CN106595474A - 一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，对于具有协作关系的两台机器人，使用具有高精度的激光跟踪仪测量系统，分别确定每台机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵，通过坐标变换的方法，实现两机器人基座标系之间相对位姿关系的确定。本发明的标定方法操作简单，标定过程对机器人操作要求低，标定方法计算过程不涉及机器人内部编码器读数和关节角数值，避免了人为操作误差和机器人本身误差带来的标定精度影响，同时利用激光跟踪仪设备测量精度高的优点，标定结果精度高。本发明的标定方法操作简单，显著缩短了时间，提高了标定效率。

Description

一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法

技术领域

本发明涉及机器人协作搬运、焊接、装配等工业机器人先进制造领域，具体来说，涉及一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，特别是针对垂直关节型协作机器人。

背景技术

机器人是工业自动化生产中的重要设备，目前已在焊接、搬运、喷涂等领域得到广泛的应用。随着应用领域的扩大，机器人将会执行更多更复杂的任务。对于诸如搬运大型物体、加工复杂轨迹的工件、需要运动较大的工作范围的任务中，单个工业机器人已经不能很好的满足生产要求，两台机器人或多台机器人协调配合能解决上述问题，因此多机器人尤其是双机器人协作系统将成为未来机器人应用的发展趋势。对于协调作业的两个机器人，需要确认它们之间的基座标系相对位姿关系才能进行协作作业规划。

现有的双机器人基座标系标定方法主要分为两种：接触式标定和非接触式标定。接触式标定是通过示教使机器人执行器末端满足一定的相互约束关系，利用两机器人形成的封闭运动链对基座标系相对位姿关系求解，已经提出的方法有手握手标定、轴孔标定、标定板接触标定等。接触式标定对操作人员示教要求高，标定结果受人为误差影响，示教过程繁琐耗时，标定效率不高。非接触式标定是借助外部设备如激光跟踪仪、CCD相机、电子经纬仪等，这类标定方法往往需要复杂的辅助测量系统，标定前准备工作繁琐，例如使用CCD相机标定时需要事先对相机位置进行标定，标定结果计算过程中需要使用机器人控制器读数，机器人本身参数误差会对结果带来影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法。对于具有协作关系的两台机器人，分别确定每台机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵，通过坐标变换的方法，实现两机器人基座标系之间相对位姿关系的确定。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，采用具有(高精度的)激光跟踪仪测量系统，对于具有协作关系的两台机器人，分别确定每台机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵，通过坐标变换的方法，实现两机器人基座标系之间相对位姿关系的确定。

每台机器人根据其自身结构特性，利用机器人单轴旋转运动建立机器人基座标系，包含以下步骤：

步骤一，将带磁力的靶球座吸附于机器人末端法兰盘上，将激光跟踪仪的反光靶球放在靶球座上，确保标定过程中反光靶球位置固定不动；将激光跟踪仪架设于双机器人旁(附近)，确保机器人的运动范围均在激光跟踪仪的可测范围内，同时确保在机器人工作空间内激光跟踪仪与固定于机器人末端法兰盘上的反光靶球间无障碍物阻挡激光；

步骤二，使机器人处于零点位置，控制机器人第一轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一个预定角度记录反光靶球球心坐标，共记录n个点，得到点组P1＝(x_P1i,y_P1i,z_P1i)(i＝1,2...n)，转动结束后将机器人回归零点；

步骤三，控制机器人第二轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一个预定角度记录靶球球心坐标，共记录n个点，得到点组P2＝(x_P2i,y_P2i,z_P2i)(i＝1,2...n)；

步骤四，求解机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系的位姿阵；

步骤五，对第二台机器人重复步骤一至步骤四，得到机器人2基座标系在激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵T2；根据坐标转换求得两机器人之间的相对位姿关系T12。

所述步骤二和步骤三中的单轴旋转运动，取样本点时运动范围在机器人关节运动范围内(尽量大或者最大)，旋转方向一致。

所述步骤四中的算法为：

1)确定机器人基座标系Z轴；对点组P1进行圆拟合得到圆C1，圆心坐标D1，及拟合圆轴线L1；取L1单位方向向量，方向指向机器人本体部分，即为机器人基座标系中的Z轴；

