CN102608969B - 基于红外光学定位的串联型机器人手眼配准控制方法 - Google Patents

基于红外光学定位的串联型机器人手眼配准控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于红外光学定位的串联型机器人手眼配准控制方法，以达到提高机器人操作臂的工作准确度的目的；该方法所涉及的设备包括控制器、红外光学定位仪、串联型n臂机器人、n个工件、n+1个带有4个反光球的定位支架，将其中一个定位支架置于机器人底座的上表面中心点处，将剩余n个定位支架分别置于n个工件上；控制器根据所得到的底座上定位支架坐标系分别在操作空间坐标系下的位姿矩阵
Figure DDA0000140286410000011
以及在测量空间坐标系下的位姿矩阵
Figure DDA0000140286410000012
计算得到奇次变换矩阵
Figure DDA0000140286410000013
根据其他定位支架坐标系的位姿矩阵
Figure DDA0000140286410000014
和
Figure DDA0000140286410000015
计算得到各末端执行器的目标位姿
Figure DDA0000140286410000016
并结合机器人逆运动学原理得到各操作臂的关节运动量，使得各末端执行器运动到相应的目标位姿并夹持到相应的工件。

Description

基于红外光学定位的串联型机器人手眼配准控制方法
技术领域
本发明涉及红外光学定位技术，属于机器人设计领域，具体涉及一种基于红外光学定位的串联型机器人手眼配准控制方法。
背景技术
机器人的“手”是机器人操作臂，机器人的“眼”是指用于给机器人导航的双目视觉，主要包括可见光双目视觉与红外线双目视觉，在医疗领域，常用的是基于红外光学定位的双目视觉，即红外光学定位仪。
红外光学定位仪用于空间测量与定位，在进行空间测量与定位过程中，需要探测安装在定位支架上面的红外反光球，二者之间需要无遮挡的光线通路，如果红外光学定位仪中的摄像头和反光球之间的光线通路被遮挡，将无法实现空间测量与定位功能。
机器人的“手眼”配准主要是为了建立机器人坐标系和视觉测量坐标系之间的关系，机器人操作臂的末端执行器需要到达的目标位姿建立在视觉测量坐标系中，而末端执行器的当前位姿是建立在机器人坐标系中，为了控制末端执行器从当前位姿到达目标位姿，需要将末端执行器目标位姿在机器人坐标系中进行描述，即在建立了机器人坐标系和视觉测量坐标系之间的关系之后，将末端执行器目标位姿从视觉测量坐标系转化到机器人坐标系中，这个过程即为机器人“手眼”配准。
在现有的所设计的串联型机器人上，定位支架被安装在机器人臂的末端执行器中，在机器人手眼配准过程中，若采用红外光学定位仪来探测定位末端执行器和工件上的定位支架，而在机器人操作臂数目增多，并且操作臂之间的工作空间狭窄等情况下，容易出现操作臂上的末端执行器定位支架之间相互遮挡的现象，这就会导致红外光学定位仪对于定位支架的空间测量和定位出错，从而降低了红外光学定位仪测量精度和机器人操作臂的工作准确度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于红外光学定位的串联型机器人手眼配准控制方法，以达到提高机器人操作臂的工作准确度的目的。
本发明所提供的方法涉及的设备包括控制器、红外光学定位仪、串联型n臂机器人、n个工件、n+1个带有4个反光球的定位支架，该n+1个定位支架的支架臂长度和/或支架臂夹角互不相同，n为整数。将其中一个定位支架置于机器人底座的上表面中心点处，将剩余n个定位支架分别置于n个工件上。该方法的具体步骤为：
S00、所述控制器建立所述n臂机器人的操作空间坐标系Or、所述红外光学定位仪的测量空间坐标系Oc以及n臂机器人操作臂的n个末端执行器的坐标系Ot1、...、Otn；同时，红外光学定位仪建立机器人底座上的定位支架坐标系Op以及各工件上的定位支架坐标系Ow1、...、Own，并传送至控制器。
S01、控制器根据定位支架坐标系Op和操作空间坐标系Or的空间位置关系，建立定位支架坐标系Op在操作空间坐标系Or下的位姿矩阵
Figure BDA0000140286390000021
