一種基于愛(ài)普生機(jī)器人手眼自動(dòng)標(biāo)定設(shè)計(jì)

賀敏 陳發(fā)毅

摘? 要：為了改良愛(ài)普生機(jī)器人手動(dòng)輸入標(biāo)定坐標(biāo)值，提高手眼標(biāo)定精度，提出一種全新自動(dòng)標(biāo)定方法。該文將該方法的重點(diǎn)——建立移動(dòng)相機(jī)中心工具坐標(biāo)系分為三步，首先求解像素坐標(biāo)的移動(dòng)方向和機(jī)器人、相素坐標(biāo)移動(dòng)距離比值，然后利用循環(huán)程序使得標(biāo)定用圓形圓心等于相機(jī)視野中心，最后建立相機(jī)中心工具坐標(biāo)系。該方法操作簡(jiǎn)單、重復(fù)操作性能好、成本低，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)線生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞：愛(ài)普生機(jī)械手? 自動(dòng)標(biāo)定? 手眼標(biāo)定? ?工業(yè)視覺(jué)

中圖分類號(hào)：TP241.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）04（b）-0064-03

Design of Automatic Calibration of Hand Eye Based on Epson Robot

HE Min? CHEN Fayi

（School of Mechanical Engineering，? Xihua University， Chengdu， Sichuan Province， 610039? China ）

Abstract： In order to improve the manual input calibration coordinate value of Epson robot and improve the hand-eye calibration accuracy， a new automatic calibration method is proposed. In this paper， the key point of this method —setting up the center tool coordinate system for moving camera is divided into three steps. Firstly， the moving direction of the pixel coordinate and the moving distance ratio of the robot and phase coordinate are solved. Secondly， the circular center of the calibration circle is made equal to the center of the camera's field of vision by using the cyclic program. The method has the advantages of simple operation， good repeated operation performance ， low cost and easy to achieve the production requirements of industrial production lines.

Key Words：Epson manipulator; Automatic calibration; Hand-eye calibration; Industrial visual

愛(ài)普生機(jī)器人因其操作簡(jiǎn)單、安全可靠、整體穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，然而在愛(ài)普生機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)常因?yàn)槭盅蹣?biāo)定過(guò)程重復(fù)精度不高，出現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線的暫停的現(xiàn)象。愛(ài)普生機(jī)械手的手眼標(biāo)定，普遍采用傳統(tǒng)的手動(dòng)標(biāo)定方法。手動(dòng)標(biāo)定過(guò)程是一次性操作，一旦相機(jī)或者機(jī)器人位置改變時(shí)，需要重新手動(dòng)標(biāo)定，其標(biāo)定過(guò)程不僅需要手動(dòng)輸入像素和機(jī)器人坐標(biāo)，而且在得到標(biāo)定用參考點(diǎn)時(shí)，需要人工使用針尖等加工件建立工具坐標(biāo)系。整個(gè)標(biāo)定過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間，成本高，同時(shí)也不能保證標(biāo)定精度。針對(duì)以上問(wèn)題，該文提出一種基于愛(ài)普生機(jī)器人手眼自動(dòng)標(biāo)定方法，無(wú)需手動(dòng)建立工具坐標(biāo)系，在機(jī)器人或者相機(jī)位置改變時(shí)，重新運(yùn)行標(biāo)定程序即可。該方法能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)需要，具有成本低、時(shí)間周期短、操作性高等優(yōu)點(diǎn)。

1? 手動(dòng)標(biāo)定

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以從工作環(huán)境中采集到的圖像分析處理提取信息，并且可以對(duì)空間尺寸進(jìn)行精確測(cè)量和定位，進(jìn)而反饋給機(jī)器人，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行抓取、裝配等操作[1-2]。手眼標(biāo)定是在視覺(jué)系統(tǒng)中建立機(jī)器人坐標(biāo)與相機(jī)像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié)。在手動(dòng)標(biāo)定過(guò)程中，經(jīng)過(guò)2次人工對(duì)點(diǎn)，使機(jī)器人治具末端對(duì)準(zhǔn)輔助加工件如針尖，以此建立工具坐標(biāo)系，得到旋轉(zhuǎn)中心，再通過(guò)9次平移運(yùn)動(dòng)獲得機(jī)器人坐標(biāo)和像素坐標(biāo)。手動(dòng)標(biāo)定過(guò)程邏輯思路簡(jiǎn)單，不需要求解運(yùn)動(dòng)關(guān)系和建立相機(jī)與機(jī)器人通信，精度低、重復(fù)操作性能差。

