專利名稱：機械手臂系統參數的校正方法與校正裝置的制作方法
技術領域：
本發明是有關于一種機械手臂系統參數的校正方法與校正系統，且特別是有關于同時校正攝像單元的內部參數，以及攝像單元與機械手臂的相互關系的一種機械手臂的校正方法與校正系統。
背景技術：
在自動化生產中，常利用機械手臂進行工件的抓取、排列或組裝，而進一步在機械手臂與視覺的整合系統，其例如是在一生產在線讓機械手臂使用視覺系統自動抓取在輸送帶上的目標物，則是利用目標物在攝影機影像中的特征點位置來標定目標物的位置和姿態。為了使系統能夠精準地測定目標物的位置和姿態，此系統需經過使用前的校正方能達成。
發明內容
本發明提供一種機械手臂系統參數的校正方法，以使機械手臂系統具有較高的精度。本發明提供一種校正裝置，其藉由簡易的構件而達到校正攝像單元的內部參數， 及攝像單元與機械手臂之間的空間關系。本發明的一實施例提出一種機械手臂系統參數的校正方法。機械手臂系統包括一基座、一機械手臂與至少一攝像單元，其中機械手臂具有一第一端與一第二端，第一端連接至基座。上述的參數特別是指攝影單元的內部參數、以及攝像單元相對于機械手臂的第一端的旋轉矩陣與平移向量。校正方法包括，設置一平面在攝像單元前，以及設置一激光單元在機械手臂的第二端，其中激光單元投射一光束至平面上形成一光點，之后分別取得激光單元相對于機械手臂的第二端的一第一初始參數集合、平面相對于機械手臂的第一端的一第二初始參數集合、攝像單元的內部參數，亦即是攝像單元的一第三初始參數集合、與攝像單元相對于機械手臂的第一端的旋轉矩陣與平移向量，亦即是攝像單元相對于機械手臂的第一端的一第四初始參數集合。接著，移動機械手臂的第二端到至少一位置姿態，使光點在攝像單元上所形成的影像而取得光點相對于攝像單元的至少一實際位置，以取得機械手臂的第二端相對于第一端的一第五參數集合。接著，藉由第一初始參數集合、第二初始參數集合、第三初始參數集合、第四初始參數集合與第五參數集合取得光點相對于攝像單元的至少一預測位置。接著將彼此對應的預測位置與實際位置的相對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解，以校正該第一初始參數集合、該第二初始參數集合、該第三初始參數集合與該第四初始參數集合。本發明的一實施例提出一種校正裝置，用以校正一機械手臂系統。機械手臂系統包括一機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。激光單元組裝在機械手臂上。控制單元電性連接機械手臂與攝像單元。平面配置在攝像單元的可視范圍內。激光單元發射一光束至平面上形成一光點，其中控制單元藉由攝像單元擷取在平面上的光點的影像，而同時校正攝像單元的內部參數及攝像單元與機械手臂之間的空間幾何關系。基于上述，在本發明的上述實施例中，機械手臂系統參數的校正方法藉由設置在攝像單元的可視范圍內的一平面與配置在機械手臂上的激光單元，以讓使用者能方便地同時校正攝像單元的參數及機械手臂與攝像單元之間的關系參數。此舉讓機械手臂系統能以較簡易且方便的方式便能達到精確地校正機械手臂系統的效果。為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依照本發明一實施例的一種機械手臂系統與校正裝置的示意圖；圖2繪示圖1的機械手臂系統的校正方法的流程圖；圖3繪示在圖1機械手臂系統在校正流程中用以取得初始參數的示意圖。主要組件符號說明10:監視器100 校正裝置200 機械手臂系統210:機械手臂110:激光單元120:控制單元130 平面220 攝像單元140:光點230 基座180:圖樣182、18加格點El 第一端E2 第二端
具體實施例方式圖1是依照本發明一實施例的一種機械手臂系統參數與校正裝置的示意圖。請參考圖1，在本實施例中，校正裝置100用以校正一機械手臂系統200，此機械手臂系統200包括一機械手臂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，激光單元110藉由發射激光束至平面130而在平面130上形成一光點140。攝像單元220例如是一攝影機，其用以擷取平面130及光點140的影像。再者，機械手臂210具有彼此相對的一第一端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140的影像而同時校正該攝像單元220的內部參數，及該攝像單元220與該機械手臂之間的空間關系。為了使機械手臂210藉由視覺系統而自動抓取一目標物，因此本發明提供一種機械手臂系統參數的校正方法，上述的機械手臂系統參數特別是指攝影單元220的內部參數、以及攝像單元220相對于機械手臂210的第一端El的旋轉矩陣與平移向量。圖2繪示圖1的機械手臂系統的校正方法的流程圖。請同時參考圖1及圖2，在本實施例中，將上述校正裝置100與機械手臂系統200的相關構件組裝后，首先控制單元120在步驟S210中取得激光單元110相對于機械手臂210的第二端E2的一第一初始參數集合。若由于機械手臂210的位置姿態不適當，而造成例如光點140不是位于攝像單元 220的可視范圍內，則接著，在步驟S225中，改變機械手臂210的位置姿態，使光點140在平面130上的位置改變至攝像單元220的可視范圍內。