基于SCARA机械手的手眼标定
一种基于视觉测量的SCARA机器人标定方法
一种基于视觉测量的SCARA机器人标定方法
王文双;姚书杰;曾钰;谢启旋
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2023(52)2
【摘要】为提高SCARA机器人的精度,以SCARA机器人的零点标定方法为研究对象,校正因机械加工误差、装配间隙误差和零件磨损等因素造成实际臂长与设计臂长的偏差,还有因SCARA机器人的大小臂没有完全重合在一条直线上造成实际零点位置与理论位置的偏差。
通过相机和图像识别技术,精确地定位出标定器上两个辅助点的位置,依据SCARA机器人的正反解和两点法标定的方法,以此标定出零点的实际位置和机器人大小臂的实际长度。
所提出的SCARA机器人零点标定方法操作简单,精度较高,与一般的零点标定方法相比,该方法不需要依靠昂贵的设备,能满足大部分情况下机器人的工作要求。
实验结果表明,经过标定后,机器人的位置误差在0.06 mm以内,大臂的长度误差在0.03 mm以内,小臂的长度误差在0.025 mm 以内。
【总页数】4页(P182-185)
【作者】王文双;姚书杰;曾钰;谢启旋
【作者单位】广州智能装备研究院有限公司;华南农业大学工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
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scara机器人 工具标定 原理
scara机器人工具标定原理英文回答：Tool calibration is an essential process in SCARA robot systems to ensure accurate and precise positioning of the end-effector. The principle behind tool calibration involves determining the transformation matrix between the robot's coordinate system and the tool's coordinate system. This matrix takes into account factors such as tool length, tool angle, and tool offset.To calibrate the tool, a calibration object or targetis usually used. This target is typically equipped with fiducial markers or known reference points that can be easily detected by the robot's vision system or sensors. The robot is then programmed to move the end-effector to specific points on the target, and the position and orientation of these points are measured. By comparing the measured values with the expected values, the calibration algorithm can calculate the transformation matrix.The calibration process involves several steps. First, the target is placed within the robot's workspace, and the robot is programmed to approach the target from different angles and positions. The robot's sensors or vision system capture the position and orientation of the target's fiducial markers or reference points. These measurements are then used to calculate the transformation matrix.Once the transformation matrix is determined, it can be used to correct any positioning errors in the robot's movements. For example, if the robot is instructed to move the end-effector to a specific point, the transformation matrix can adjust the robot's movements to ensure that the end-effector reaches the desired location accurately.Tool calibration is crucial in applications where high precision is required, such as assembly, pick-and-place operations, or machining. Without proper calibration, the robot may introduce errors in the positioning of the end-effector, leading to inaccuracies in the final product.中文回答：SCARA机器人的工具标定是确保末端执行器的准确和精确定位的重要过程。
手眼标定介绍
手眼标定之介绍
一.机械手类型
关节机器人:3个关节，6个自由度，即3个旋转3个平移；
SCARA机器人:包括沿X,Y,Z方向的平移和绕U轴旋转的4个自由度,它有3个旋转关节，最适用于平面定位;
二．手眼标定方式
1.固定相机拍照
手眼标定做什么：
1.1【已知条件】摄像机坐标系下校正对象的位姿;可以通过校正图像获取；
1.2【已知条件】机器人坐标系下机器人工具的位姿;
1.3【未知条件】获取工业摄像机坐标系下为机器人坐标系的位姿;
1.4【未知条件】获取机器人工具坐标系下校正对象坐标系的位姿；求出未知条件，再加已知条件，从而获取机器人坐标系下校正对象的位姿；要抓取一个物体，机器人坐标中的夹具位姿必须与机器人坐标中物体的位姿相同；
有夹具和没有夹具区别：
2.移动相机拍照
手眼标定做什么：
1.1【已知条件】摄像机坐标系下校正对象的位姿;可以通过校正图像获取；
1.2【已知条件】机器人坐标系下机器人工具的位姿;
1.3【未知条件】获取工业摄像机坐标系下机器人工具坐标系的位姿;
1.4【未知条件】获取机器人坐标系下校正对象坐标系的位姿；求出未知条件，再加已知条件，从而获取机器人坐标系下校正对象的位姿；要抓取一个物体，机器人坐标中的夹具位姿必须与机器人坐标中物体的位姿相同；
有夹具和没有夹具区别：
三.相关符号表示
:表示齐次变换矩阵，包含旋转和平移向量，通过这个齐次变换矩阵可以实现坐标系c1转换为新的坐标系c5.
