CN104858870A - 基于末端编号靶球的工业机器人测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于末端编号靶球的工业机器人测量方法，具体包括以下步骤：工作空间整体布局，安装固定编号靶球等装置；校准双目CCD摄像头，建立靶球预标定数据库；更新DH运动学模型，得到靶球坐标系的理论位姿；采集编号靶点图像，进行数据处理获取坐标值；将坐标由相机坐标系转换到机器人基坐标系；由捕捉的靶点坐标求解球心位置和靶球坐标系的姿态；实验验证，提高定位精度。此法解决了传统视觉系统定位跟踪视野狭小的问题，有效的提高了机器人动作的定位精度，同时此测量方法具有简单、可靠、高效的优点，也降低了机器人末端位姿测量的成本。

Description

基于末端编号靶球的工业机器人测量方法

技术领域

本发明属于机器人定位测量技术领域，特别是涉及一种工业机器人末端位置姿态的定位测量方法。

背景技术

机器人在工业生产、军事、航天、医疗等领域都有着广泛的应用，其中工业机器人运动的精度直接影响其生产性能和应用范围，如何提高工业机器人定位精度已至关重要。而利用视觉系统，实时反馈机器人末端的精确位置信息，根据位置信息合理调整机器人运动轨迹，已成为研究的一大热点。机器人测量，无论是运动目标跟踪还是定位抓取，获取机器人末端在其基坐标系下的精确位置姿态成为一项关键技术。目前国内外对机器人末端位置姿态的测量主要有以下几种方法：基于激光跟踪仪的视觉测量系统，可用于工业机器人的在线监控与测量，但价格昂贵，作业环境复杂易造成光路遮挡、容易断光等；基于视觉测程法的机器人测量方法，通过对特征点提取与特征点向量描述，建立关联规则的特征点匹配策略，最后用数学方法求解刚体运动方程，能跟踪机器人并绘制实时的运动轨迹，但难以精确建立运动状态模型，特征点识别匹配受工业环境影响，错误匹配严重；基于Indoor GPS的测量补偿系统，包含发射站、接收器、信号处理器和终端计算机等组成部件，通过跟踪安装在需要跟踪部件上的接收器实现目标位姿的测量，但测量精度低，可靠性差，局部组网造价高。

发明内容

为了解决上述问题，针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于末端编号靶球的工业机器人测量方法，可实现机械臂运动到其工作空间范围内任意一点时其末端位置姿态的测量。此测量方法简单实用、可靠性高、成本较低，扩大了固定双目视觉的测量范围，解决了传统视觉系统定位跟踪视野狭小的问题。

本发明的技术方案是：

1.一种基于末端编号靶球的工业机器人测量方法，包括以下步骤：

A、对工作空间整体布局，将编号靶球等装置安装固定；

B、将双目CCD摄像头校准，建立靶球预标定数据库；

C、更新控制软件的机器人DH运动学模型，得到靶球坐标系的理论位置姿态；

D、侦测靶点，采集编号靶点图像，并进行数据处理得出坐标值；

E、将靶点坐标由相机坐标系转换到机器人基坐标系；

F、侦测机器人零位状态下靶点坐标，控制机器人完成指定动作，再次侦测靶点坐标，由捕捉的靶点坐标求解球心位置与姿态；

G、获取实际位姿和理论位姿，补偿控制软件，实验验证，提高定位精度。

2.所述步骤C中，工业机器人六个关节根据DH运动学模型建立坐标系，模型中连杆i-1和连杆i固连坐标系的齐次变换矩阵定义为：

^i-1T_i＝Trans(Z,d_i)Rot(Z,θ_i)Trans(X,a_i)Rot(X,α_i)

其中，a为连杆长度，α连杆扭角，d连杆距离，θ关节角度变量；若机器人的基座坐标系Base与末端法兰坐标系Flange分别与一、六关节坐标系重合，两者之间的总变换为：