接著，在步驟S230中，取得機械手臂210的第二端E2相對于第一端El的一第五參數集合。 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140 在攝像單元220上所形成的影像，而取得光點140相對于攝像單元220的至少一實際位置。接著，在步驟S250中，取得攝像單元220的一第三初始參數集合(亦即是前述的攝影單元220的內部參數)及平面130相對于攝像單元220的初始空間關系，并在步驟S260 與步驟S270中，取得攝像單元220相對于機械手臂210的第一端El的一第四初始參數集合 (亦即是前述之攝像單元220相對于機械手臂210的第一端El的旋轉矩陣與平移向量)， 以及平面130相對于機械手臂210的第一端El的一第二初始參數集合。于步驟S280中，藉由第一初始參數集合、第二初始參數集合、第三初始參數集合、 第四初始參數集合與第五參數集合取得光點140相對于攝像單元220的至少一預測位置， 亦即在此是將光點140從機械手臂210的機械坐標系轉換至攝像單元220的影像坐標系。最后，于步驟S290及步驟S300中，將彼此對應的預測位置與實際位置的相對差異量形成一方程式，及藉由一算法取得此方程式的參數解，以校正前述的第一初始參數集合、 第二初始參數集合、第三初始參數集合與第四初始參數集合。在本實施例中，由于攝像單元220的不確定性、參數的不準確以及影像運算誤差， 將導致此相對差異量并不為零。故而藉由本發明的校正方法而能對機械手臂系統參數進行校正，使方程式取得最佳參數解而讓上述的不確定性與誤差達到最小。再加以詳述如下，在本實施例中，攝像單元220的第三初始參數集合實質上為攝影機的內部參數(intrinsic parameters)，其包括兩個焦距(focal length)、兩個主軸點(principal point)、一偏斜系數(skew coefficient)與五個失真系數(distortion coefficient)。但本實施例并不限于上述這些內部參數。在此，將在空間中的特征點p。[X。y。z。]T對應到攝影機影像的中位置(up，vp)關系形成如下的式子[up vp] =h(p。，Ω)，其中Ω表示所有內部參數的集合。再者，第二初始參數集合包括平面130相對于機械手臂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座標系的位置向量。第四初始參數集合包括攝像單元220相對于機械手臂210的第一端El的一第一旋轉矩陣Rb, c與一第一平移向量TB, c，其中第一旋轉矩陣為從攝像單元220座標系轉換到第一端El座標系的旋轉
6關系，第一平移向量Tb,。為從攝像單元220座標系轉換到第一端El座標系的平移關系。再者，更藉由第四初始參數集合與平面130相對于攝像單元220的初始空間關系而能取得平面130相對于機械手臂210的第一端El的第二初始參數集合。此外，在本實施例中，由于激光單元110是安裝于機械手臂210的末端作用器 (End-effector)上的第二端E2，因此兩者之間的關系(即第一初始參數集合)可由一單位向量Uu以及一第二平移向量Tu來描述，該單位向量U。為激光光束在第二端E2座標系的方向向量，第二平移向量TE』為激光光束在第二端E2坐標系上的位置。另外，第一端El 組裝在基座230，依據機械手臂210各個關節的運動，而可得出機械手臂210的第二端E2相對于第一端El的一第五參數集合，來描述第二端E2相對于第一端El的空間轉換關系，亦即第二端E2相對于基座230的空間轉換關系，其包括第二端E2相對于第一端El的一第二旋轉矩陣Rb, e與一第三平移向量TB, e，第二旋轉矩陣Rb, e為從第二端E2坐標系轉換到第一端El坐標系的旋轉關系，第三平移向量TB,E為從第二端E2坐標系轉換到第一端El坐標系的平移關系。如此一來，平面130上的光點140在機械手臂210的坐標系中的位置為I3b = Rb, E(dlUE,L+TE,L)+TB,E，其中
權利要求
1.一種機械手臂系統參數的校正方法，該機械手臂系統包括一基座、一機械手臂、與至少一攝像單元，其中該機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于該機械手臂的該第二端的一第一初始參數集合，其中該激光單元設置在該機械手臂的該第二端；取得一平面相對于該機械手臂的該第一端的一第二初始參數集合，其中該平面設置在該攝像單元前；取得該攝像單元的一第三初始參數集合；取得該攝像單元相對于該機械手臂的該第一端的一第四初始參數集合；取得該機械手臂的該第二端相對于該第一端的一第五參數集合；移動該機械手臂的該第二端到至少一位置姿態，其中該激光單元投射一光束至該平面上形成一光點，使該光點在該攝像單元上形成影像而取得該光點相對于該攝像單元的至少一實際位置；藉由該第一初始參數集合、該第二初始參數集合、該第三初始參數集合、該第四初始參數集合與該第五參數集合取得該光點相對于該攝像單元的至少一預測位置；將彼此對應的該預測位置與該實際位置的相對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解，以校正該第一初始參數集合、該第二初始參數集合、該第三初始參數集合與該第四初始參數集合。