:表示齐次变换矩阵，包含旋转和平移向量，通过这个齐次变换矩阵可以实现新坐标系tool转换为旧的坐标系base.。
SCARA机器人驱动方式及参数初定
SCARA机器人的驱动方式可分为ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ压，气动和电动三种基本类型。
1、液压驱动
液压传动机械手有很大的抓取能力，抓取力可高达上百公斤，液压力可达7MPa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性的要求高，不宜在高或低温现场工作，需配备一套液压系统。液压驱动有以下特点：
（1）输出功率大；
（1）输出功率大；
（2）气体压缩性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制；
（3）结构适当，执行机构可标准化，模拟化，易实现直接驱动；
（4）适用于中小负载驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人。
3、电力驱动
电力驱动是目前在工业机器手中用的最多的一种。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服电机，现在交流伺服电机驱动也开始广泛使用。上述驱动单元有的直接驱动机构运动，有的通过谐波减速 器装置来减速，结构简单紧凑。
4、SCARA机器人驱动方式的确定
对于SCARA机器人的驱动装置的一般的要求：
(1)驱动装置的质量要尽可能的轻，但是单位质量的输出功率（功率/质量m的比）要高，效率也要高；
(2)反应的速度需要快些，也就是力/质量和力矩/转动惯量比直要大些；
(3)动作要平滑，不产生冲击；
(4)控制应要尽可能的灵活，位移和速度的偏差要小些；
电动驱动的控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、 高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。适用于中小负载、要求具 有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC伺服喷涂机 械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等。
电力驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动 机驱动。各种电机驱动的特点：
【CN110000790A】一种SCARA机器人eyetohand手眼系统的标定方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910322749.0(22)申请日 2019.04.19(71)申请人 深圳科瑞技术股份有限公司地址 518000 广东省深圳市南山区粤海街道高新区中区麻雀岭工业区M-7栋中钢大厦一层及M-6栋中钢大厦一层一区、一层三区、二层二区、五层B区(72)发明人 龚文涛 (74)专利代理机构 深圳市科吉华烽知识产权事务所(普通合伙) 44248代理人 胡玉(51)Int.Cl.B25J 9/16(2006.01)(54)发明名称一种SCARA机器人eye-to-hand手眼系统的标定方法(57)摘要本发明适用于机器人技术应用改进领域，提供了一种SCARA机器人eye -to -hand手眼系统的标定方法，包括：S1、在SCARA机器人eye -to -hand手眼系统中，将相机拍摄的特征点像素值和机器人末端坐标之间建立矩阵转换关系；S2、任意采集九个点相机拍摄的特征点像素值和机器人末端坐标值，计算获取手眼系统的内参值和虚拟外参值；S3、使机器人带工具旋转两次并拍照特征点像素值，根据两次拍照时机器人和相机的相对位置关系不变建立等式，计算获取机器人的工具和相机的真实外参值。
标定方法，能在不需要附加标定板的情况下，简单、方便、精确地标定出机器人的内外参和机器人的工具坐标。