$T_F^B=T_2^1{}_1{}^{B}T_3^{2}T_4^{3}TT_F^5{}_5{}^{4}T$

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤E中，需要导入到机器人控制器中的位姿数据是要相对Base坐标系的，靶球Tool与Base之间的转换矩阵可以通过机器人的内部结构参数即所建立DH模型获得，Camera与靶球Tool之间的转换矩阵可以通过相机标定获得，这样空间任意靶点A的坐标可以通过下列坐标系转换公式得到： $P_A^B=T_C^T{}_T{}^{B}T_A^{C}P$

其中：为空间点A在机器人基坐标系下的坐标，为机器人末端靶球位姿，为相机坐标系与靶球坐标系的转换矩阵，为空间点A在相机坐标系下的坐标。

4.所述步骤F中，根据公式(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²＝r²由已知至少四个靶点坐标列出方程组，根据克莱姆法则解出球心实际坐标。以球心为原点，靶球自转轴为z轴，指向球体表面正前方的定位特征孔，x轴指向本初子午线，y轴指向东经90度，并有定位孔，建立坐标系。由所设计的不规则靶点的特殊设置和已知坐标，区分靶点编号，求解坐标系姿态变化，主要由以下公式实现：球坐标与直角坐标转换公式x＝rcosβcosα，y＝rcosβsinα，z＝rsinβ；点P从位置1(x1，y1，z1)到位置i(xi，yi，zi)的运动变换为

$\left(\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right)=R_z^{{\mathrm{\α}}_i}{R}_y^{{\mathrm{\β}}_i}{R}_y^{{\mathrm{\β}}_1}{R}_z^{{\mathrm{\α}}_1}=\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right)=C_{1i}\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right)$

注意：α_i，β_i分别为点P在位置i处经度和纬度，C_1i为点P从位置1运动到位置i的位移矩阵，在求得α_i，β_i后很容易计算得到，而靶点P的位置i由摄像头捕捉的其他靶点位置和已知编号靶点的距离关系求得。

本发明的有益效果是：本发明一种基于末端编号靶球的工业机器人测量方法，将一种表面设置不规则标志点的靶球安装在机器人末端，实现机器人运动到其工作空间范围内任意一点时，精确测量当前末端机械手的位置和姿态，增加了固定双目摄像头的测量范围，解决了传统视觉系统定位跟踪视野狭小的问题，同时此测量方法具有简单、实用、高效、低成本的优点，也可以有效的提高机器人动作的定位精度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1为本发明的基于末端编号靶球的工业机器人测量方法流程图；

图2为本发明的测量方法中涉及转换的各坐标系示意图；

图3为本发明的安装于机器人末端的靶球装置结构示意图；

图4为本发明的靶球表面不规则标志点设置示意图。

具体实施方式

下面结合附图1、2、3、4对本发明的具体实施方式进行详细说明。此处应用的实例并不只适用于本例，适用于各种串联工业机器人的不同应用领域。

参照图1，本发明的基于末端编号靶球的工业机器人测量方法，包括以下步骤：

A、对工作空间整体布局，将编号靶球等装置安装固定；

尽量选取震动强度小、环境污染小的工作环境，根据工业机器人本体的工作空间以及机器人末端的运动轨迹情况，合理规划测量布局以及测量网络，以保证测量精度，将双目CCD摄像头和光源发生器固定在其测量范围内，并将电缆、采集卡等装置连接。将靶球装置与机器人末端法兰盘刚性连接，应保证测量靶球与测量双目相机之间有良好的交会角度。

B、将双目CCD摄像头校准，建立靶球预标定数据库；

设置CCD摄像头与上位机的通讯参数，并将其校准得到相机坐标系的固定值，应将摄像头校准精度保证在合理范围内。然后通过安装与法兰同轴的长度已知的标准工具，使其与末端靶球装置到达空间中同一点，读出其位姿，由差值法完成靶球坐标系的标定，建立靶球预标定数据库，求解出靶球安装后准确的位姿数据模型。