2.如權利要求1所述的校正方法，其特征在于，該第一初始參數集合包括該激光單元相對于該機械手臂的該第二端的一單位向量與一第二平移向量。
3.如權利要求1所述的校正方法，其特征在于，該第五參數集合包括該機械手臂的該第二端相對于該第一端的至少一第二旋轉矩陣與至少一第三平移向量。
4.如權利要求1所述的校正方法，其特征在于，該第三初始參數集合為該攝影機的一內部參數，該內部參數包括兩個焦距、兩個主軸點、一偏斜系數與五個失真系數。
5.如權利要求1所述的校正方法，其特征在于，該第四初始參數集合包括該攝像單元相對于該機械手臂的該第一端的一第一旋轉矩陣與一第一平移向量。
6.如權利要求1所述的校正方法，其特征在于，該第二初始參數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集合與該平面相對于該攝像單元的空間關系，而取得該平面相對于該機械手臂的該第二初始參數集合。
8.如權利要求1所述的校正方法，其特征在于，該方程式為該實際位置與該預測位置的相對差異量的最小化。
9.如權利要求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.如權利要求1所述的校正方法，更包括改變該機械手臂的姿態，以改變該光點在該平面上的位置，以取得該光點的多個該預測位置與多個該實際位置。
11.如權利要求10所述的校正方法，其特征在于，藉由該第一初始參數集合、該第三初始參數集合、該第五參數集合、該光點的該些實際位置與該平面相對于該攝像單元的空間關系，而取得該攝像單元相對于該機械手臂的該第一端的該第四初始參數集合。
12.如權利要求11所述的校正方法，其特征在于，該第五參數集合包括多個第二旋轉矩陣與多個第三平移向量。
13.如權利要求1所述的校正方法，更包括設置一圖樣在該平面上以取得該方程式的一初始參數。
14.如權利要求13所述的校正方法，其特征在于，藉由計算多張該圖樣的影像而取得該攝像單元的該第三初始參數集合。
15.如權利要求13所述的校正方法，在設置該圖樣在該平面上之前，更包括 改變該平面的位置或姿態，以取得該光點的多個該預測位置與多個該實際位置。
16.一種校正裝置，適用于一機械手臂系統，該機械手臂系統包括一機械手臂與至少一攝像單元，該校正裝置包括一激光單元，組裝在該機械手臂上；一控制單元，電性連接該機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，該激光單元發射一光束至該平面上形成一光點，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的影像而同時校正該攝像單元的內部參數，及該攝像單元與該機械手臂之間的空間關系。
17.如權利要求16所述的校正裝置，其特征在于，該機械手臂包括一基座；一臂部，具有彼此相對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.如權利要求16所述的校正裝置，其特征在于，該平面具有多個格點。
19.如權利要求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部參數，及該攝像單元與該機械手臂之間的空間關系該控制單元取得該激光單元相對于該機械手臂的該第二端的一第一初始參數集合； 該控制單元取得該平面相對于該機械手臂的該第一端的一第二初始參數集合； 該控制單元取得該攝像單元的一第三初始參數集合；該控制單元取得該攝像單元相對于該機械手臂的該第一端的一第四初始參數集合； 該控制單元取得該機械手臂的該第二端相對于該第一端的一第五參數集合； 移動該機械手臂的該第二端到至少一位置姿態，使該光點在該攝像單元上形成該影像而取得該光點相對于該攝像單元的至少一實際位置；該控制單元藉由該第一初始參數集合、該第二初始參數集合、該第三初始參數集合、該第四初始參數集合與該第五參數集合取得該光點相對于該攝像單元的至少一預測位置； 該控制單元將彼此對應的該預測位置與該實際位置的相對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解，以校正該第一初始參數集合、該第二初始參數集合、該第三初始參數集合與該第四初始參數集合。
全文摘要
本發明公開了一種機械手臂系統參數的校正方法，機械手臂系統包括基座、機械手臂與攝像單元。校正方法包括設置平面在攝像單元前，設置激光單元在機械手臂的第二端并投射光束至平面形成光點，取得激光單元相對機械手臂的第一初始參數集合、平面相對機械手臂的第二初始參數集合、攝像單元的第三初始參數集合、攝像單元相對機械手臂的第四初始參數集合與機械手臂的第二端相對第一端的第五參數集合，取得光點相對攝像單元的實際位置，藉由第一至第五參數集合取得光點相對攝像單元的預測位置，將預測位置與實際位置的差異量形成方程式，并以算法取得參數解。
文檔編號B25J9/16GK102452081SQ20101059793
公開日2012年5月16日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年10月21日
發明者張永融, 簡銘志, 胡竹生 申請人:財團法人工業技術研究院