本發(fā)明涉及圖像處理與測量，特別涉及一種機(jī)器人手眼標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)自動(dòng)化和智能制造的不斷發(fā)展，機(jī)器人視覺系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。機(jī)器人通過視覺傳感器感知外界環(huán)境，利用視覺信息完成定位、識別、導(dǎo)航和抓取等任務(wù)，這要求機(jī)器人能夠在自身坐標(biāo)系與視覺坐標(biāo)系之間建立精確的幾何關(guān)系，即完成所謂的手眼標(biāo)定。手眼標(biāo)定是視覺系統(tǒng)與機(jī)械臂系統(tǒng)耦合的基礎(chǔ)，其精度直接決定了機(jī)器人在空間定位和操作的準(zhǔn)確性。

2、在現(xiàn)有技術(shù)中，手眼標(biāo)定方法多種多樣，可以大致分為基于位姿的手眼標(biāo)定和基于特征點(diǎn)的手眼標(biāo)定。典型的基于位姿的方法包括tsai和lenz提出的外參數(shù)標(biāo)定法、park和martin的四元數(shù)求解法、dualquaternion法等。這些方法一般利用若干組已知的機(jī)器人末端位姿和視覺傳感器相對于標(biāo)定靶板的位姿，根據(jù)關(guān)系式直接求解相機(jī)到機(jī)械臂末端的位姿變換。其中表示機(jī)械臂末端執(zhí)行器在世界坐標(biāo)系中的位姿，表示相機(jī)在標(biāo)定板坐標(biāo)系中的位姿。這些方法通常通過建立線性方程或非線性優(yōu)化求解。例如tsai-lenz法將旋轉(zhuǎn)和位移分別求解，通過多組位姿的相對運(yùn)動(dòng)解出旋轉(zhuǎn)矩陣，再用最小二乘法求解平移向量；park-martin法利用四元數(shù)將旋轉(zhuǎn)求解轉(zhuǎn)換成線性問題，然后同樣利用最小二乘法求得平移。

3、然而，現(xiàn)有基于位姿的手眼標(biāo)定方法普遍存在以下問題。首先，對運(yùn)動(dòng)路徑或姿態(tài)采集的要求較高，通常要求機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)覆蓋足夠多的方向，且相機(jī)對標(biāo)定靶板的視角不能過于接近或平行，否則計(jì)算出的姿態(tài)解會存在退化現(xiàn)象。其次，這些算法需要保證姿態(tài)數(shù)據(jù)之間的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系，在采集過程中機(jī)械臂和相機(jī)的觸發(fā)必須嚴(yán)格同步，否則會引入時(shí)間誤差，導(dǎo)致標(biāo)定結(jié)果偏差。第三，傳統(tǒng)方法一般假設(shè)相機(jī)在機(jī)械臂末端固定安裝（手眼一體），對手眼分離場景缺乏統(tǒng)一的處理方式。第四，現(xiàn)有方法通常只利用運(yùn)動(dòng)學(xué)矩陣求解，而忽略了實(shí)際圖像角點(diǎn)的分布和遮擋情況，對于標(biāo)定靶板部分被遮擋或視覺傳感器視角發(fā)生變化的場景適應(yīng)性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)器人手眼標(biāo)定方法，在標(biāo)定靶板固定后通過硬件觸發(fā)線保證視覺傳感器與機(jī)械臂控制器的同步，采用柵格自然順序?qū)屈c(diǎn)連續(xù)編號，并按照預(yù)設(shè)姿態(tài)集采集數(shù)據(jù)。方法將聯(lián)合姿態(tài)序列劃分為四個(gè)閉環(huán)，利用對角編號對子進(jìn)行斜對稱交錯(cuò)配對，通過閉環(huán)差最小化、鎖鏈消偏和滑動(dòng)窗口微調(diào)求得候選手眼變換關(guān)系，再基于閉環(huán)差、邊緣持穩(wěn)度和遮擋恢復(fù)度多指標(biāo)計(jì)算一致性評分選出唯一解。該技術(shù)既適用于手眼一體和手眼分離場景，又能在角點(diǎn)部分遮擋和視角變化情況下保持高精度，顯著提升了標(biāo)定準(zhǔn)確性和魯棒性。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種機(jī)器人手眼標(biāo)定方法，包括：

3、一種機(jī)器人手眼標(biāo)定方法，所述方法包括：

4、步驟1：將標(biāo)定靶板固定在穩(wěn)定支撐面上；在手眼一體場景將視覺傳感器固定于末端執(zhí)行器，在手眼分離場景將視覺傳感器固定于外部支架并保持視軸穩(wěn)定；通過硬件觸發(fā)線建立視覺傳感器與機(jī)械臂控制器的一對一觸發(fā)關(guān)系；采用單一時(shí)間基準(zhǔn)記錄圖像采集時(shí)刻與機(jī)械臂姿態(tài)時(shí)刻；對標(biāo)定靶板采用單一的柵格自然順序進(jìn)行連續(xù)編號；

