 亦即在此是將光點(diǎn)140從機(jī)械手臂210的機(jī)械坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至攝像單元220的影像坐標(biāo)系。最后，于步驟S290及步驟S300中，將彼此對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)位置與實(shí)際位置的相對(duì)差異量形成一方程式，及藉由一算法取得此方程式的參數(shù)解，以校正前述的第一初始參數(shù)集合、 第二初始參數(shù)集合、第三初始參數(shù)集合與第四初始參數(shù)集合。在本實(shí)施例中，由于攝像單元220的不確定性、參數(shù)的不準(zhǔn)確以及影像運(yùn)算誤差， 將導(dǎo)致此相對(duì)差異量并不為零。故而藉由本發(fā)明的校正方法而能對(duì)機(jī)械手臂系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行校正，使方程式取得最佳參數(shù)解而讓上述的不確定性與誤差達(dá)到最小。再加以詳述如下，在本實(shí)施例中，攝像單元220的第三初始參數(shù)集合實(shí)質(zhì)上為攝影機(jī)的內(nèi)部參數(shù)(intrinsic parameters)，其包括兩個(gè)焦距(focal length)、兩個(gè)主軸點(diǎn)(principal point)、一偏斜系數(shù)(skew coefficient)與五個(gè)失真系數(shù)(distortion coefficient)。但本實(shí)施例并不限于上述這些內(nèi)部參數(shù)。在此，將在空間中的特征點(diǎn)p。[X。y。z。]T對(duì)應(yīng)到攝影機(jī)影像的中位置(up，vp)關(guān)系形成如下的式子[up vp] =h(p。，Ω)，其中Ω表示所有內(nèi)部參數(shù)的集合。再者，第二初始參數(shù)集合包括平面130相對(duì)于機(jī)械手臂210的第一端El的一法向量 彳與平面130的一位置向量ΤΒ, ρ，該法向量 ，ρ為平面130在第一端El座標(biāo)系的垂直方向向量，該位置向量ΤΒ,ρ為平面130在第一端El座標(biāo)系的位置向量。第四初始參數(shù)集合包括攝像單元220相對(duì)于機(jī)械手臂210的第一端El的一第一旋轉(zhuǎn)矩陣Rb, c與一第一平移向量TB, c，其中第一旋轉(zhuǎn)矩陣為從攝像單元220座標(biāo)系轉(zhuǎn)換到第一端El座標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)
6關(guān)系，第一平移向量Tb,。為從攝像單元220座標(biāo)系轉(zhuǎn)換到第一端El座標(biāo)系的平移關(guān)系。再者，更藉由第四初始參數(shù)集合與平面130相對(duì)于攝像單元220的初始空間關(guān)系而能取得平面130相對(duì)于機(jī)械手臂210的第一端El的第二初始參數(shù)集合。此外，在本實(shí)施例中，由于激光單元110是安裝于機(jī)械手臂210的末端作用器 (End-effector)上的第二端E2，因此兩者之間的關(guān)系(即第一初始參數(shù)集合)可由一單位向量Uu以及一第二平移向量Tu來(lái)描述，該單位向量U。為激光光束在第二端E2座標(biāo)系的方向向量，第二平移向量TE』為激光光束在第二端E2坐標(biāo)系上的位置。另外，第一端El 組裝在基座230，依據(jù)機(jī)械手臂210各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，而可得出機(jī)械手臂210的第二端E2相對(duì)于第一端El的一第五參數(shù)集合，來(lái)描述第二端E2相對(duì)于第一端El的空間轉(zhuǎn)換關(guān)系，亦即第二端E2相對(duì)于基座230的空間轉(zhuǎn)換關(guān)系，其包括第二端E2相對(duì)于第一端El的一第二旋轉(zhuǎn)矩陣Rb, e與一第三平移向量TB, e，第二旋轉(zhuǎn)矩陣Rb, e為從第二端E2坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到第一端El坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，第三平移向量TB,E為從第二端E2坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到第一端El坐標(biāo)系的平移關(guān)系。如此一來(lái)，平面130上的光點(diǎn)140在機(jī)械手臂210的坐標(biāo)系中的位置為I3b = Rb, E(dlUE,L+TE,L)+TB,E，其中