C、由步骤B靶球数据更新控制软件的机器人DH运动学模型，得到靶球坐标系的理论位置姿态；

根据步骤B中建立的预标定数据库，可得末端靶球坐标系(OTXTYTZT)与末端法兰中心坐标系(OEXEYEZE)之间旋转平移矩阵，也就是描述其位姿关系的变换矩阵在上位机的机器人控制软件中根据公式更新原有的DH运动学模型，即可从控制软件中读取机器人运动时，靶球坐标系相对于机器人基坐标系运动的理论位姿态。

D、侦测靶点，采集编号靶点图像，并进行数据处理得出坐标值；

侦测靶点，数据采集卡将采集到的靶点图像传送给上位机，上位机对采集的图像进行质心特征提取、立体匹配等数据处理步骤后，由三角视差原理求出靶点质心坐标，并对靶点编号进行识别。如附图3靶球装置结构示意图所示，以靶球(121)的球心为原点，靶球自转轴为z轴，指向球体表面正前方的定位特征孔(120)，x轴指向本初子午线，y轴指向东经90度，建立坐标系，设计不规则靶点(122)，其设计原则如附图4，经度α和纬度β分别以公差4°的等差数列划分，南北纬、东西经分别关于球心中心对称划分，划分的靶点编号唯一，可计算求出两编号靶点之间的距离，共5*8个靶点，其中15号靶点为(98°E，34°N)，三个定位特征孔(120)的位置分别90°N，(0°，0°)，(0,90°E)。

E、将靶点数据由相机坐标系转换到机器人基坐标系；

将侦测到的各个靶点位置坐标数据和其构成的测量坐标系位置姿态数据由相机坐标系转换到机器人基坐标系：补偿靶球动作误差时，需要导入到机器人控制器的位姿数据是相对于机器人Base坐标系的，靶球坐标系Tool与Base之间的转换矩阵通过机器人的内部结构参数也就是DH模型与正向运动学获得；双目相机坐标系Camera与靶球坐标系Tool之间的转换矩阵可以通过标定获得，这样空间任意靶点A的坐标(或靶点测量模型坐标系的位姿)可以通过下列坐标系转换公式得到。

F、侦测机器人零位状态下靶点坐标，控制机器人完成指定动作，再次侦测靶点坐标，由捕捉的靶点坐标求解球心位置与靶球坐标系的姿态；

将机器人回归到Home点，即机器人零位位置,侦测靶点坐标，应保证至少侦测四个靶点，并计算各靶点组成的测量坐标系的当前位姿，在上位机控制软件中输入目标空间坐标参数，控制机器人完成指定动作，再次侦测当前捕捉到的靶点坐标和其所构成的测量坐标系的当前位置姿态，通过捕捉的靶点坐标根据克莱姆法计算靶球球心的实际位置，由于此时侦测的靶点与初始测量靶点可能不同，此时要借助靶点的布置规则，得出前后所测不同编号靶点之间的固定约束，即已知位置关系，由初始零位状态下测得的那几个编号靶点位置推算出动作后所测的这几个编号靶点在初始零位状态下的位置，将对应编号的靶点动作前后的位置变化解算出来，即可求解出靶球坐标系的实际姿态变化，即位姿数据的旋转变换矩阵。主要由以下公式实现：球坐标与直角坐标转换公式x＝rcosβcosα，y＝rcosβsinα，z＝rsinβ；点P从位置1(x1，y1，z1)到位置i(xi，yi，zi)的运动变换

$\left(\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right)=R_z^{{\mathrm{\α}}_i}{R}_y^{{\mathrm{\β}}_i}{R}_y^{{\mathrm{\β}}_1}{R}_z^{{\mathrm{\α}}_1}=\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right)=C_{1i}\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right)$

其中：α_i，β_i分别为点P在位置i处经度和纬度，C_1i为点P从位置1运动到位置i的位移矩阵，在求得α_i，β_i后很容易计算得到，而靶点P的位置i由摄像头捕捉的其他靶点位置和已知编号靶点的距离关系求得。G、获取实际位姿和理论位姿，补偿控制软件，实验验证，提高定位精度；