权利要求书2页 说明书4页 附图3页CN 110000790 A 2019.07.12C N 110000790A权 利 要 求 书1/2页CN 110000790 A1.一种SCARA机器人eye-to-hand手眼系统的标定方法，其特征在于，所述SCARA机器人eye-to-hand手眼系统的标定方法包括以下步骤：S1、在SCARA机器人eye-to-hand手眼系统中，将相机拍摄的特征点像素值和机器人末端坐标之间建立矩阵转换关系；S2、任意采集九个点相机拍摄的特征点像素值和机器人末端坐标值，计算获取手眼系统的内参值和虚拟外参值的方程组；S3、使机器人带工具旋转两次并拍照特征点像素值，根据两次拍照时机器人和相机的相对位置关系不变建立等式，计算获取机器人的工具和相机的真实外参值。
一种基于视觉测量的scara机器人标定方法
一种基于视觉测量的SCARA机器人标定方法
一、引言
SCARA机器人是一种特殊类型的装配机器人，广泛应用于各种制造行业。
为了确保SCARA机器人的准确性和可靠性，我们需要对其进行精确的标定。
本文提出了一种基于视觉测量的SCARA机器人标定方法，以提高其精度和可靠性。
二、标定方法
该标定方法主要包括以下步骤：
准备标定工具和设备：包括相机、标定板、参考坐标系等。
安装标定设备：将相机固定在SCARA机器人的工作区域上方，标定板安装在SCARA机器人的末端执行器上。
采集图像：通过相机拍摄标定板在不同姿态下的图像，并记录每个图像中标记点的位置。
图像处理：对采集的图像进行预处理，包括去噪、二值化、边缘检测等，以提取标记点的位置。
建立坐标系：根据采集的图像和已知的参考坐标系，建立相机的内部坐标系和世界坐标系。
计算参数：通过已知的点和对应的坐标系，计算相机的内部参数和外部参数，如焦距、主点坐标、畸变系数等。
验证标定结果：通过比较标定前后的机器人定位精度，验证该标定方法的有效性和精度。
三、实验结果
实验结果表明，使用该标定方法后，SCARA机器人的定位精度提高了约50%，大大提高了其工作性能和可靠性。
同时，该标定方法操作简单，精度较高，可广泛应用于各种SCARA机器人的标定工作中。
四、结论
本文提出了一种基于视觉测量的SCARA机器人标定方法，该方法可提高SCARA机器人的定位精度和工作性能。
实验结果表明，该方法具有操作简单、精度高等优点，可广泛应用于各种SCARA机器人的标定工作中。
scara机器人实验平台视觉标定研究
ＤＥＮＧ Ｘｉａｏ￣ｙａｎꎬ ＹＵＮ Ｘｕｅꎬ ＺＨＥＮＧ Ａｎꎬ ＱＩＵ Ｚｈｉ￣ｙｉｎｇ
( Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＥｎｇｉｎｅｅｒꎬＳｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ
Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４１ꎬＣｈｉｎａ)
ＳＣＡＲＡ ｒｏｂｏｔ ａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔꎬｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｔｗｏ￣ｃａｍｅｒａ ｖｉｓｕａｌ ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ. Ｍｅａｎｗｈｉｌｅꎬａ ｓｉｍｐｌｅ
ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｖｉｓｕａｌ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｅｙｅ￣ｉｎ￣ｈａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ. Ｓｕｐｐｏｓｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｅｎｄ
文章编号:１００９ － ２５５２(２０２０)０１ － ００３４ － ０４ ＤＯＩ:１０ １３２７４ / ｊ ｃｎｋｉ ｈｄｚｊ ２０２０ ０１ ００８
