(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211188276.8 (22)申请日 2022.09.28 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路2号 (72)发明人 刘行健　张明康　宋潞杭　欧阳骏　 李特　刘海波　王永青　 (74)专利代理 机构 大连理工大 学专利中心 21200 专利代理师 李晓亮 (51)Int.Cl. G01C 25/00(2006.01) G01B 11/00(2006.01) G06T 7/73(2017.01) G06T 7/246(2017.01) (54)发明名称 一种机器人三维视觉测量系统的空间运动 链参数在线校准方法 (57)摘要 一种机器人三维视觉测量系统的空间运动 链参数在线校准方法， 属于智能机器人技术领 域， 其包括S1:构建基于虚拟末端的空间运动链 模型； S2： 利用PnP算法计算机器人基座坐标系相 对于被测目标坐标系的位置与方向， 得到基于虚 拟末端的空间运动链统一模型 下的运动链参数 S3： 以步骤S1中构建的基于虚拟末端的 空间运动链统一模型和步骤S2中求解的由被测 目标坐标系到 机器人基座 坐标系运动链参数 作为基础， 构建新的优化函数， 使用非线 性迭代优化法来优化基于虚拟末端的空间运动 链统一模型的参数。 本发明方法基于AX＝XB传统 手眼标定运动学模型， 利用新的基于虚拟末端的 空间运动链统一模型， 实现机器人三维视觉测量 系统的空间运动链参数在线 校准， 该模型可在实 际工程中应用。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 115468587 A 2022.12.13 CN 115468587 A 1.一种机器人三维视觉测量系统的空间运动链参数在线校准方法， 其特征在于， 包括 如下步骤： 步骤S1： 在现有 的AX＝XB传统运动学模型基础上， 构建新的基于虚拟末端 的空间运动 链模型； S2： 计算S1构建的基于虚拟末端的空间运动链模型下的运动链参数 其中， 运动 链参数指的是由被测目标坐标系到 机器人基座 坐标系的旋转平 移关系； S3： 以步骤S1中构 建的基于虚拟末端的空间运动链模型和步骤S2中求解的由被测目标 坐标系到机器人基座坐标系运动链参数 作为基础， 构建新的优化函数， 使用非线性 迭代优化法来优化基于虚拟 末端的空间运动链模型的参数。 2.根据权利要求1所述的一种机器人三维视觉测量系统的空间运动链参数在线校准方 法， 其特征在于， 具体步骤如下： 步骤S1： 构建新的基于虚拟 末端的空间运动链模型， 具体如下： 完整的基于虚拟末端的空间运动链模型包括机器人基座、 四轴机器人连杆1 ‑连杆4、 三 维视觉测量传感器、 被测目标、 虚拟末端及其虚拟臂； 空间运动链模 型在空间中有机器人基 座坐标系、 机器人关键关节坐标系、 三维视觉测量传感器坐标系、 被测目标坐标系、 虚拟末 端坐标系； 虚拟末端通过虚拟臂连杆， 分别与机器人关键关节、 三维视觉测量传感器连接， 位置和 方向由机器人关键关节坐标系的Z轴与三维视觉测量传感器坐标系的Z轴的相对几何关系 确定， 进而完成基于虚拟 末端的空间运动链模型的构建； S2： 计算S1构建的基于虚拟 末端的空间运动链模型 下的运动链参数 具体如下： S2.1： 计算从被测目标坐标系到 机器人基座 坐标系的位置关系 机器人关节J1作 为机器人唯一变量旋转任意n个(n>3)不同的角度， 其他所有关节角度 保持固定， 保证被测目标始终完全位于三维视觉测量传感器的扫描视场内； 将机器人关节 J1旋转任意n个不同的角度， 得到n个不同姿势； 基于n个不同姿势下三 维视觉测量传感器捕 获的被测目标图像， 利用PnP算法计算从被测目标坐标系到 机器人基座 