读取由步骤F得到的实际位姿与由步骤C得到的理论位姿，评价定位精度，根据实际位置与理论位置的位置姿态偏差逆解求出机器人各个关节变量的偏差值，并补偿到机器人控制软件中，重复步骤F，控制机器人到达目标位姿态，完成指定动作，重新评价机器人的重复定位精度和定位精度并补偿到控制软件，直到满足精度要求。

在本发明实验案例中，采用自主研发的苏州平方六自由度串联工业机器人，靶球直径120mm，靶点直径1mm，靶点个数为5x8，定位特征孔3个，在不影响机器人本体末端额定负重比的前提下，可根据不同实验情况和加工条件，重新设计球体体积，连接轴、盘的体积，加工所提出的靶球装置应满足合理的球体表面精度和表面清洁度范围。靶点设置粘贴规则可根据实验结果调整，可根据不同的实验要求重新设计靶球球体表面上测量靶点的布局，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出各种的等同变形或替换,这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种基于末端编号靶球的工业机器人测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、对工作空间整体布局，将编号靶球等装置安装固定；

B、将双目CCD摄像头校准，借助标准工具求解靶球准确的数据模型；

C、更新控制软件的机器人DH运动学模型，得到靶球坐标系的理论位置姿态；

D、侦测靶点，采集编号靶点图像，并进行数据处理得出坐标值；

E、将靶点坐标由相机坐标系转换到机器人基坐标系；

F、侦测机器人零位状态下靶点坐标，控制机器人完成指定动作，再次侦测靶点坐标，由捕捉的靶点坐标求解球心位置与姿态；

G、实验验证，提高定位精度。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤C中，工业机器人六个关节根据DH运动学模型建立坐标系，模型中连杆i-1和连杆i固连坐标系的齐次变换矩阵定义为：

^i-1T_i＝Trans(Z,d_i)Rot(Z,θ_i)Trans(X,a_i)Rot(X,α_i)

其中，a为连杆长度，α连杆扭角，d连杆距离，θ关节角度变量；若机器人的基座坐标系Base与末端法兰坐标系Flange分别与一、六关节坐标系重合，两者之间的总变换为：

$T=T_1^B_F^{B}T_2^{1}T_3^{2}T_{\text{4}}^{3}T_5^{4}T_F^5$

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤E中，需要导入到机器人控制器中的位姿数据是要相对Base坐标系的，靶球Tool与Base之间的转换矩阵可以通过机器人的内部结构参数即所建立DH模型获得，Camera与靶球Tool之间的转换矩阵可以通过相机标定获得，这样空间任意靶点A的坐标(或靶点测量模型坐标系的位姿)可以通过下列坐标系转换公式得到：

其中：为空间点A在机器人基坐标系下的坐标，为机器人末端靶球位姿，为

相机坐标系与靶球坐标系的转换矩阵，为空间点A(或坐标系A)在相机坐标系下的坐标(或位置姿态)。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤F中，根据公式(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²＝r²由已知至少四个靶点坐标列出方程组，根据克莱姆法则解出球心实际坐标。以球心为原点，靶球自转轴为z轴，指向球体表面正前方的定位特征孔，x轴指向本初子午线，y轴指向东经90度，并有定位孔，建立坐标系。由不规则的靶点设置和已知坐标，区分靶点编号，求解坐标系姿态变化，主要由以下公式实现：球坐标与直角坐标转换公式x＝rcosβcosα，y＝rcosβsinα，z＝rsinβ；点P从位置1(x1，y1，z1)到位置i(xi，yi，zi)的运动变换为

$\left(\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right)=R_z^{{\mathrm{\α}}_i}{R}_y^{{\mathrm{\β}}_i}{R}_y^{{\mathrm{\β}}_1}{R}_z^{{\mathrm{\α}}_1}=\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right)=C_{1i}\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right)$

注意：α_i，β_i分别为点P在位置i处经度和纬度，C_1i为点P从位置1运动到位置i的位移矩阵，在求得α_i，β_i后很容易计算得到，而靶点P的位置i由摄像头捕捉的其他靶点位置和已知编号靶点的距离关系求得。