ＳＣＡＲＡ 机器人实验平台视觉标定研究
邓晓燕ꎬ 云 雪ꎬ 郑 安ꎬ 邱智颖
( 华南理工大学自动化科学与工程学院ꎬ 广州 ５１０６４１)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｗｈｅｒｅ ｔａｒｇｅｔ ｏｃｃｌｕｓｉｏｎ ｐｒｏｂａｂｌｙ ｅｘｉｓｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｅｙｅ￣ｔｏ￣ｈａｎｄ ｖｉｓｕａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｕｅ
ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒꎬ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｅｙｅ￣ｔｏ￣ｈａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｅｙｅ￣ｉｎ￣ｈａｎｄ ｓｙｓｔｅｍꎬ ｔａｋｉｎｇ
摘 要: 文中针对 ｅｙｅ￣ｔｏ￣ａｎｄ 视觉标定中机械手的移动可能对目标造成遮挡的问题ꎬ 利用 ｅｙｅ￣
scara旋转中心标定后算法
scara旋转中心标定后算法
Scara机器人机器视觉2D点旋转中心标定及旋转后的坐标计算
一、旋转中心标定
1、在进行旋转中心标定之前，首先得进行机械臂的手眼标定，标定完成之后，所有图像点转换到世界坐标系下进行计算。
2、目前旋转中心标定方法只测试过眼在手外的情况，即：相机固定，机械臂抓取某个带特征（如圆心，角点）的物体，在示教位置进行>180°的旋转，可以间隔10°或者5°，需要注意的是，整个过程相机能尽量提取到需要的特征（如圆心，角点）坐标，当然，目标特征必须是同一特征。
3、将得到的世界坐标系下的特征坐标序列进行圆拟合，圆拟合的方法很多，这里就不阐述了。
4、最终输出拟合圆的圆心坐标，即我们所希望的旋转中心。
二、点旋转后的坐标计算
1、2D情况下，点p(x,y)绕原点旋转可以通过向量计算方法计算出p'(x',y'),如图所示。
2、如果旋转中心不为原点，假定为c(xc,yc),则增加一个平移的过程。
x’-xc=(x-xc)cosa-(y-yc)sina；
y’-yc=(x-xc)sina+(y-yc)cosa。
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【 ｑ ％ ｌ ｒ 利 用首 先对 圆心 坐标 进行 矫 正， 具体 如下 ：
＝
｛ Ｉ ， ＝ ＝ （ ： 一 ： ） （ １ ＋ ： ｔ ， ＋ ： ‘ ） ： ＋ ；
（ ２ ）
提 出 的方法 可 以实现 对 Ｈ 、 ， 『 的求 解 。
在通 常情 况 下的手 眼标定 中，往往 考虑 了 ｆ ｙ ｚ“ｖ ｗ 六个自 由度 的影响 ，但 是受限于相机 景深以及实 际应用 需要 ，在 Ｓ Ｃ Ａ Ｒ Ａ机械 手结 构下，只需要 ｆ ” ｒ 三 个 自由度的坐标运 算 。如 图２ 所 示： 为满 足 图２ 中的 简化 需 求 ，结 合 相机 景 深 等 因素 ， 使相 机 光轴 中心 与机 械 手法 兰 中心接 近 平行 ，利 用安 装在 法兰 中 心的 吸头 吸 附 标定 板 ，可 以得 到相 机相 对 于法兰 中 心的 外参 ，其 中就 包括 相机 光 轴与 标 定板 平面 的垂 直度 。通 过 安装 在相机 上 的微 调旋 钮可 以使得 最终 的垂 直角 度 保持在 ９ ０ 。 ±０ ． ０ ２ ５ 。 范 围 内，在 此 前提 下本 文直接 忽
图２ 自 由度 示 意
简 化 了 的 模 型如 图２ ｂ 所 示 ，整 个 标 定过 程 主 要 由两 个 部 分组 成 ，分别 是对 Ｘ 、ｙ 轴 平面标 定 以及旋 转 中心标 定 。
１ 手 眼模 型
目前 主要的手 眼标定方 法中主要 是将整个 标定过程通 过一组 闭环
２ ｘ ｙ 轴平面标定
图３ 所示：
