李兆龙，张坤浩，单 磊，张 芳

（1.洛阳市产品质量检验检测中心，河南 洛阳 471000；
2.中国科学院上海高等研究院，上海 201210）

如今每年晶体学衍射线站都有着巨大的机时需求缺口。为此，世界各大同步辐射光源都配置了不同的自动上样系统，在提高了安全性同时，也大大提高了线站实验效率[1]。

当前的蛋白质晶体上样系统样品获取及样品转移功能的实现都需要事先对样品点以及上样点进行坐标标定。坐标标定需要工作人员手动示教，将机械手移动至目标点，完成对该目标点全局坐标变量的更改[2-3]。其中衍射仪测角头可以三自由度平移且与机械手处于不同的台面，随着试验的进行会存在位置偏差的积累，因此对其坐标的标定维护尤为频繁。本文针对这种情况介绍了1 种利用视觉定位的方式来实现蛋白质晶体机械臂上样位置的自动标定。

该方法使用工业相机完成视觉定位，选用500 万像素的相机配置8 mm 焦距镜头作为视觉传感器。具体参数见表1、表2。

表1 HT-SUA500C-T 工业相机参数

表2 HTF0818-5MP 镜头参数

对于单目视觉来说无法判断出照片深度信息。增加激光测距传感器一方面可对深度信息进行测量，另一方面可以利用激光点与测角头中心位置偏差来修正视觉定位的误差。激光测距传感器参数见表3。

表3 松下HG-C1100 激光测距传感器参数

对于测角头的识别定位由于其尺寸小且环境紧凑狭小，若相机距离较远将会影响视觉定位精度，而且当抓手靠近目标时机械手可能会阻挡视野，导致测角头被遮挡，干扰识别定位。因此本方法采用“Eye-in-Hand”型手眼系统，将工业相机固定于机械手法兰盘处，采取图像信息。

2.1 相机参数标定

如图1 所示，相机成像过程可表示为图像点在世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系及像素坐标系的转换[4]。

图1 相机成像模型示意图

由图1 可看出世界坐标系下一点Pw需经过4 个坐标系转化，方可在成像平面内通过像素坐标表示，根据齐次坐标变换原理可得像素坐标系与世界坐标系的映射关系，公式为

式中：ZC为PW点在相机坐标系下的zc轴坐标值；
u，v为PW点在平面像素坐标系下的坐标值；
f 为相机焦距；
dx，dy 为像素点在图像坐标系x，y 轴方向上的尺寸大小；
u0，v0为图像坐标原点在像素坐标系下的坐标值；
为世界坐标系到相机坐标系的旋转矩阵、平移矩阵；
XW，YW，ZW为PW点在世界坐标系下坐标值；
A 为相机的内参数矩阵；
M 为相机的外参数矩阵。

通过张正友标定算法，利用二维棋盘标定板即可得到相应的内外参数矩阵。本文通过MATLAB 相机标定工具对相机进行标定[5]，得到相机内参见表4。

表4 相机内参

2.2 手眼标定

手眼标定的目的在于实现物体在世界坐标系和机器人坐标系中的变换，从而能够根据图像信息来进行相应的位姿变换。

通过Tsai-Lenz 手眼标定算法[6]，求解得到了“Eyein-Hand”型视觉系统的手眼关系矩阵

2.3 图像特征提取与定位

该系统的视觉定位有2 个研究对象，分别为测角头和激光传感器光斑。两者外部轮廓可分别近似为直径9、0.8 mm 的圆。

由于激光光斑中心亮度较高，故而根据颜色特征来提取光斑图像。颜色特征对于图像的方向、视角、尺寸等条件依赖较小，有较高鲁棒性。首先确定激光光斑中心HSV 色彩阈值，设定阈值的上限和下限分别为（0，0，240），（170，20，255），遍历整个图像的像素点，阈值外的像素值都设置为0，阈值内的像素值设置为255，即可得到图像的ROI 的掩模。将掩模与原图像做运算，即可提取出激光光斑图像，如图2（a）所示。得到的激光光斑特征图像会存在一些噪点，进行中值滤波后，得到了更为平滑的光斑图像，如图2（b）所示。

图2 滤波前后激光测距传感器光斑图像

利用opencv 的最小闭圆拟合和霍夫圆检测算法[7]可分别通过闭合圆来圈定激光光斑与测角头图像，并确定圆心的像素坐标位置如图3 所示。

图3 图像识别定位

得到圆心的像素坐标后，根据公式（1），即可求解出相应的激光光斑和测角头在相机坐标系下的坐标，并通过左乘手眼关系矩阵公式（2）得到其在机械臂工具坐标系下的坐标，从而实现坐标定位。通过对测角头进行3 组视觉定位实验，测定其定位误差，实验测定结果见表5。

表5 测角头中心视觉定位实验误差

可以看出通过单目视觉定位的测角头中心坐标X、Y 方向平均误差为1.68 mm 和1.64 mm。

由于单目视觉定位的误差在1.6 mm 左右，足以使得位于抓手上的激光测距传感器的光斑落于测角头上，可确定测角头的Z 轴坐标值。通过调整抓手高度，使抓手位于测角头上方指定高度后，方可进行下一步的图像采集和定位。

识别得到光斑及测角头圆心的像素坐标，得到坐标偏差值后，根据公式（1）求解对应的相机坐标系下坐标偏差，通过手眼关系矩阵得到真实坐标偏差。最后传递坐标偏差值控制机械手进行位置补偿。

将测角头移动至不同位置进行3 组自动标定实验，分别手动示教至真实位置，测量其标定误差，见表6。

表6 测角头自动标定误差

可见3 组视觉定位数据经过1 次偏差补偿后的X，Y 方向平均误差为0.313 mm 和0.227 mm。

本文通过采用激光测距传感器与单目视觉定位结合的方式，实现了对测角头三维坐标的定位，并通过光斑位置与测角头中心偏差补偿的方式，提高了测角头视觉标定精度。将X，Y 方向定位精度提高至0.313 mm和0.227 mm，可用于实现上样位置自动定位。

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