同时，红外光学定位仪测量得到各定位支架坐标系Op、Ow1、...、Own分别在测量空间坐标系Oc下的位姿矩阵为
Figure BDA0000140286390000022
S02、控制器根据各末端执行器坐标系Ot1、...、Otn以及操作空间坐标系Or，采用机器人正运动学原理分别得到Ot1、...、Otn在Or下的位姿矩阵
Figure BDA0000140286390000024
即各末端执行器坐标系在操作空间坐标系Or下的当前位姿：
Figure BDA0000140286390000025
Figure BDA0000140286390000026
S03、控制器根据所得到的位姿矩阵
Figure BDA0000140286390000027
和
Figure BDA0000140286390000028
计算得到测量空间坐标系Oc与操作空间坐标系Or之间的奇次变换矩阵：
Figure BDA0000140286390000029
S04、控制器根据所得到的位姿矩阵
Figure BDA00001402863900000210
以及奇次变换矩阵计算得到各定位支架坐标系Ow1，...，Own分别在操作空间坐标系Or下的位姿矩阵：
Figure BDA0000140286390000032
i＝1，...，n；所得到的
Figure BDA0000140286390000033
分别为各末端执行器坐标系Ot1、...、Otn分别在操作空间坐标系Or下的目标位姿。
S05、控制器根据所得到的
Figure BDA0000140286390000034
采用机器人逆运动学原理计算并得到相应操作臂的各关节变量初始值，同样地，控制器根据
Figure BDA0000140286390000035
计算得到相应操作臂的各关节变量目标值；控制器计算每个操作臂的关节变量初始值和目标值的差值，并将所得到的差值作为每个操作臂的关节运动量。
S06、控制器根据步骤S05所得到的关节运动量，控制n臂机器人的各末端执行器，使得每个末端执行器运动到相应的目标位姿，最终每个末端执行器夹持到相应的工件。
有益效果：
本发明所提供的方法是将定位支架安装在串联型机器人本体上来实现机器人操作臂和红外光学定位仪之间的手眼配准，最终使得机器人操作臂夹持到相应的工件，在机器人操作臂数目增多的情况下，当机器人工作时，安装在机器人本体上的定位支架不会受到机器人操作臂的遮挡，并且也不会发生由于机器人操作臂之间相互遮挡而导致操作臂末端执行器出现空间定位出错的现象，这样就提高了配准的精确度，从而达到了提高机器人操作臂的工作准确度的目的。
此外，在采用红外光学定位仪进行测量的过程中，相较于传统的方法，由于机器人本体上仅设置了一个定位支架，使得红外光学定位仪在定位过程中不会受到机器人操作臂数量的影响，这样就提高了红外光学定位仪进行空间定位的工作效率。
附图说明
图1为红外光学定位仪的空间测量与定位示意图；
图2为本发明所提供的机器布置示意图；
图3为本发明所提供的坐标系示意图；
其中，1-红外光学定位仪；2-摄像头；3-红外发射器；4-反光球；5-定位支架；6-三臂机器人；7-滑块；8-连杆；9-末端执行器；10-第一工件；11-第一定位支架；12-第二定位支架；13-第三定位支架；14-第四定位支架。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
图1为现有技术中红外光学定位仪的工作示意图。红外光学定位仪1上设置有两个摄像头2，每个摄像头2周围布置有红外发射器3，红外发射器3向周围环境发射红外线，红外线经定位支架5上的每个反光球4反射后，两个摄像头2接收反射红外线，这样红外光学定位仪1计算得到每个反光球4的空间位置，红外光学定位仪1即可建立定位支架5的空间坐标系，同时得到定位支架在红外光学定位仪1坐标系下的位姿矩阵。
本发明提供了一种基于红外光学定位的串联型机器人手眼配准方法，该方法所涉及的设备包括控制器、红外光学定位仪、串联型n臂机器人、n个工件、n+1个带有4个反光球的定位支架，n为整数。将其中一个定位支架置于机器人底座的上表面中心点处，将剩余n个定位支架分别置于n个工件上。由于本发明所提供的方法是为了解决串联型机器人操作臂之间相互遮挡的问题，并结合目前机器人应用领域中所常用的机器人操作臂个数，所述n的取值范围，较佳地为2～4。下面举一个n取3时的实施例：