5、步驟2：按照預(yù)設(shè)姿態(tài)集依次驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂停留并采集圖像；對每一張圖像提取角點(diǎn)并按柵格自然順序編號，形成圖像角點(diǎn)序列；以單一時(shí)間基準(zhǔn)將每一張圖像與對應(yīng)的機(jī)械臂姿態(tài)進(jìn)行一一配對，形成聯(lián)合姿態(tài)序列；

6、步驟3：在不改變聯(lián)合姿態(tài)序列與圖像角點(diǎn)序列的前提下，采用四環(huán)斜對稱交錯(cuò)回溯算法確定手眼變換關(guān)系；通過交替起序與循環(huán)重排獲得多個(gè)候選手眼變換關(guān)系，依據(jù)閉環(huán)差、邊緣持穩(wěn)度與遮擋恢復(fù)度進(jìn)行并列評估，執(zhí)行共識聚合，輸出唯一的手眼變換關(guān)系與一致性評分；按照一致性評分超過設(shè)定閾值時(shí)對應(yīng)的手眼變換關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。

7、進(jìn)一步的，步驟1中，使用硬件觸發(fā)線在視覺傳感器與機(jī)械臂控制器之間建立一對一觸發(fā)關(guān)系，明確觸發(fā)信號的電平有效邊沿，并在視覺傳感器與機(jī)械臂控制器的輸入輸出接口分別登記觸發(fā)端口編號；在標(biāo)定靶板可視狀態(tài)下確定柵格自然順序的起始位置與方向，以標(biāo)定靶板左上角為起點(diǎn)，先行后列依次遞增至右側(cè)，逐行向下至最下方，形成唯一的柵格自然順序，完成連續(xù)編號。

8、進(jìn)一步的，步驟2中，從配置文件中加載預(yù)設(shè)姿態(tài)集，預(yù)設(shè)姿態(tài)集中包含的姿態(tài)包括：水平轉(zhuǎn)動(dòng)、垂直轉(zhuǎn)動(dòng)、近距平移和遠(yuǎn)距平移；為每個(gè)姿態(tài)分配一個(gè)對應(yīng)的姿態(tài)分類標(biāo)簽；將預(yù)設(shè)姿態(tài)集按照固定順序展開為停留隊(duì)列，明確每一個(gè)停留的目標(biāo)位置與目標(biāo)姿態(tài)，每一個(gè)停留執(zhí)行一次硬件觸發(fā)動(dòng)作；控制機(jī)械臂逐一到達(dá)停留隊(duì)列中的目標(biāo)位置與目標(biāo)姿態(tài)，待機(jī)械臂停止后保持靜止?fàn)顟B(tài)；由機(jī)械臂控制器通過硬件觸發(fā)線向視覺傳感器發(fā)出單次觸發(fā)信號，在視覺傳感器端生成單張圖像；在圖像生成時(shí)記錄圖像采集時(shí)刻，同時(shí)在機(jī)械臂控制器端記錄機(jī)械臂姿態(tài)時(shí)刻，二者均以單一時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)時(shí)。

9、進(jìn)一步的，步驟2中，形成圖像角點(diǎn)序列的過程包括：在每一張圖像上定位標(biāo)定靶板的可視區(qū)域，按照標(biāo)定靶板的實(shí)際紋理結(jié)構(gòu)提取圖像角點(diǎn)，圖像角點(diǎn)為標(biāo)定靶板紋理交叉處的幾何角點(diǎn)；按照確定的柵格自然順序?qū)D像角點(diǎn)進(jìn)行編號，該編號以標(biāo)定靶板左上角為起點(diǎn)，先行后列逐行遞增至最下方；將編號與圖像索引進(jìn)行綁定，形成該圖像對應(yīng)的圖像角點(diǎn)序列。

10、進(jìn)一步的，步驟3具體包括：

11、步驟3.1：將聯(lián)合姿態(tài)序列劃分為4段并分別首尾銜接形成4個(gè)閉環(huán)，且為每個(gè)閉環(huán)綁定對應(yīng)的圖像角點(diǎn)序列子集；

12、步驟3.2：按照圖像角點(diǎn)序列中的對角編號對子在4個(gè)閉環(huán)之間建立斜對稱交錯(cuò)配對，構(gòu)建跨環(huán)對應(yīng)鏈；

13、步驟3.3：沿跨環(huán)對應(yīng)鏈執(zhí)行正向展開與反向回溯，生成覆蓋4個(gè)閉環(huán)的閉合鎖鏈；對閉合鎖鏈執(zhí)行鎖鏈消偏，最小化閉環(huán)差，得到候選手眼變換關(guān)系；