權(quán)利要求
1.一種機(jī)械手臂系統(tǒng)參數(shù)的校正方法，該機(jī)械手臂系統(tǒng)包括一基座、一機(jī)械手臂、與至少一攝像單元，其中該機(jī)械手臂具有一第一端與一第二端，該第一端連接至該基座，其特征在于，該校正方法包括取得一激光單元相對(duì)于該機(jī)械手臂的該第二端的一第一初始參數(shù)集合，其中該激光單元設(shè)置在該機(jī)械手臂的該第二端；取得一平面相對(duì)于該機(jī)械手臂的該第一端的一第二初始參數(shù)集合，其中該平面設(shè)置在該攝像單元前；取得該攝像單元的一第三初始參數(shù)集合；取得該攝像單元相對(duì)于該機(jī)械手臂的該第一端的一第四初始參數(shù)集合；取得該機(jī)械手臂的該第二端相對(duì)于該第一端的一第五參數(shù)集合；移動(dòng)該機(jī)械手臂的該第二端到至少一位置姿態(tài)，其中該激光單元投射一光束至該平面上形成一光點(diǎn)，使該光點(diǎn)在該攝像單元上形成影像而取得該光點(diǎn)相對(duì)于該攝像單元的至少一實(shí)際位置；藉由該第一初始參數(shù)集合、該第二初始參數(shù)集合、該第三初始參數(shù)集合、該第四初始參數(shù)集合與該第五參數(shù)集合取得該光點(diǎn)相對(duì)于該攝像單元的至少一預(yù)測(cè)位置；將彼此對(duì)應(yīng)的該預(yù)測(cè)位置與該實(shí)際位置的相對(duì)差異量形成一方程式；以及藉由一算法取得該方程式的參數(shù)解，以校正該第一初始參數(shù)集合、該第二初始參數(shù)集合、該第三初始參數(shù)集合與該第四初始參數(shù)集合。
2.如權(quán)利要求1所述的校正方法，其特征在于，該第一初始參數(shù)集合包括該激光單元相對(duì)于該機(jī)械手臂的該第二端的一單位向量與一第二平移向量。
3.如權(quán)利要求1所述的校正方法，其特征在于，該第五參數(shù)集合包括該機(jī)械手臂的該第二端相對(duì)于該第一端的至少一第二旋轉(zhuǎn)矩陣與至少一第三平移向量。
4.如權(quán)利要求1所述的校正方法，其特征在于，該第三初始參數(shù)集合為該攝影機(jī)的一內(nèi)部參數(shù)，該內(nèi)部參數(shù)包括兩個(gè)焦距、兩個(gè)主軸點(diǎn)、一偏斜系數(shù)與五個(gè)失真系數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的校正方法，其特征在于，該第四初始參數(shù)集合包括該攝像單元相對(duì)于該機(jī)械手臂的該第一端的一第一旋轉(zhuǎn)矩陣與一第一平移向量。
6.如權(quán)利要求1所述的校正方法，其特征在于，該第二初始參數(shù)集合包括該平面的一法向量與該平面的一位置向量。
7.如權(quán)利要求6所述的校正方法，其特征在于，藉由該第四初始參數(shù)集合與該平面相對(duì)于該攝像單元的空間關(guān)系，而取得該平面相對(duì)于該機(jī)械手臂的該第二初始參數(shù)集合。
8.如權(quán)利要求1所述的校正方法，其特征在于，該方程式為該實(shí)際位置與該預(yù)測(cè)位置的相對(duì)差異量的最小化。
9.如權(quán)利要求1所述的校正方法，其特征在于，該算法包括Levenberg-Marquardt算法、Gauss-Newton 算法或 gradient descent 算法。
10.如權(quán)利要求1所述的校正方法，更包括改變?cè)摍C(jī)械手臂的姿態(tài)，以改變?cè)摴恻c(diǎn)在該平面上的位置，以取得該光點(diǎn)的多個(gè)該預(yù)測(cè)位置與多個(gè)該實(shí)際位置。
11.如權(quán)利要求10所述的校正方法，其特征在于，藉由該第一初始參數(shù)集合、該第三初始參數(shù)集合、該第五參數(shù)集合、該光點(diǎn)的該些實(shí)際位置與該平面相對(duì)于該攝像單元的空間關(guān)系，而取得該攝像單元相對(duì)于該機(jī)械手臂的該第一端的該第四初始參數(shù)集合。
12.如權(quán)利要求11所述的校正方法，其特征在于，該第五參數(shù)集合包括多個(gè)第二旋轉(zhuǎn)矩陣與多個(gè)第三平移向量。