图2示出了一个串联型三臂机器人6与红外光学定位仪1的布置示意图，该三臂机器人6的每个操作臂连接一个滑块7，滑块7可沿底座上的滑轨进行上下滑动，每个操作臂包括3个连杆8和1个末端执行器9，其中，一个连杆8的首端连接至滑块7，尾端连接至另一连杆8的首端，这样经过3个连杆8首尾相连，最后一个连杆8的尾端连接1个末端执行器9，那么，三臂机器人6的每个操作臂就具有1个移动关节和3个转动关节。带有4个反光球4的第一定位支架11被设置在三臂机器人6的底座上表面的中心点处。3个工件10均被设置在三臂机器人6的工作空间内，在各工件10上分别设置一个具有4个反光球4的定位支架，即第二定位支架12、第三定位支架13以及第四定位支架14，所述4个定位支架的支架臂长度和/或支架臂夹角互不相同，使得控制器可以识别出4个不同的定位支架。每个工件10与三臂机器人6的操作臂一一对应，第二定位支架12、第三定位支架13和第四定位支架14用于表示相应工件10的位姿，即相应操作臂的末端执行器9的目标位姿。将三臂机器人6放置在红外光学定位仪1的工作区域内。
基于图2建立的各设备的坐标系如图3所示，本发明所提供的方法的具体步骤为：
S00、当三臂机器人6位置固定后，控制器建立机器人的操作空间坐标系Or、红外光学定位仪1的测量空间坐标系Oc以及3个末端执行器9的坐标系Ot1、Ot2和Ot3。同时，红外光学定位仪1建立第一定位支架11的坐标系Op、第二定位支架12的坐标系Ow1、第三定位支架13的坐标系Ow2以及第四定位支架14的坐标系Ow3，并传送至控制器。
S01、控制器根据第一定位支架11坐标系Op和操作空间坐标系Or的空间位置关系，建立第一定位支架11坐标系Op在机器人操作空间坐标系Or下的位姿矩阵
同时，红外光学定位仪1测量得到四个定位支架的坐标系Op、Ow1、Ow2和Ow3，分别在测量空间坐标系Oc下的位姿矩阵为
Figure BDA0000140286390000052
和
Figure BDA0000140286390000053
S02、控制器根据3个末端执行器9的坐标系Ot1、Ot2和Ot3以及机器人操作空间坐标系Or，采用机器人正运动学原理分别得到Ot1、Ot2和Ot3在Or下的位姿矩阵
Figure BDA0000140286390000054
即3个末端执行器9坐标系在机器人操作空间坐标系下的当前位姿为
Figure BDA0000140286390000055
和
Figure BDA0000140286390000056
S03、控制器根据所得到的位姿矩阵
Figure BDA0000140286390000057
和计算得到测量空间坐标系Oc与机器人操作空间坐标系Or之间的奇次变换矩阵为
Figure BDA0000140286390000059
S04、控制器根据所得到的位姿矩阵
Figure BDA0000140286390000061
和
Figure BDA0000140286390000062
以及奇次变换矩阵
Figure BDA0000140286390000063
计算三个定位支架坐标系，即Ow1、Ow2和Ow3分别在机器人操作空间坐标系Or下的位姿矩阵为：
Figure BDA0000140286390000064
Figure BDA0000140286390000065
Figure BDA0000140286390000066
以上所得到的位姿矩阵
Figure BDA0000140286390000067
和
Figure BDA0000140286390000068
就可表示相应工件10在机器人操作空间坐标系Or下的位姿，这三个位姿矩阵分别对应于末端执行器9坐标系Ot1、Ot2和Ot3在机器人操作空间坐标系Or下，为实现对相应工件10的夹持所需到达的目标位姿
Figure BDA0000140286390000069
和
Figure BDA00001402863900000610
分别为3个末端执行器9坐标系Ot1、Ot2和Ot3在机器人操作空间坐标系Or下的目标位姿。