14、步驟3.4：通過交替起序與循環(huán)重排獲得多個(gè)候選手眼變換關(guān)系，依據(jù)閉環(huán)差、邊緣持穩(wěn)度與遮擋恢復(fù)度進(jìn)行并列評估，執(zhí)行共識聚合，輸出唯一的手眼變換關(guān)系與一致性評分。

15、進(jìn)一步的，步驟3.1具體包括：按照時(shí)間順序?qū)⒙?lián)合姿態(tài)序列分為4段等勢序列，姿態(tài)分類標(biāo)簽分別對應(yīng)水平轉(zhuǎn)動(dòng)、垂直轉(zhuǎn)動(dòng)、近距平移和遠(yuǎn)距平移；對每一段等勢序列執(zhí)行首尾銜接，形成4個(gè)獨(dú)立閉環(huán)；以聯(lián)合姿態(tài)序列的總項(xiàng)數(shù)除以4的整數(shù)部分作為每段等勢序列的基礎(chǔ)長度，若存在余數(shù)，則自第1段等勢序列起按順序逐段各增加1項(xiàng)直至余數(shù)分配完畢；對每一閉環(huán)，提取閉環(huán)內(nèi)各聯(lián)合姿態(tài)序列的項(xiàng)所對應(yīng)圖像索引的圖像角點(diǎn)序列，按閉環(huán)的環(huán)向順序依次排列并拼接，形成與該閉環(huán)一一對應(yīng)的圖像角點(diǎn)序列子集；子集中每一圖像角點(diǎn)序列內(nèi)部的角點(diǎn)編號保持確定的柵格自然順序。

16、進(jìn)一步的，步驟3.2具體包括：保持閉環(huán)的環(huán)向順序與時(shí)間順序一致，為每一閉環(huán)分配固定閉環(huán)標(biāo)識，分別記為第1閉環(huán)、第2閉環(huán)、第3閉環(huán)與第4閉環(huán)；為每一圖像角點(diǎn)序列子集記錄其行數(shù)與列數(shù)、角點(diǎn)編號起止范圍及柵格自然順序；針對每一圖像角點(diǎn)序列子集，將柵格自然順序下的單一編號一一映射為行索引與列索引，行索引按自上而下遞增，列索引按自左而右遞增；同一圖像內(nèi)任一角點(diǎn)的行索引與列索引唯一確定其在柵格中的位置；在每一圖像角點(diǎn)序列子集中，按行列索引生成兩類對角編號對子，分別為主對角線編號對子與副對角線編號對子；主對角線編號對子由同一圖像內(nèi)相鄰兩行且相鄰兩列的角點(diǎn)構(gòu)成，方向?yàn)樽笊现劣蚁?；副對角線編號對子由同一圖像內(nèi)相鄰兩行且相鄰兩列的角點(diǎn)構(gòu)成，方向?yàn)橛疑现磷笙?；在?閉環(huán)至第4閉環(huán)之間建立斜對稱映射關(guān)系，第1閉環(huán)與第3閉環(huán)互為斜對稱對，第2閉環(huán)與第4閉環(huán)互為斜對稱對；斜對稱對之間以相同行列位置的對角編號對子作為候選配對單元，確保不同閉環(huán)內(nèi)的配對以同一類對角線類型與同一行列位置為約束；在斜對稱對的基礎(chǔ)上設(shè)置交錯(cuò)規(guī)則，具體包括：在跨閉環(huán)的連續(xù)配對過程中，主對角線編號對子與副對角線編號對子交替選取，閉環(huán)訪問順序沿斜對稱對交替跳轉(zhuǎn)；優(yōu)先以第1閉環(huán)中環(huán)向首項(xiàng)對應(yīng)圖像的主對角線編號對子作為起始錨定對子，隨后依次跳轉(zhuǎn)至與之斜對稱的第3閉環(huán)并選取相同行列位置的副對角線編號對子，再跳轉(zhuǎn)至與第3閉環(huán)斜對稱的第1閉環(huán)的相鄰閉環(huán)即第2閉環(huán)選取相同行列位置的主對角線編號對子，再跳轉(zhuǎn)至與第2閉環(huán)斜對稱的第4閉環(huán)選取相同行列位置的副對角線編號對子；在每一次跨閉環(huán)跳轉(zhuǎn)時(shí)，于目標(biāo)閉環(huán)的圖像角點(diǎn)序列子集中檢索與源對子行列位置一致且類型一致的對角編號對子；當(dāng)該閉環(huán)內(nèi)存在多個(gè)圖像滿足條件時(shí)，按以下優(yōu)先級選取其一：優(yōu)先選取時(shí)間戳最接近源子對應(yīng)聯(lián)合姿態(tài)項(xiàng)時(shí)間戳的圖像；若時(shí)間戳等距，優(yōu)先選取在目標(biāo)閉環(huán)中環(huán)向位置最接近上一次已納入鏈路圖像的圖像；若仍存在并列，優(yōu)先選取圖像索引較小者；最后輸出構(gòu)建跨環(huán)對應(yīng)鏈。

