焊接機器人視覺的基本任務(wù)就是從雙目攝像機獲得的二維圖像中恢復(fù)物體的三維空間信息，從而能夠識別目標(biāo)物體，進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。空間中物體與其在成像平面形成的二維圖像的相互關(guān)系由攝像機的內(nèi)外參數(shù)決定，內(nèi)部參數(shù)是由攝像機本身的類型決定的，主要是由攝像機感光元件和光學(xué)特性決定;外部參數(shù)是由建立的攝像機坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系之間的相對位置關(guān)系決定。

攝像機標(biāo)定方法主要有兩種:傳統(tǒng)的雙目視覺攝像機標(biāo)定和攝像機自標(biāo)定的方法。傳統(tǒng)的雙目視覺攝像機標(biāo)定方法主要利用尺寸、大小、形狀己知的標(biāo)定模板，通過左右攝像機采集到的圖像與空間標(biāo)定模板之間的位置變換計算出攝像機的內(nèi)外參數(shù)。而自標(biāo)定方法僅僅依靠攝像機采集的二維圖像信息就可以確定攝像機的參數(shù)，但是必須使用運動序列的圖像，標(biāo)定難度較大。本章主要對傳統(tǒng)的雙目視覺攝像機標(biāo)定方法進(jìn)行了研究。

參考坐標(biāo)系介紹

為了描述雙目焊接機器人立體視覺，需要建立以下五種坐標(biāo)系即像素坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、攝像機坐標(biāo)系、基坐標(biāo)系以及機器人末端坐標(biāo)系，同時還需要計算各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，才能實現(xiàn)對目標(biāo)物體的測量、定位、建模等一系列工作。

(1)像素坐標(biāo)系

CCD攝像機將采集到的數(shù)字圖像信息以數(shù)組的形式記錄下來，數(shù)組中的元素代表像素，元素的大小為像素點的灰度值，拍攝圖像時使用的分辨率(如1600 X1200)為數(shù)組的范圍，像素坐標(biāo)系OoUV定義如圖3.1所示，Oo為像素坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點，U軸和V軸表示像素點在像素坐標(biāo)系中的行數(shù)和列數(shù)，坐標(biāo)都是以元素為單位。

(2)圖像坐標(biāo)系

由于像素坐標(biāo)系中表示的元素都是以像素為單位，而在實際的視覺系統(tǒng)應(yīng)用中需要以物理單位(如毫米)來描述目標(biāo)位置，因此需要建立一個新的坐標(biāo)系即圖像坐標(biāo)系。圖像坐標(biāo)系O1XY如圖3.1所示，設(shè)O1為攝像機光軸與成像平面的交點，定義O1為圖像坐標(biāo)系原點，一般情況下O1點在圖像的中心位置，但是攝像機在制造過程中由于制造工藝等原因可能會產(chǎn)生一定的偏離。像素坐標(biāo)系的X軸Y軸相互垂直，坐標(biāo)以毫米為單位。設(shè)攝像機成像平面點中的一點N，其在像素坐標(biāo)系中坐標(biāo)為(u0,v0)在圖像坐標(biāo)系中實際距離分別用dx和dy表示，坐標(biāo)形式表示為〔dx, dy);則兩個坐標(biāo)系之間的關(guān)系如式3-1所示:

其中，θ角為攝像機的鏡頭由于制造工藝導(dǎo)致的偏差，使得像素坐標(biāo)系Oouv的u軸與v軸不垂直，隨著現(xiàn)代工業(yè)水平的進(jìn)步，攝像機制造工藝越來越完善，θ角也越來越接近90度。

(3)攝像機坐標(biāo)系

為了描述攝像機的成像原理，建立攝像機坐標(biāo)系，如圖3.2所示，設(shè)攝像機鏡頭的光心Oc為坐標(biāo)原點，Xc軸、Yc軸、Zc軸相互垂直，且Xc軸、Yc軸分別與圖像坐標(biāo)系中的X,Y軸平行，Zc軸與垂直于成像平面，且與成像平面的交點O1為圖像坐標(biāo)系的原點，Oc到O1的距離為攝像機的焦距f，由Oc，Xc軸、yc軸、Zc軸構(gòu)成攝像機坐標(biāo)系。

(4)基坐標(biāo)系

基坐標(biāo)系又稱世界坐標(biāo)系，如圖3.2所示，Ow為基坐標(biāo)系的原點，Xw軸、Yw軸、Zw軸相互垂直，基坐標(biāo)系用來描述空間中攝像機、目標(biāo)工件、機器人等所有物體的絕對坐標(biāo)，同時基坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系也有確定的關(guān)系，兩個不同的坐標(biāo)系必然可以通過旋轉(zhuǎn)、平移操作相互重合，因此利用旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T可以描述這兩個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)空間中任意一點P在基坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)為(Xw,Yw, Zw, 1)，在攝像機坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)為(Xc, Yc, Zc、1),則兩者存在以下關(guān)系：

其中，平移矩陣T為1x3的三維平移向量，旋轉(zhuǎn)矩陣R為3x3的正交單位矩陣，為由T和R確定的4x4矩陣，因此可以用矩陣，，M來描述攝像機坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

(5)機器人末端坐標(biāo)系

為了描述目標(biāo)工件相對于機器人末端手臂(焊槍)的位置，建立機器人末端坐標(biāo)系。如圖3.3所示，定義焊接機器人手臂末端Os為原點，由相互垂直的Xs,Ys, Zs軸構(gòu)成機器人末端坐標(biāo)系。

與其他位置固定的各坐標(biāo)系不同，機器人末端坐標(biāo)系隨著機械臂的運動而運動，但是初始狀態(tài)下機器人手臂相對于基坐標(biāo)系的位姿確定，因此可以知道機器人末端坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)空間中任意一點N，N點在基坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)為(Xw, Yw, Zw,1)，在機器人末端坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(XS,YS,ZS,1)，則機器人末端坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式3-3所示。

其中，N為當(dāng)前情況下4x4的位姿矩陣，可以根據(jù)焊接機器人的運動參數(shù)計算得到。

通過以上五種坐標(biāo)系可以求取任何與雙目焊接機器人系統(tǒng)相關(guān)的物體坐標(biāo)，而且每兩個坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系確定，可以在五種坐標(biāo)系下自由的進(jìn)行轉(zhuǎn)換。