手動(dòng)標(biāo)定過(guò)程，首先，通過(guò)機(jī)器人管理器移動(dòng)機(jī)器人，使得標(biāo)定用圓形以九宮格標(biāo)定順序依次出現(xiàn)在相機(jī)視野中。在Tool 0和Local 0的坐標(biāo)系下讀取每個(gè)位置的機(jī)器人坐標(biāo)及像素坐標(biāo)，并將其保存至機(jī)器人點(diǎn)文件中。其次，在機(jī)器人管理器中，以輔助工件為旋轉(zhuǎn)中心建立機(jī)器人工具坐標(biāo)系，工具編號(hào)為n，通過(guò)機(jī)器人管理器移動(dòng)機(jī)械手，使得輔助工件中心對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定用圓形圓心。并且在Tool n、Local 0的狀態(tài)下，將當(dāng)前點(diǎn)位保存至機(jī)器人點(diǎn)文件中，此點(diǎn)為機(jī)器人標(biāo)定用的參考點(diǎn)。最后，運(yùn)行機(jī)器人標(biāo)定程序，完成手眼手動(dòng)標(biāo)定。

2? 自動(dòng)標(biāo)定

愛(ài)普生機(jī)器人手動(dòng)標(biāo)定，通過(guò)求解AX=XB方程的形式進(jìn)行標(biāo)定[3]的傳統(tǒng)的手眼標(biāo)定方法，還是需要高精度的測(cè)量設(shè)備的新手眼標(biāo)定方法[4-6]，其過(guò)程都需要人工參與標(biāo)定過(guò)程，并且需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算過(guò)程。該文提出的愛(ài)普生機(jī)器人手眼自動(dòng)標(biāo)定，運(yùn)用2次平移運(yùn)動(dòng)求解出機(jī)器人坐標(biāo)與像素坐標(biāo)的關(guān)系，然后根據(jù)機(jī)器人與標(biāo)定用圓心的位置，用三角算法計(jì)算移動(dòng)距離，引導(dǎo)機(jī)器人向標(biāo)定用圓心移動(dòng)。通過(guò)2次平移運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)距離，建立工具坐標(biāo)系，用該工具坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定用圓形圓心即可讀出參考點(diǎn)。自動(dòng)標(biāo)定與手動(dòng)標(biāo)定相比，標(biāo)定過(guò)程不僅沒(méi)有人工參與標(biāo)定過(guò)程，而且更加快速和精確，能夠保證機(jī)器人治具末端的旋轉(zhuǎn)中心與視覺(jué)模板中心相等。

2.1 建立通信

手眼自動(dòng)標(biāo)定前提，就是建立相機(jī)與機(jī)器人的通信，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。機(jī)器人與相機(jī)約定以太網(wǎng)通信指令，其中通信程序包括網(wǎng)絡(luò)端口的打開(kāi)、讀取數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程。通信程序可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)端口狀態(tài)，自行跳轉(zhuǎn)程序，保證相機(jī)與機(jī)器人正常通信。

2.2 確定像素坐標(biāo)方向

確定像素坐標(biāo)方向時(shí)，使用三組點(diǎn)位數(shù)據(jù)（機(jī)器人+像素），分別是當(dāng)前點(diǎn)位，機(jī)器人X+方向點(diǎn)位，機(jī)器人Y+方向點(diǎn)位。利用3組點(diǎn)位數(shù)據(jù)的像素坐標(biāo)建立Local n（n=15），獲取新建local坐標(biāo)的U值，通過(guò)矩陣計(jì)算得出：在機(jī)器人坐標(biāo)系逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)U值大小，轉(zhuǎn)換后的機(jī)器人坐標(biāo)與像素坐標(biāo)系方向一致。具體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示，當(dāng)機(jī)器人向X機(jī)器人坐標(biāo)系正方向移動(dòng)時(shí)，相機(jī)也向像素坐標(biāo)系X坐標(biāo)正方向移動(dòng)。