坐标系的位置关系； S2.2： 确定 机器人基座 坐标系相对于被测目标坐标系的方向 将机器人关节 J1旋转角固定在0 °， 机器人关节J2作 为机器人唯一变量旋转任意m个(m> 3)不同的角度， 其他所有关节角度保持固定， 保证被测目标始终完全位于三维视觉测量传 感器的扫描视场内； 将 机器人关节J2旋转任意m个不同的角度， 得到 m个不同姿势； 每一个姿 势下虚拟末端的位置都是基于被测目标坐标系与三维视觉测 量传感器捕获的被测目标图 像， 通过PnP算法反向计算求得的； 由此确定机器人基座坐标系相对于被测目标坐标系的方 向； S2.3： 基于已获得的机器人基座坐标系相对于被测目标坐标系的位置和方向， 得到基 于虚拟末端的空间运动链模型 下的运动链参数 S3： 以步骤S1中构 建的基于虚拟末端的空间运动链模型和步骤S2中求解的由被测目标 坐标系到机器人基座坐标系运动链参数 作为基础， 构建新的优化函数， 使用非线性 迭代优化法来优化基于虚拟 末端的空间运动链模型的参数， 具体如下：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115468587 A 2在步骤S2.1中， 机器人关节J1旋转任意n个不同的角度， 得到n个不同姿势， 同时三维视 觉测量传感器捕获被测目标的n个不同视图； 对于机器人的第i(i＝1,2 ……,n)个姿势， 定 义 为由PnP算法求得的从三维视觉测量传感器坐标系到被测目标坐标系的位姿 转换关系； 定义 为机器人基座坐标系到三维视觉测量传感器坐标系的位姿转换 关系； 定义 为从机器人基座 坐标系到被测目标坐标系的位姿转换关系； 有公式： 定义 为从机器人基座坐标系 到被测目标坐标系的位姿转换关系 的旋转分 量； 为从机器人基座坐标系到被测目标坐标系的位姿转换关系 的平移分量； Rz 为被测目标坐标系到机器人基座坐标系的运动链 参数 的旋转分量； tz为被测目标坐 标系到机器人基座坐标系的运动链参数 的平移分量； 利用罗德里格斯的旋转公式 Rodrigues(R)， 对于n个不同姿势， 基于虚拟末端的空间运动链模型的位置误差PError和方 向误差OEr ror为： 则基于虚拟 末端的空间运动链模型参数的优化 函数是： 其中， al， dl， αl， θl分别对应基于虚拟末端的空间运动链模型中第l个连杆的链路长度、 链接偏移、 链路扭曲和关节角， 其中， l＝1、 2、 3、 4、 5中： 1 ‑3分别表示连杆1,连杆2， 连杆3； 4， 5分别表示虚拟臂4 ’,虚拟臂5 ’； 基于步骤S3中已求解的优化函数， 使用非线性迭代优化法 优化基于虚拟末端的空间运动链模型参数后， 三 维视觉测量传感器重新扫描被测对象后得 到优化后数据， 使用优化后数据作为初始值进行重新优化； 设定虚拟末端的空间运动链模型运动学参数中的最大预期偏差阈值为(ea， ed， eα， eθ)， 使用非线性迭代 优化法重复优化 过程至|al|<ea,|dl|<ed,|αl|<eα,|θl|<eθ时， 基于虚拟末端 的空间运动链模型 的参数优化完成； 若一直无法优化至阈值以下， 需返回到步骤S2重新计 算基于虚拟 末端的空间运动链模型 下的运动链参数并进行优化。 3.根据权利要求2所述的一种机器人三维视觉测量系统的空间运动链参数在线校准方 法， 其特征在于， 所述的步骤S1中， 虚拟 末端的位置和方向确定方式如下： 当机器人关键关节坐标系的Z轴与三维视觉测量传感器坐标系的Z轴的相对几何关系 为平行时， 虚拟末端中心点位置选择在沿三 维视觉测量传感器Z轴上任意位置， 虚拟末端坐 标系与三维视 觉测量传感器坐标系方向相同； 当机器人关键关节坐标系的Z轴与三维视觉测量传感器坐标系的Z轴的相对几何关系权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115468587 A 3