CN104457645B - 一种利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法，标定时控制机器人以不同姿态使TCP与标定工具的测量区域接触三次以上，接触时记录机器人关节坐标信息，并利用标定工具的二维位置测量功能输出接触点在测量平面上的二维坐标；根据测量所得的机器人关节转角信息及接触点在平板上的坐标数据，结合机器人的结构参数，计算TCP在机器人末端工具坐标系中的坐标，并评估标定精度。该标定方法不需要机器人TCP点多次与同一固定点重合，将点‑点重合要求弱化为了点‑面重合，易于操作。当机器人TCP出现较小偏移时，还可实现自主标定。

Description

一种利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法
技术领域
本发明涉及机器人工具中心点标定方法，尤其涉及一种利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法。
背景技术
工业机器人为完成一定的任务需要在末端安装各种不同的工具，如焊枪、喷枪、抓手等。工具的形状、大小各不相同，在更换工具或者调整工具之后，工作的实际工作点相对于机器人均会发生变化。如果采用固定的世界坐标系进行编程，则每次调整工具之后需重新编程，工作效率低。
更为方便的方法是在机器人工具上建立一个工具坐标系，其原点即为工具中心点(Tool center point,TCP)。机器人在此坐标系内进行编程，当工具调整后，只需重新标定工作坐标系的位姿，而不需要重新编程便可重新投入使用。
TCP标定的核心是要确定TCP在机器人末端坐标系中的坐标。目前普遍采用的方法是“4点法”，即让机器人通过四个不同方位去使机器人TCP与一空间固定点重合，然后利用机器人关节转角及机器人结构信息去解算TCP坐标。这种方法的难点在于实现点与点的重合必须由人工操作完成，且需要精细的调整。如对准不准确，很容易出现误差过大。所以TCP标定非常耗时耗力，影响机器人的工作效率。
发明内容
本发明提出了一种利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法，其的目在于克服现有技术中标定操作复杂，精度不高的问题，通过利用带二维位置测量功能的平板形工具，来辅助机器人TCP标定工作，降低标定过程中对准的难度，提高标定效率，易于实现标定自动化。
一种利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法，首先控制机器人以不同的姿态使得机器人工具中心点与二维测量功能平板接触，形成触点，记录触点在二维测量功能平板上的二维坐标、发生接触时机器人各关节的转角以及触点在机器人世界坐标系中的坐标；
其中，触点在机器人世界坐标系中的坐标即机器人工具中心点在机器人世界坐标系中的坐标，是由机器人各关节的转角、机器人自身结构以机器人世界坐标系原点计算获得；
其次，利用长度是坐标变换不变量为约束条件，任选两个机器人工具中心点在世界坐标系中的坐标形成的向量与对应点在二维测量功能平板上的向量长度相等，以及机器人工具中心点在机器人世界坐标系与机器人工具末端坐标系之间的转换关系，任选三个向量建立方程组，求解获得机器人工具中心点在机器人工具末端坐标系中的坐标6Ptcp＝{6xtcp，6ytcp，6ztcp}T，完成标定；
其中，所述触点个数至少为3个。
机器人以不同的姿态使得机器人工具中心点与二维测量功能平板发生接触，形成不同的触点。
所述二维测量功能平板能够测量触点的二维坐标，固定于机器人工具中心点能够接触到的任意位置，在与机器人工具中心点每次接触时，位置均不发生变化。
所述机器人工具中心点在机器人世界坐标系{F0}中的坐标0Ptcp与机器人工具末端坐标系{F6}中的坐标6Ptcp之间的关系如下：
其中，0O6是机器人工具末端坐标系{F6}中的原点在机器人世界坐标系{F0}中的坐标，θ为机器人各关节的转角，θ＝{θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6}T，是从机器人工具末端坐标系{F6}到机器人世界坐标系{F0}的旋转矩阵，为3×3正交矩阵，由机器人各关节转角及机器人结构参数确定。