2)确定机器人基座标系X轴和原点；对点组P2进行圆拟合得到圆C2，圆心坐标D2，及拟合圆轴线L2；根据轴线方程L1和L2，可求得公垂线L3，取L3单位方向向量，方向指向机器人工作空间中心，即为机器人基座标系中的X轴；求解L3与L1的交点坐标O，O即为机器人基座标系原点；

3)确定机器人基座标系Y轴；根据右手定则，由Z轴和X轴叉乘得到机器人基座标系Y轴；至此，可以机器人基座标系在激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵T1。

所述步骤五中，两机器人基座标系转换关系为：T12＝T1^-1·T2，至此完成双机器人基座标系标定。

所述1)确定机器人基座标系Z轴具体如下：

对点组P1进行圆拟合得到圆C1方程：(x-x₁)²+(y-y₁)²+(z-z₁)²＝r₁ ²，圆心坐标D1＝(x₁,y₁,z₁)^T，及拟合圆轴线L1方程：取L1单位方向向量Z1方向指向机器人本体部分，Z1即为机器人基座标系中的Z轴。

所述2)确定机器人基座标系X轴和原点具体如下：

对点组P2进行圆拟合得到圆C2方程：(x-x₂)²+(y-y₂)²+(z-z₂)²＝r₂ ²，圆心坐标D2＝(x₂,y₂,z₂)^T，及拟合圆轴线L2方程：根据轴线方程L1和L2，可求得公垂线L3方程为：取L3单位方向向量：

X1方向指向机器人工作空间中心，X1即为机器人基座标系中的X轴；求解L3与L1的交点O交点坐标O＝(O_x,O_y,O_z)＝(x₁+l₁t₁,y₁+m₁t₁,z₁+n₁t₁)，O即为机器人基座标系原点，其中A＝m₁n₂-m₂n₁，B＝n₁l₂-n₂l₁，C＝l₁m₂-l₂m₁，

所述3)确定机器人基座标系Y轴具体如下：

根据右手定则，由Z1和X1叉乘得到向量Y1，Y1即为机器人基座标系Y轴；至此，可以机器人基座标系在激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵T1，

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

与现有双机器人基座标系标定技术相比，本发明的技术方案使用简单的激光跟踪仪测量系统，标定操作简单，标定过程对机器人操作要求低，标定方法计算过程不涉及机器人内部编码器读数和关节角数值，避免了人为操作误差和机器人本身误差带来的标定精度影响，同时利用激光跟踪仪设备测量精度高的优点，标定结果精度高。

本发明的标定方法操作简单，显著缩短了时间，提高了标定效率。标定过程若配合使用激光跟踪仪配套的数据处理软件，如Spatial Analyzer，可大大提高标定效率。

附图说明

图1为双机器人基座标系标定系统。

图2为机器人基座标系建立原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

根据国标GB/T16977-1997中关于工业机器人坐标系命名原则，建立机器人基座标系O-XYZ:

原点O：机器人基座标系的原点O由机器人制造厂规定；

Z轴:Z轴正方向垂直于机器人安装面，从原点指向机器人本体部分；

X轴：X轴正方向垂直于Z轴，从原点指向机器人的工作空间中心点；

Y轴：Y轴正方向由X轴正方向和Z轴正方向按右手定则确定。

本发明根据垂直关节型机器人自身结构特性，利用机器人单轴旋转运动建立机器人基座标系。对于具有协作关系的两台机器人，分别确定每台机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵，通过坐标变换的方法，实现两机器人基座标系之间相对位姿关系的确定。

实施例1

如图1所示，将激光跟踪仪架设于双机器人附近，将带磁力的靶球座吸附于机器人末端法兰盘上，激光跟踪仪的靶球放在靶球座上，确保标定过程中靶球位置固定不动。

控制机器人使其处于零点位置。控制机器人第一轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一定的角度记录靶球球心坐标，共记录n个点，得到点组P1＝(x_P1i,y_P1i,z_P1i)(i＝1,2...n)，转动结束后将机器人回归零点。