17、進(jìn)一步的，步驟3.3具體包括：以跨環(huán)對應(yīng)鏈的首條條目為鎖鏈起點(diǎn)，沿鏈路正向逐條追加條目，至返回起點(diǎn)時(shí)停止，形成覆蓋第1至第4閉環(huán)的初始閉合鎖鏈；計(jì)算初始閉合鎖鏈內(nèi)各閉環(huán)首尾位姿之間的累計(jì)變換，得到初始閉環(huán)差；自初始閉合鎖鏈末端反向逐條回溯，每次嘗試剔除一條條目并重新計(jì)算閉環(huán)差，若閉環(huán)差模長減小則確認(rèn)剔除，否則保留；直至閉環(huán)差模長小于0.001或回溯完整條鎖鏈，得到優(yōu)化鎖鏈；對優(yōu)化鎖鏈的閉環(huán)差執(zhí)行均勻分配消偏；隨后以長度為5的滑動(dòng)窗口逐段執(zhí)行折返微調(diào)，每窗口內(nèi)迭代最小二乘法，直至所有窗口閉環(huán)差模長均小于0.0001，輸出候選手眼變換關(guān)系及對應(yīng)閉環(huán)差。

18、進(jìn)一步的，步驟3.4具體包括：對優(yōu)化鎖鏈執(zhí)行交替起序，每次以鎖鏈內(nèi)下一條目為起始項(xiàng)重新生成閉合鎖鏈；對每一新閉合鎖鏈重復(fù)步驟3.3，得到一組候選手眼變換關(guān)系；對每一候選手眼變換關(guān)系進(jìn)行循環(huán)重排，將候選關(guān)系旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)循環(huán)移位重排序，生成額外候選手眼變換關(guān)系；計(jì)算全部候選手眼變換關(guān)系的閉環(huán)差、邊緣持穩(wěn)度和遮擋恢復(fù)度，其中邊緣持穩(wěn)度為圖像角點(diǎn)的重投影誤差方差，遮擋恢復(fù)度為標(biāo)定靶板遮擋角點(diǎn)重投影后的有效恢復(fù)比例；依據(jù)上述三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并加權(quán)求和獲得一致性評分，執(zhí)行共識聚合，輸出唯一的手眼變換關(guān)系及對應(yīng)一致性評分。

19、本發(fā)明的一種機(jī)器人手眼標(biāo)定方法，具有以下有益效果：

20、首先，方法通過硬件觸發(fā)線建立視覺傳感器與機(jī)械臂控制器之間的一對一觸發(fā)關(guān)系，并采用單一時(shí)間基準(zhǔn)同步記錄圖像采集時(shí)刻與機(jī)械臂姿態(tài)時(shí)刻，避免了傳統(tǒng)方法中常見的時(shí)序誤差，使圖像與姿態(tài)配對準(zhǔn)確可靠。

21、其次，在標(biāo)定靶板的角點(diǎn)編號上，采用唯一的柵格自然順序，從左上角依次遞增到最下方，這樣不論拍攝角度如何變化，角點(diǎn)編號始終保持一致，為后續(xù)配對和計(jì)算提供了穩(wěn)定基礎(chǔ)。方法將聯(lián)合姿態(tài)序列劃分為四個(gè)閉環(huán)，并通過斜對稱交錯(cuò)配對構(gòu)建跨環(huán)對應(yīng)鏈，這種設(shè)計(jì)充分利用了采集數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征，通過閉環(huán)差的最小化、鎖鏈消偏和滑動(dòng)窗口微調(diào)等技術(shù)，顯著提高了手眼變換計(jì)算的精度。與傳統(tǒng)只利用少數(shù)姿態(tài)的算法相比，該方法在姿態(tài)樣本覆蓋和配對策略上更加全面，既適用于手眼一體場景，也適用于手眼分離場景。

22、最后，方法引入了閉環(huán)差、邊緣持穩(wěn)度和遮擋恢復(fù)度等多指標(biāo)綜合評價(jià)機(jī)制，通過交替起序和循環(huán)重排生成多個(gè)候選解，并采用一致性評分選出唯一的手眼變換關(guān)系，確保標(biāo)定結(jié)果不僅誤差小、穩(wěn)定性強(qiáng)，而且在部分角點(diǎn)被遮擋的情況下仍能保持高精度。以上有益效果充分體現(xiàn)出本發(fā)明在提高機(jī)器人手眼標(biāo)定精度、增強(qiáng)算法魯棒性和適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)用場景方面的優(yōu)勢。