所述任选两个机器人工具中心点在机器人世界坐标系中的坐标形成的向量与对应点在二维测量功能平板上的向量长度相等，是指任选两个触点Ptcp m和Ptcp n在机器人世界坐标系中的向量为在二维测量功能平板二维坐标系中的向量为0Ptcp n 0Ptcp m＝(am-an,bm-bn)；
利用向量长度相等获得等式方程如下：
其中，0Ptcp n和0Ptcp m分别为触点Ptcp m和Ptcp n在机器人世界坐标系{F0}中的坐标；0O6 m和0O6 n分别为触点Ptcp m和Ptcp n对应的机器人工具末端坐标系{F6}中的原点在机器人世界坐标系{F0}中的坐标；和分别是触点Ptcp m和Ptcp n对应的从机器人工具末端坐标系{F6}到机器人世界坐标系{F0}的旋转矩阵；(am,bm)和(an,bn)分别表示触点Ptcp m和Ptcp n在二维测量功能平板二维坐标系中的二维坐标。
利用标定得到的机器人工具中心点在机器人工具末端坐标系中的坐标6Ptcp＝{6xtcp，6ytcp，6ztcp}T和标定过程中机器人工具中心点与二维测量功能平板产生触点时对应的机器人各关节转角，按照公式计算每个触点在机器人世界坐标系中的标定坐标采用最小二乘法拟合获取拟合平面，利用多个触点到所述拟合平面的平均距离作为标定结果的判断依据，若平均距离小于设定阈值，则标明当前标定结果符合精度要求，否则，需要重新测量新的触点坐标，重新进行标定，直到标定结果满足标定精度要求。
在机器人工具上设置接触传感器。
所述二维测量功能平板为电阻屏。
在机器人工具上设置接触传感器或选用电阻屏的二维测量功能平板，使得在机器人工具中心点与二维测量功能平板上发生接触时，自动检测接触信号，实现标定过程的自动控制。
有益效果
本发明提供了一种利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法，首先控制机器人以不同的姿态使得机器人工具中心点与二维测量功能平板接触，形成触点，记录触点在二维测量功能平板上的二维坐标、发生接触时机器人各关节的转角以及触点在机器人世界坐标系中的坐标；其次，利用长度是坐标变换不变量为约束条件，任选两个机器人工具中心点在世界坐标系中的坐标形成的向量与对应点在二维测量功能平板上的向量长度相等，以及机器人工具中心点在机器人世界坐标系与机器人工具末端坐标系之间的转换关系，任选三个或三个以上的向量建立方程组，求解获得机器人工具中心点在机器人工具末端坐标系中的标定坐标；该方法通过利用一种带二维位置测量功能平板工具，实现机器人TCP的标定，避免了在肉眼观察、人工控制条件下难以精确实现的点-点重合过程，不需要机器人TCP点多次与同一空间固定点重合，将点-点重合要求弱化为了点-面重合，易于操作。当机器人TCP出现较小偏移时，机器人一般还能够按照预定的程序确保TCP点与平板工具重合，从而实现自主标定。整个方法操作简单，构思巧妙，标定精度高，具有较好的推广作用。结合接触传感器或者电阻屏，实现接触过程的自动控制，无需人工干预，实现了高度自动化的标定。
附图说明
图1为本实例中所述方法所使用的机器人与二维测量功能平板结构示意图；
标号说明：1-固定的机器人底座，2-6自由度机器人，3-焊枪，4-用作标定工具电阻触摸屏，5-计算机，6-机器人控制器。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，为本发明实施例所使用的机器人与二维测量功能平板结构示意图，包括固定的机器人底座1，6自由度机器人2，焊枪3，用作标定工具电阻触摸屏4。
{F0}为以机器人底座所在空间建立的机器人世界坐标系，{F6}为以机器人末端法兰所在空间的机器人工具末端坐标系，利用计算机5采集电阻屏信号，判断电阻屏是否被触碰，以及触碰点在屏上的坐标。计算机通过网络与机器人控制器6相连，当电阻屏出现触碰信号后，可向机器人发停止运动信号，计算机还可以从机器人控制器中读取机器人转角关节信息。
Ptcp设为TCP的目标设定点，标定工作的核心即为求出该点在{F6}中的坐标6Ptcp＝{6xtcp，6ytcp，6ztcp}T。该点在机器人世界坐标系{F0}的坐标为0Ptcp＝{0xtcp，0ytcp，0ztcp}T。
一种利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法，将电阻屏放置于机器人工作空间内，控制机器人工具上的Ptcp点向电阻屏有效感应范围内运动。电阻屏感知到触碰后，机器人停止运动。