控制机器人第二轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一定的角度记录靶球球心坐标，共记录n个点，得到点组P2＝(x_P2i,y_P2i,z_P2i)(i＝1,2...n)。

根据点组P1和P2建立机器人基座标系，如图2所示，求解机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系的位姿矩阵：

1)确定机器人基座标系Z轴。对点组P1进行圆拟合得到圆C1方程：(x-x₁)²+(y-y₁)²+(z-z₁)²＝r₁ ²，圆心坐标D1＝(x₁,y₁,z₁)^T，及拟合圆轴线L1方程：取L1单位方向向量Z1方向指向机器人本体部分，Z1即为机器人基座标系中的Z轴。

2)确定机器人基座标系X轴和原点。对点组P2进行圆拟合得到圆C2方程：(x-x₂)²+(y-y₂)²+(z-z₂)²＝r₂ ²，圆心坐标D2＝(x₂,y₂,z₂)^T，及拟合圆轴线L2方程：根据轴线方程L1和L2，可以求得公垂线L3方程为：取L3单位方向向量：

X1方向指向机器人工作空间中心，X1即为机器人基座标系中的X轴；求解L3与L1的交点O交点坐标O＝(O_x,O_y,O_z)＝(x₁+l₁t₁,y₁+m₁t₁,z₁+n₁t₁)，O即为机器人基座标系原点，其中A＝m₁n₂-m₂n₁，B＝n₁l₂-n₂l₁，C＝l₁m₂-l₂m₁，

3)确定机器人基座标系Y轴。根据右手定则，由Z1和X1叉乘得到向量Y1，Y1即为机器人基座标系Y轴。至此，可以机器人基座标系在激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵T1，

用同样的步骤确定另一台机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵T2。根据坐标转换求得两机器人之间的相对位姿关系T12，T12＝T1^-1·T2。至此，完成双机器人基座标系标定。

实施例2

利用激光跟踪仪和配套数据处理软件Spatial Analyzer，实现快速标定，使标定效率大大提高。

如图1所示，将激光跟踪仪架设于双机器人附近，将带磁力的靶球座吸附于机器人末端法兰盘上，激光跟踪仪的靶球放在靶球座上，确保标定过程中靶球位置固定不动。

控制机器人使其处于零点位置。控制机器人第一轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一定的角度在Spatial Analyzer中记录靶球球心坐标，共记录n个点，得到点组P1＝(x_P1i,y_P1i,z_P1i)(i＝1,2...n)，转动结束后将机器人回归零点。

控制机器人第二轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一定的角度在Spatial Analyzer中记录靶球球心坐标，共记录n个点，得到点组P2＝(x_P2i,y_P2i,z_P2i)(i＝1,2...n)。

在Spatial Analyzer中用圆拟合命令，对点组P1和P2进行圆拟合，得到圆C1和C2。通过创建直线命令创建C1和C2的轴线L1和L2，通过创建直线命令创建L1和L2的公垂线L3，通过创建点命令创建L1和L3的交点O。通过创建坐标系命令，选择O为原点，L1方向为Z轴，正方向由O指向机器人本体，选择L3方向为X轴，正方向由O指向机器人工作空间中心，创建机器人基座标系。

用同样的步骤创建另一台机器人的基座标系，在Spatial Analyzer中将其中机器人1基座标系选为工作坐标系，即可得到机器人2基座标系在机器人1基座标系下的齐次变换矩阵，至此完成双机器人基座标系相对位姿关系标定。

综上所述，本发明在标定过程中仅需要激光跟踪仪设备，标定过程中样本数据的获取不依赖人为操作精度和机器人内部传感器，只需得到靶球在激光跟踪仪下的位置信息即可得到双机器人基座标系相对位姿关系。标定过程操作简单，缩短了标定时间，配合激光跟踪仪配套的数据处理软件使用时更是显著提高了标定效率。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于采用具有激光跟踪仪测量系统，对于具有协作关系的两台机器人，分别确定每台机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵，通过坐标变换的方法，实现两机器人基座标系之间相对位姿关系的确定。