2.3 工具坐標(biāo)系的建立

根據(jù)像素坐標(biāo)系軸方向和像素與機(jī)器人實(shí)際距離比值，最后經(jīng)過(guò)n次平移運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手上相機(jī)視野中心自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定用圓形圓心。視野中心與圓心重合精度，依據(jù)條件跳轉(zhuǎn)循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn)。循環(huán)程序中設(shè)定目標(biāo)像素坐標(biāo)為相機(jī)視野中心坐標(biāo)，實(shí)時(shí)獲得當(dāng)前標(biāo)定圓形圓心的像素值，并且通過(guò)當(dāng)前像素值與目標(biāo)像的差值指導(dǎo)機(jī)械手移動(dòng)，使得標(biāo)定用圓形圓心的像素值等于目標(biāo)像素值，此時(shí)跳出循環(huán)，具體獲得相機(jī)中心坐標(biāo)程序見(jiàn)圖2。

按照上述方法，獲得建立工具坐標(biāo)系所需的第一點(diǎn)a。機(jī)器人在Tool 0 下旋轉(zhuǎn)一定的角度（可以是2°左右），保證標(biāo)定用圓形不超出相機(jī)視野，重復(fù)獲取第一點(diǎn)a的步驟，獲得第二個(gè)點(diǎn)位，記作b點(diǎn)。研究人員用a點(diǎn)和b點(diǎn)通過(guò)程序建立工具坐標(biāo)系，工具坐標(biāo)系編號(hào)為Tool m。此時(shí)，在機(jī)器人工具坐標(biāo)系Tool m、本地坐標(biāo)系Local 0下讀取參考點(diǎn)坐標(biāo)值，并將其保存至機(jī)器人點(diǎn)文件中，具體工具坐標(biāo)系建立程序見(jiàn)圖3。

2.4 九宮格數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取

九宮格數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取，首先將相機(jī)長(zhǎng)邊像素和短邊像素等分為4份，獲得九宮格像素坐標(biāo)值。然后重復(fù)建立工具坐標(biāo)系步驟中的循環(huán)程序，將目標(biāo)像素值分別改為九宮格像素坐標(biāo)值。最后機(jī)械手分別移動(dòng)至目標(biāo)點(diǎn)位，九宮格將對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的機(jī)器人Tool 0下的坐標(biāo)值及像素坐標(biāo)值保存至機(jī)器人點(diǎn)文件中。

2.5 生成標(biāo)定文件

通過(guò)工具坐標(biāo)系的建立和九宮格數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取，得到參考點(diǎn)和標(biāo)定點(diǎn)數(shù)據(jù)。VxCalib指令生成標(biāo)定文件即完成自動(dòng)標(biāo)定。

3? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該文使用EPSON RC+7.0軟件，利用VxcalInfo指令對(duì)標(biāo)定準(zhǔn)結(jié)束狀態(tài)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所使用的愛(ài)普生機(jī)器人的誤差為：正負(fù)0.02 mm，相機(jī)誤差：正負(fù)0.01 mm，手動(dòng)、自動(dòng)標(biāo)定校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別如圖4、圖5所示。

4? 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)愛(ài)普生機(jī)器人手動(dòng)標(biāo)定精度低、成本高等缺點(diǎn)，提出了自動(dòng)標(biāo)定方法。立足于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、平移運(yùn)動(dòng)，對(duì)像素坐標(biāo)系方向和大小的確定，進(jìn)而建立繞像素中心旋轉(zhuǎn)的機(jī)器人工具坐標(biāo)系，獲得標(biāo)定用參考點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：手動(dòng)標(biāo)定和自動(dòng)標(biāo)定誤差都在手眼標(biāo)定誤差范圍之內(nèi)，但是在同樣工作環(huán)境下，自動(dòng)標(biāo)定精度更高。并且該文提出的自動(dòng)標(biāo)定方法，手眼標(biāo)定過(guò)程無(wú)需人工參與，并且在需要重新標(biāo)定時(shí)，直接運(yùn)行標(biāo)定程序即可。綜上所述，該方法不僅能提高標(biāo)定精度，還能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)需要。

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