[发明专利]一种基于单目RGB相机的机械臂定位方法

摘要

基于单目RGB相机的机械臂定位方法，在完成对RGB相机的内参标定后，将打印完的ArUco Marker贴于机械臂末端，通过手动调整机械臂的位姿，记录下不同位姿下，机械臂D‑H参数与通过RGB相机所识别的ArUco Marker的位姿；最后通过迭代最小二乘法计算得到机械臂基座相对于相机坐标系的位置，即完成对机械臂的定位。本发明一方面基于二进制平方标记的Aruro Marker来间接获取机械臂末端的位姿，相比于直接通过单目或深度相机识别非结构化的机械臂末端，算法的鲁棒性更高；另一方面基于迭代最小二乘法求解相机与机械臂基座的坐标变换矩阵，相对于传统利用QR分解求解，对定位数据的容错率更高，提高了算法的精度。

主权项

1.一种基于单目RGB相机的机械臂定位方法，具体步骤如下：步骤1：相机内参标定与贴放标定板；在对机械臂定位前，需要先对RGB相机进行内参的标定，以获取相机的投影矩阵和畸变参数，使得后期识别标记时能达到更好的精度；随后，在机械臂的末端贴上ArUco Marker，以便通过RGB相机获取其在相机坐标系下的位姿；步骤2：记录不同位姿下的机械臂D‑H参数与标定板位姿；手动调节机械臂使其处于不同的位姿，并记录其不同位姿下，机械臂的D‑H参数矩阵与标定板ArUco Marke在RGB相机坐标系下的位姿矩阵；步骤3：基于迭代最小二乘法计算机械臂基座相对于相机位姿变换矩阵；定义如下方程描述相机空间下，相机、机械臂基座、机械臂末端与机械臂末端标记点的相对位置关系：其中，Pcam表示已进行了相机内参标定后，相机坐标系下，相机与机械臂末端标记点的位姿关系，表示为：Pcam＝[XC YC ZC 1]T                        (2)表示待求解的相机与机械臂基座的位姿关系；表示机械臂基座与机械臂末端的位姿关系，是用于表示机械臂前向运动学关系的齐次矩阵：Poff表示机械臂末端与其末端标记点之间的相对位姿关系，这里，假设机械臂末端的标记已贴在机械臂末端的中心，因此：Poff＝[0 0 0 1]T                            (5)综上，相机空间下，相机、机械臂基座、机械臂末端与机械臂末端标记点的相对位置关系可表述为：为了求解中的未知量，将上述等式改写为：Aix＝Bi                                (7)其中，矩阵A是一个已知的参数矩阵：矩阵B表示机械臂末端的标记点在相机坐标系下的位置：B＝[Xc Yc Zc]T                           (9)i表示数据帧，其中i＝1,2,3,...,n；包含了中12个未知参数的矩阵x表示为：x＝[r11 r12 r13 r21 r22 r23 r31 r32 r33 t14 t24 t34]T       (10)由于矩阵A不是方阵，未知矩阵x的求解可表示为：其中，表示的是矩阵A的伪逆，可由下式得到：由于测量过程中难免会产生误差，因此，采用迭代最小二乘算法，来获得带求解的通过测量N次机械臂在不同位姿下，其末端标记点在相机坐标系下的位姿，通过下式不断迭代，便可得到待求解的矩阵x，即矩阵