2.根据权利要求1所述基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于每台机器人根据其自身结构特性，利用机器人单轴旋转运动建立机器人基座标系，包含以下步骤：

步骤一，将带磁力的靶球座吸附于机器人末端法兰盘上，将激光跟踪仪的反光靶球放在靶球座上，确保标定过程中反光靶球位置固定不动；将激光跟踪仪架设于双机器人旁，确保机器人的运动范围均在激光跟踪仪的可测范围内，同时确保在机器人工作空间内激光跟踪仪与固定于机器人末端法兰盘上的反光靶球间无障碍物阻挡激光；

步骤二，使机器人处于零点位置，控制机器人第一轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一个预定角度记录反光靶球球心坐标，共记录n个点，得到点组转动结束后将机器人回归零点；

步骤三，控制机器人第二轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一个预定角度记录靶球球心坐标，共记录n个点，得到点组

步骤四，求解机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系的位姿阵；

步骤五，对第二台机器人重复步骤一至步骤四，得到机器人2基座标系在激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵T2；根据坐标转换求得两机器人之间的相对位姿关系T12。

3.根据权利要求2所述基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于，所述步骤二和步骤三中的单轴旋转运动，取样本点时运动范围在机器人关节运动范围内，旋转方向一致。

4.根据权利要求2所述基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于，所述步骤四中的算法为：

1)确定机器人基座标系Z轴；对点组P1进行圆拟合得到圆C1，圆心坐标D1，及拟合圆轴线L1；取L1单位方向向量，方向指向机器人本体部分，即为机器人基座标系中的Z轴；

2)确定机器人基座标系X轴和原点；对点组P2进行圆拟合得到圆C2，圆心坐标D2，及拟合圆轴线L2；根据轴线方程L1和L2，可求得公垂线L3，取L3单位方向向量，方向指向机器人工作空间中心，即为机器人基座标系中的X轴；求解L3与L1的交点坐标O，O即为机器人基座标系原点；

3)确定机器人基座标系Y轴；根据右手定则，由X轴和Y轴叉乘得到机器人基座标系Y轴；至此，可以机器人基座标系在激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵T1。

5.根据权利要求2所述基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于，所述步骤五中，两机器人基座标系转换关系为：T12＝T1^-1·T2，至此完成双机器人基座标系标定。

6.根据权利要求4所述基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于，所述1)确定机器人基座标系Z轴具体如下：

对点组P1进行圆拟合得到圆C1方程：(x-x₁)²+(y-y₁)²+(z-z₁)²＝r₁ ²，圆心坐标D1＝(x₁,y₁,z₁)^T，及拟合圆轴线L1方程：取L1单位方向向量Z1方向指向机器人本体部分，Z1即为机器人基座标系中的Z轴。

7.根据权利要求4所述基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于，所述2)确定机器人基座标系X轴和原点具体如下：

对点组P2进行圆拟合得到圆C2方程：(x-x₂)²+(y-y₂)²+(z-z₂)²＝r₂ ²，圆心坐标D2＝(x₂,y₂,z₂)^T，及拟合圆轴线L2方程：根据轴线方程L1和L2，可求得公垂线L3方程为：取L3单位方向向量：

$X1={(x_x,x_y,x_z)}^T={(\frac{A}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}},\frac{B}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}},\frac{C}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}})}^T,$

X1方向指向机器人工作空间中心，X1即为机器人基座标系中的X轴；求解L3与L1的交点O交点坐标O＝(O_x,O_y,O_z)＝(x₁+l₁t₁,y₁+m₁t₁,z₁+n₁t₁)，O即为机器人基座标系原点，其中A＝m₁n₂-m₂n₁，B＝n₁l₂-n₂l₁，C＝l₁m₂-l₂m₁，

8.根据权利要求4所述基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于，所述3)确定机器人基座标系Y轴具体如下：

根据右手定则，由Z1和X1叉乘得到向量Y1，Y1即为机器人基座标系Y轴；至此，可以机器人基座标系在激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵T1，