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        隨著工業的發展,在生產中對自動化的要求越來越高,視覺技術已被廣泛引入工業機器人行業,具備視覺的工業機器人能更快、更準、更靈活地完成定位抓取、對位組裝、碼垛拆垛等,視覺引導是工業機器...
        手眼標定在工業機器人視覺定位引導系統中的應用
        2023-11-07

        手眼標定在工業機器人視覺定位引導系統中的應用

                隨著工業的發展,在生產中對自動化的要求越來越高,視覺技術已被廣泛引入工業機器人行業,具備視覺的工業機器人能更快、更準、更靈活地完成定位抓取、對位組裝、碼垛拆垛等,視覺引導是工業機器人走向智能化的重要方式。傳統的工業機器人只能按照編寫好的程序做單調重復的工作,無法根據作業環境自適應調整運動軌跡,視覺引導系統賦予了機器人感知外部世界的能力。

        手眼標定在工業機器人視覺定位引導系統中的應用


        視覺引導技術介紹

                基于圖像分析的視覺技術在機器人引導相關應用中的主要作用是精確獲取對象物(待抓取物體)和目標物(待組裝物體)的坐標位置,并將圖像坐標轉換為機器人能識別的機器人坐標,指導機器人進行糾偏和組裝。因此,手眼標定和定位引導是機器視覺在(工業機械臂)機器人引導中應用的核心。

        手眼標定目的及分類

                手眼標定,即將手(機器人工具)和眼(相機)的坐標系進行統一,完成相機到機器人的坐標轉換,讓機器人能精確定位相機視野中的目標。具體而言,手眼標定是通過對機器人與傳感器之間的相對位置和姿態進行測量和計算,來確定機器人控制系統中的各坐標系之間的變換關系,從而實現機器人精確運動控制和定位。
                手眼標定結果的使用過程即空間點的位置在不同坐標系中的變換過程,在手眼標定推導過程中,我們會用到手眼系統中的四個主要相關坐標系,如下所示:

        機械臂基坐標系(用base表示)

        機械手工具坐標系(用tool表示)

        相機坐標系(用cam表示)

        標定物坐標系(通常為標定板或球,用cal表示)

                手眼標定按應用場景可分為應用于抓取固定平面上物體的2D手眼標定與應用于抓取一定高度范圍內不同姿態物體的3D手眼標定。
        2D手眼標定是指將相機的圖像坐標系與機械臂基坐標系之間建立映射關系。也就是說,它確定了相機拍攝到的2D圖像中某一點與機械臂基坐標系對應的坐標之間的轉換關系。

        2D手眼標定

        2D手眼標定

                2D手眼變換中一般表達為:線性變換R和平移變換T的疊加,即為兩個平面(像素平面與機器人基坐標系平面)的仿射變換。 

        ▲仿射變換實現公式

        ▲仿射變換實現公式

        3D手眼標定

                3D手眼標定則是確定相機坐標系與機械臂基坐標系或與機械臂工具坐標系之間的轉換關系。通過該轉換關系,3D手眼標定可以確定相機坐標系內的任意一點在機械臂基坐標系的位置,因此3D手眼標定相對于2D手眼標定具有更廣闊的應用空間。

                按照相機搭載方案的不同,3D手眼標定主要分為眼在手上(hand-in-eye)和眼在手外(eye-to-hand)兩種形式。眼在手上方案中,相機一般搭載在機器人末端工具上,相機相對于工具的位置和姿態是固定的,此時手眼標定主要確定相機與機器人工具之間的相對位置和姿態;眼在手外方案中,相機一般安裝在相對于機器人基座固定的支架上,此時手眼標定主要是確定相機與機器人基座之間的相對位置和姿態。

        ▲左側:眼在手上  右側:眼在手外

        ▲左側:眼在手上  右側:眼在手外

                無論是眼在手上還是眼在手外方案的手眼標定,都可以歸結為對方程AX=XB的求解。以眼在手外(hand-in-eye)方案的手眼標定舉例:


                baseHtool:表示機器人工具坐標系到機器人基坐標系的轉換關系,可以由機器人系統中得出。(已知)
                toolHcam:表示相機坐標系到機器人工具坐標系的轉換關系未知數X;這個轉化關系在機器人移動過程中是不變的,通過方程組的聯立求解;(未知,待求);
                camHcal:表示標定板坐標系到相機坐標系的轉換關系(相機外參),可以由相機內部參數和標定板圖像求出;(相當于已知)
                baseHcal:表示標定板坐標系到機器人基坐標系的變換,這個轉化關系在機器人移動過程中是不變的,通過方程組的聯立求解;(未知,待求);

                不管是eye-to-hand系統,還是eye-in-hand系統,問題的關鍵都是轉化為求解方程AX=XB的求解,手眼標定的基本原理即如上所述,如何高效準確地完成手眼標定并應用于機器人視覺引導上,這才是未來視覺引導領域的焦點。
        國家重點專精特新“小巨人”企業——菲特(天津)檢測技術有限公司成立于2013年,是一家推進人工智能技術在工業領域智能化應用的企業。
        企業專注于光學、人機交互、人工智能等前沿技術研發與創新,迄今已獲得知識產權二百余項,獨創百余個“在線級”落地應用案例,以汽車行業為起點,致力于為化紡、醫藥、鋼鐵等制造行業賦能,可提供包含質量控制,工藝監測,人工智能安全預警,智能分析以及工業垂類大模型等前沿技術,是為工業領域提供智能化解決方案的領軍型研發企業。
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