S05、控制器根据所得到的
Figure BDA00001402863900000611
(i＝1，2，3)，采用机器人逆运动学原理计算得到相应操作臂的各关节变量初始值，同时控制器根据所得到的
Figure BDA00001402863900000612
采用机器人逆运动学原理计算得到相应操作臂的各关节变量目标值，每个操作臂的关节变量包括1个移动关节变量和3个转动关节变量。
控制器计算每个操作臂的关节变量初始值和目标值的差值，并将所得到的差值作为每个操作臂的关节运动量。每个操作臂的关节运动量包括1个移动关节运动量和3个转动关节运动量。
S06、控制器根据步骤S05所得到的关节运动量，控制三臂机器人6的3个末端执行器9，使得每个末端执行器9运动到相应的目标位姿，同时可夹持到相应的工件10。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于红外光学定位的串联型机器人手眼配准控制方法，该方法所涉及的设备包括控制器、红外光学定位仪、串联型n臂机器人、n个工件、n+1个带有4个反光球的定位支架，该n+1个定位支架的支架臂长度和/或支架臂夹角互不相同，n为整数，其特征在于，将其中一个定位支架置于机器人底座的上表面中心点处，将剩余n个定位支架分别置于n个工件上；该方法的具体步骤为：
S00、所述控制器建立所述n臂机器人的操作空间坐标系Or、所述红外光学定位仪的测量空间坐标系Oc以及n臂机器人操作臂的n个末端执行器的坐标系Ot1、...、Otn；同时，红外光学定位仪建立机器人底座上的定位支架坐标系Op以及各工件上的定位支架坐标系Ow1、...、Own，并传送至控制器；
S01、控制器根据定位支架坐标系Op和操作空间坐标系Or的空间位置关系，建立定位支架坐标系Op在操作空间坐标系Or下的位姿矩阵
Figure FDA0000140286380000011
同时，红外光学定位仪测量得到各定位支架坐标系Op、Ow1、...、Own分别在测量空间坐标系Oc下的位姿矩阵为
Figure FDA0000140286380000012
S02、控制器根据各末端执行器坐标系Ot1、...、Otn以及操作空间坐标系Or，采用机器人正运动学原理分别得到Ot1、...、Otn在Or下的位姿矩阵
Figure FDA0000140286380000014
即各末端执行器坐标系在操作空间坐标系Or下的当前位姿：
Figure FDA0000140286380000015
Figure FDA0000140286380000016
S03、控制器根据所得到的位姿矩阵
Figure FDA0000140286380000017
和
Figure FDA0000140286380000018
计算得到测量空间坐标系Oc与操作空间坐标系Or之间的奇次变换矩阵：
Figure FDA0000140286380000019
S04、控制器根据所得到的位姿矩阵
Figure FDA00001402863800000110
以及奇次变换矩阵
Figure FDA00001402863800000111
计算得到各定位支架坐标系Ow1，...，Own分别在操作空间坐标系Or下的位姿矩阵：
Figure FDA00001402863800000112
i＝1，...，n；所得到的
Figure FDA00001402863800000113
分别为各末端执行器坐标系Ot1、...、Otn分别在操作空间坐标系Or下的目标位姿；
S05、控制器根据所得到的
Figure FDA0000140286380000021
采用机器人逆运动学原理计算并得到相应操作臂的各关节变量初始值，同样地，控制器根据
Figure FDA0000140286380000022
计算得到相应操作臂的各关节变量目标值；控制器计算每个操作臂的关节变量初始值和目标值的差值，并将所得到的差值作为每个操作臂的关节运动量；
S06、控制器根据步骤S05所得到的关节运动量，控制n臂机器人的各末端执行器，使得每个末端执行器运动到相应的目标位姿，最终每个末端执行器夹持到相应的工件。
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