首先控制机器人以不同的姿态使得机器人工具中心点与二维测量功能平板接触，形成触点，记录触点在二维测量功能平板上的二维坐标、发生接触时机器人各关节的转角以及触点在机器人世界坐标系中的坐标；
从机器人控制器读取当前的关节转角为θ1＝{θ1 1,θ2 1,θ3 1,θ4 1,θ5 1,θ6 1}T，并读取电阻屏上触点的位置坐标(a1,b1)；
其中，触点在机器人世界坐标系中的坐标即机器人工具中心点在机器人世界坐标系中的坐标，是由机器人各关节的转角、机器人自身结构以机器人世界坐标系原点计算获得；
控制机器人远离电阻屏，然后让机器人以一个新的姿态向电阻屏运动，电阻屏感知到触碰后，机器人停止运动。从机器人控制器读取当前的关节转角为θ2＝{θ1 2,θ2 2,θ3 2,θ4 2,θ5 2,θ6 2}T，并读取电阻屏上触点的位置坐标(a2,b2)；
再次重复上述一次操作，从机器人控制器读取关节转角θ3＝{θ1 3,θ2 3,θ3 3,θ4 3,θ5 3,θ6 3}T，记录电阻屏上触点的位置坐标(a3,b3)；
其次，利用长度是坐标变换不变量为约束条件，任选两个机器人工具中心点在世界坐标系中的坐标形成的向量与对应点在二维测量功能平板上的向量长度相等，以及机器人工具中心点在机器人世界坐标系与机器人工具末端坐标系之间的转换关系，任选三个向量建立方程组，求解获得机器人工具中心点在机器人工具末端坐标系中的坐标6Ptcp＝{6xtcp，6ytcp，6ztcp}T，完成标定；
其中，所述触点个数至少为3个。
机器人以不同的姿态使得机器人工具中心点与二维测量功能平板发生接触，形成不同的触点。
所述二维测量功能平板能够测量触点的二维坐标，固定于机器人工具中心点能够接触到的任意位置，在与机器人工具中心点每次接触时，位置均不发生变化。
所述机器人工具中心点在机器人世界坐标系{F0}中的坐标0Ptcp与机器人工具末端坐标系{F6}中的坐标6Ptcp之间的关系如下：
其中，0O6是机器人工具末端坐标系{F6}中的原点在机器人世界坐标系{F0}中的坐标，θ为机器人各关节的转角，θ＝{θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6}T，6 0R(θ)是从机器人工具末端坐标系{F6}到机器人世界坐标系{F0}的旋转矩阵，为3×3正交矩阵，由机器人各关节转角及机器人结构参数确定。
所述任选两个机器人工具中心点在机器人世界坐标系中的坐标形成的向量与对应点在二维测量功能平板上的向量长度相等，是指任选两个触点Ptcp m和Ptcp n在机器人世界坐标系中的向量为在二维测量功能平板二维坐标系中的向量为0Ptcp n 0Ptcp m＝(am-an,bm-bn)；
利用向量长度相等获得等式方程如下：
其中，0Ptcp n和0Ptcp m分别为触点Ptcp m和Ptcp n在机器人世界坐标系{F0}中的坐标；0O6 m和0O6 n分别为触点Ptcp m和Ptcp n对应的机器人工具末端坐标系{F6}中的原点在机器人世界坐标系{F0}中的坐标；和分别是触点Ptcp m和Ptcp n对应的从机器人工具末端坐标系{F6}到机器人世界坐标系{F0}的旋转矩阵；(am,bm)和(an,bn)分别表示触点Ptcp m和Ptcp n在二维测量功能平板二维坐标系中的二维坐标。
在本实例中，第一次测量点及第二次测点构成的向量为0Ptcp 1 0Ptcp 2，第一次测量点及第二次测点构成的向量为0Ptcp 2 0Ptcp 3，第三次测量点及第一次测点构成的向量为0Ptcp 3 0Ptcp 1。
可得到如下方程：
三个向量在机器人世界坐标系中可表示为：
三个向量在电阻屏测量平面二维坐标系内有：
0Ptcp 1 0Ptcp 2＝(a2-a1,b2-b1)
0Ptcp 2 0Ptcp 3＝(a3-a2,b3-b2) (2)
0Ptcp 3 0Ptcp 1＝(a1-a3,b1-b3)
由于向量长度为坐标变换不变量，联立公式(1)、(2)得出：
上述方程组中，具有3个独立方程，且仅含6Ptcp＝{6xtcp，6ytcp，6ztcp}T3个未知量，因此可解出待标定数据。