13.如權(quán)利要求1所述的校正方法，更包括設(shè)置一圖樣在該平面上以取得該方程式的一初始參數(shù)。
14.如權(quán)利要求13所述的校正方法，其特征在于，藉由計(jì)算多張?jiān)搱D樣的影像而取得該攝像單元的該第三初始參數(shù)集合。
15.如權(quán)利要求13所述的校正方法，在設(shè)置該圖樣在該平面上之前，更包括 改變?cè)撈矫娴奈恢没蜃藨B(tài)，以取得該光點(diǎn)的多個(gè)該預(yù)測(cè)位置與多個(gè)該實(shí)際位置。
16.一種校正裝置，適用于一機(jī)械手臂系統(tǒng)，該機(jī)械手臂系統(tǒng)包括一機(jī)械手臂與至少一攝像單元，該校正裝置包括一激光單元，組裝在該機(jī)械手臂上；一控制單元，電性連接該機(jī)械手臂與該攝像單元；以及一平面，配置在該攝像單元的可視范圍內(nèi)，該激光單元發(fā)射一光束至該平面上形成一光點(diǎn)，其中該控制單元藉由該攝像單元擷取在該平面上的該光點(diǎn)的影像而同時(shí)校正該攝像單元的內(nèi)部參數(shù)，及該攝像單元與該機(jī)械手臂之間的空間關(guān)系。
17.如權(quán)利要求16所述的校正裝置，其特征在于，該機(jī)械手臂包括一基座；一臂部，具有彼此相對(duì)的一第一端與一第二端，該第一端組裝在該基座上，而該激光單元組裝在該第二端。
18.如權(quán)利要求16所述的校正裝置，其特征在于，該平面具有多個(gè)格點(diǎn)。
19.如權(quán)利要求17所述的校正裝置，其特征在于，該控制單元更藉由下述步驟，以校正該攝像單元的該內(nèi)部參數(shù)，及該攝像單元與該機(jī)械手臂之間的空間關(guān)系該控制單元取得該激光單元相對(duì)于該機(jī)械手臂的該第二端的一第一初始參數(shù)集合； 該控制單元取得該平面相對(duì)于該機(jī)械手臂的該第一端的一第二初始參數(shù)集合； 該控制單元取得該攝像單元的一第三初始參數(shù)集合；該控制單元取得該攝像單元相對(duì)于該機(jī)械手臂的該第一端的一第四初始參數(shù)集合； 該控制單元取得該機(jī)械手臂的該第二端相對(duì)于該第一端的一第五參數(shù)集合； 移動(dòng)該機(jī)械手臂的該第二端到至少一位置姿態(tài)，使該光點(diǎn)在該攝像單元上形成該影像而取得該光點(diǎn)相對(duì)于該攝像單元的至少一實(shí)際位置；該控制單元藉由該第一初始參數(shù)集合、該第二初始參數(shù)集合、該第三初始參數(shù)集合、該第四初始參數(shù)集合與該第五參數(shù)集合取得該光點(diǎn)相對(duì)于該攝像單元的至少一預(yù)測(cè)位置； 該控制單元將彼此對(duì)應(yīng)的該預(yù)測(cè)位置與該實(shí)際位置的相對(duì)差異量形成一方程式；以及該控制單元藉由一算法取得該方程式的參數(shù)解，以校正該第一初始參數(shù)集合、該第二初始參數(shù)集合、該第三初始參數(shù)集合與該第四初始參數(shù)集合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機(jī)械手臂系統(tǒng)參數(shù)的校正方法，機(jī)械手臂系統(tǒng)包括基座、機(jī)械手臂與攝像單元。校正方法包括設(shè)置平面在攝像單元前，設(shè)置激光單元在機(jī)械手臂的第二端并投射光束至平面形成光點(diǎn)，取得激光單元相對(duì)機(jī)械手臂的第一初始參數(shù)集合、平面相對(duì)機(jī)械手臂的第二初始參數(shù)集合、攝像單元的第三初始參數(shù)集合、攝像單元相對(duì)機(jī)械手臂的第四初始參數(shù)集合與機(jī)械手臂的第二端相對(duì)第一端的第五參數(shù)集合，取得光點(diǎn)相對(duì)攝像單元的實(shí)際位置，藉由第一至第五參數(shù)集合取得光點(diǎn)相對(duì)攝像單元的預(yù)測(cè)位置，將預(yù)測(cè)位置與實(shí)際位置的差異量形成方程式，并以算法取得參數(shù)解。
文檔編號(hào)B25J9/16GK102452081SQ20101059793
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者張永融, 簡(jiǎn)銘志, 胡竹生 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院