的转换矩 阵来求解 出相机坐标 系到机 器人基坐标系 的转换矩 阵 以及工 具坐标系到标 定板坐标系的转换矩 阵 ， ，见 图ｌ 所 示。
图１转换矩阵链 在该 链式 结构 中 ，有式 ｌ 成立 ：
一月 晴Ｈ … 州 （ １ ）
其中 舅 分 别表 示机 械 手第 ｉ 次 姿 态调 整后 所 获得 的相 机 坐 标 系到 标定 板坐 标 系的转 换 矩阵 以及 机械 手基 坐标 系 到工 具坐 标 系 的转 换 矩 阵 。 曼 也 就 是 通 常所 说 的机 械 手 末 端 姿 态 ，通 常 由 机 械手 控制 器直 接得 出，本 文中采 用 的是 东芝Ｔ Ｓ ３ ０ ０ ０ 控 制器 ， 会根 据 末 端法 兰 中心 位置 的 不 同返 回一 个坐 标 ， 即末端 姿 态 。 ， 可
Ｅ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ Ｒ Ｏ Ｎ Ｉ Ｃ Ｓ ＷＯ Ｒ Ｌ Ｄ・ 探索与观察
基 于 ＳＣＡＲＡ 讥 械 手 的 手 日 艮标 定
广 东工 业大学 ｖ ｅ ｔ ｏ ｈ ａ ｎ ｄ 手眼标定进行分析，结合ｓ ｃ Ａ ＲＡ 机械手四轴特性，提出了一种更为简化的手眼标定方式。从基坐标指定平 面和 法兰中心偏移量 ，两个方面分别 求解 ，最后将其 融合为Ｈ变换 矩阵。使得在 机械手参 考姿 态下 ，图像 坐标可 以十分 简单的转化 为基坐标 。 【 关键词 】 手眼标 定；Ｓ Ｃ Ａ Ｒ Ａ；机械手
略 Ｔ（ ｗ ｖ ） 两 个方 向上 的变化 量 ，ｚ 方 向固 定于 相机 定焦 平 面 ，其精 度 由伺服 电机 保 证 可 以达到 ±Ｏ ． ０ １ ｍ ｍ，因 此ｚ 方 向 的变 化量 也 是可 以忽略 的 ，下 文将重 点 论述 简化模 型 的标 定。
０ 引 言
工业 机械 手 自从 上个 世纪 诞生 以来， 凭借 着其 一体 化 的运 动解 决方 案使 其能 够广 泛应 用 于 多种复 杂 的工业 环境 。国 内工业 机械 手 的应 用案 例则 以汽 车 工业 和 电子工 业为 主 ，当然 其他 行业 也 在逐 渐 尝 试 采用 机械 手来 代 替人 工 ，从而 达到 最大 程度 节 省劳动 资源 ，提 高产 品 良品率 的 目的 。 工业 机械 手 以多运 动轨 迹 和高精 度 见长 ，配 合搭 载 工业 相机 和 Ｐ Ｃ 主 机 ，形 成整 套 手 眼 系统 ，可 以根 据 不 同产 品的 型 号进 行 相 应 的执 行坐 标调 整 。在整 个 处理 过程 中首 先通 过 图像 处理手 段 获取 目
以看 作不 同姿 态 下，求 解 相机 相对 于标 定板 外参 的任 务 ，通 过张 氏 标 定法 … 可 以成功 求解 该 问题 。 通 过获 取 多组姿 态坐 标和 相应 的外 参数 据 ，通过Ｌ ｅ ｎ ｚ＆ Ｔ ｓ ａ ｉ ［ ２ ］
图３标定Ｍａ ｒ ｋ 圆 提 取 出来 圆心 ，并设 圆 心图 像坐 标为 ｛ ） 。但是 ，由 于相 机 本 身缺 陷导致 该坐 标并 不是 真 实的坐 标位 置 。 通 过对 相机 内参标 定 ，可 以得 到 一组基 于相 机本 身 像素 矫 正的 变量：
一
■
标 的 图像 坐标 ，然 后经 由标 定 结果转 换 到机 械手 坐标 系 ，最 终根 据
该 坐 标 对 目标 进 行抓 取 或 是其 他 操 作 。鉴 于此 ，本 文根 据 Ｓ Ｃ Ａ Ｒ Ａ 机 械 手的 工作特 性 ，提 出 了一种 简化 了的手 眼标 定方 法 ，能 够有 效 的 使 图像坐标 系 和机 械手 基坐标 系之 间 建立对 应 关系 。
由 于机 械 手末 端 在 相机 视 野 中移 动 时 ，末 端 姿 态在 ｚ 轴 方 向 上 是 固定 的 ，因此 本文 中 的结构 只需要 对机 械手 末端 姿 态所 处 的Ｘ 、Ｙ 轴平 面 与相机 平 面建 立映 射关 系 即可 。类 似于 两个 平 面关 系建 立 的 问题 ， 又通常 被称 为Ｐ ｎ Ｐ 问题 。 首先 ，绘 制 一个 标准 圆并 采用 激 光打 印 出来 ，吸 附于 机械 手 末 端 吸头 上 ，置 于 定 焦面 的Ｚ 平面 ，使 得相 机 能够 清 晰 采样 ，效 果 如