利用求得的6Ptcp及产生接触时机器人各关节转角，根据公式推算TCP在与电阻屏接触时3个触点在机器人世界坐标系下的标定坐标。利用推算的3个触点标定坐标值，采用最小二乘法拟合一个平面，计算经推算获得的3个触点到所拟合平面距离的平均值，并将其作为评价标定效果的指标，如果小于5mm，则认为标定结果满足要求，标定过程结束。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，本领域的技术人员可对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法，其特征在于，首先控制机器人以不同的姿态使得机器人工具中心点与二维测量功能平板接触，形成触点，记录触点在二维测量功能平板上的二维坐标、发生接触时机器人各关节的转角以及触点在机器人世界坐标系中的坐标；
其中，触点在机器人世界坐标系中的坐标即机器人工具中心点在机器人世界坐标系中的坐标，是由机器人各关节的转角、机器人自身结构以机器人世界坐标系原点计算获得；
其次，利用长度是坐标变换不变量为约束条件，任选两个机器人工具中心点在世界坐标系中的坐标形成的向量与对应点在二维测量功能平板上的向量长度相等，以及机器人工具中心点在机器人世界坐标系与机器人工具末端坐标系之间的转换关系，任选三个向量建立方程组，求解获得机器人工具中心点在机器人工具末端坐标系中的坐标6Ptcp＝{6xtcp，6ytcp，6ztcp}T，完成标定；
其中，所述触点个数至少为3个。
2.根据权利要求1所述的利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法，其特征在于，所述机器人工具中心点在机器人世界坐标系{F0}中的坐标0Ptcp与机器人工具末端坐标系{F6}中的坐标6Ptcp之间的关系如下：
其中，0O6是机器人工具末端坐标系{F6}中的原点在机器人世界坐标系{F0}中的坐标，θ为机器人各关节的转角，θ＝{θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6}T，是从机器人工具末端坐标系{F6}到机器人世界坐标系{F0}的旋转矩阵，为3×3正交矩阵，由机器人各关节转角及机器人结构参数确定。
3.根据权利要求2所述的利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法，其特征在于，所述任选两个机器人工具中心点在机器人世界坐标系中的坐标形成的向量与对应点在二维测量功能平板上的向量长度相等，是指任选两个触点Ptcp m和Ptcp n在机器人世界坐标系中的向量为tcpmtcpn0tcpn0tcpmmnmn在二维测量功能平板二维坐标系中的向量为0Ptcp n 0Ptcp m＝(am-an,bm-bn)；
利用向量长度相等获得等式方程如下：
其中，0Ptcp n和0Ptcp m分别为触点Ptcp m和Ptcp n在机器人世界坐标系{F0}中的坐标；0O6 m和0O6 n分别为触点Ptcp m和Ptcp n对应的机器人工具末端坐标系{F6}中的原点在机器人世界坐标系{F0}中的坐标；和分别是触点Ptcp m和Ptcp n对应的从机器人工具末端坐标系{F6}到机器人世界坐标系{F0}的旋转矩阵；(am,bm)和(an,bn)分别表示触点Ptcp m和Ptcp n在二维测量功能平板二维坐标系中的二维坐标。
4.根据权利要求3所述的利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法，其特征在于，利用标定得到的机器人工具中心点在机器人工具末端坐标系中的坐标6Ptcp＝{6xtcp，6ytcp，6ztcp}T和标定过程中机器人工具中心点与二维测量功能平板产生触点时对应的机器人各关节转角，按照公式计算每个触点在机器人世界坐标系中的标定坐标采用最小二乘法拟合获取拟合平面，利用多个触点到所述拟合平面的平均距离作为标定结果的判断依据，若平均距离小于设定阈值，则标明当前标定结果符合精度要求，否则，需要重新测量新的触点坐标，重新进行标定，直到标定结果满足标定精度要求。
5.根据权利要求1-4任一项所述的利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法，其特征在于，在机器人工具上设置接触传感器。
6.根据权利要求1-4任一项所述的利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法，其特征在于，所述二维测量功能平板为电阻屏。
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GR01 Patent grant
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