CN107443377B - 传感器-机器人坐标系转换方法及机器人手眼标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于机器人视觉标定技术领域，提供了一种传感器‑机器人坐标系转换方法及机器人手眼标定法，该坐标系转换方法包括如下步骤：S1、末端执行器绕机器人基坐标系的x轴、y轴及z轴旋转，基于旋转矩阵计算P_o、P_s、P_c及α计算对应的位姿矩阵PR_o、PR_s、PR_c及PR_α；S2、基于位姿矩阵PR_o、PR_s、PR_c及PR_α，计算从传感器坐标系转换到机器人坐标系的变换矩阵PR_w，其中PR_w的计算公式为：PR_w＝(PR_s·PR_α·PR_c)^‑1·PR_o，机器人运动是基于机器人基坐标系的，而激光线扫描传感器获取图片的位姿信息是相对于传感器坐标系的，为了保证机器人能准确无误地移动到激光线扫描传感器识别到的工件位姿，需要求出传感器坐标系与机器人坐标系之间的转换关系，即从传感器坐标系到机器人基坐标系的转换矩阵。

Description

传感器-机器人坐标系转换方法及机器人手眼标定方法

技术领域

本发明属于机器人视觉标定技术领域，尤其涉及一种基于传感器-机器人坐标系转换方法及机器人手眼标定方法。

背景技术

随着我国制造业的不断发展，工业机器人已经成为先进制造业中不可或缺的重要装备，机器视觉系统与工业机器人的结合，相当于给机器人装上了眼睛，从此机器人不再只能运动到事先示教好的位置。

具体地，机器人运动是基于自身的坐标系的，而激光线扫描传感器获取图片的位姿信息是基于激光线扫描传感器坐标系(简称传感器坐标系)的，要想机器人准确识别激光线扫描传感器发送来的位姿信息，那么就需要将传感器坐标系向机器人坐标系转化，因此，为了保证机器人准确无误地移动到激光线扫描传感器识别到的工件位姿，需要求出传感器坐标系与机器人坐标系之间的转换关系。

发明内容

本发明实施例提供一种激光线扫描传感器-机器人坐标系转换方法及基于该转换方法的机器人手眼标定方法，旨在提供一种传感器坐标系转化为机器人基坐标系的转换方法，保证机器人准确无误地移动到激光线扫描传感器识别到的工件位姿。

本发明是这样实现的，一种传感器-机器人坐标系转换方法，所述方法包括如下步骤：

S1、末端执行器绕机器人基坐标系的x轴、y轴及z轴旋转，基于旋转矩阵计算P_o、P_s、P_c及α对应的位姿矩阵PR_o、PR_s、PR_c及PR_α；

S2、基于位姿矩阵PR_o、PR_s、PR_c及PR_α，计算从传感器坐标系转换到机器人坐标系的变换矩阵PR_w，其中PR_w的计算公式为：PR_w＝(PR_s·PR_α·PR_c)^-1·PR_o；

P_o为工件中心位置点O的抓取位姿；

P_s为激光线扫描传感器开始扫描时的起始位姿；

P_c为工件中心位置点O在激光线扫描传感器中的位姿；

α为激光线扫描传感器的扫描方向与机器人基坐标系对应轴的夹角。

进一步的，所述抓取位姿P_o是通过手动示教机器人抓取工件中心位置点O获取的。

进一步的，所述相对位姿P_c是基于激光线扫描传感器在过程中拍摄工件图像获取的。

进一步的，所述步骤S1具体包括如下步骤：

S11、假定末端执行器绕机器人基坐标系的x轴、y轴及z轴作转角为θ的旋转变换，依次获取对应的旋转矩阵Rot(x,θ)、Rot(y,θ)及Rot(z,θ)；

S12、基于旋转矩阵Rot(x,θ)、Rot(y,θ)及Rot(z,θ)，分别计算P_o、P_s、P_c及α对应的位姿矩阵PR_o、PR_s、PR_c及PR_α。

在本发明实施例中，机器人运动是基于机器人基坐标系的，而激光线扫描传感器获取图片的位姿信息是相对于传感器坐标系的，为了保证机器人能准确无误地移动到激光线扫描传感器识别到的工件位姿，需要求出传感器坐标系与机器人坐标系之间的转换关系，即从传感器坐标系到机器人基坐标系的转换矩阵。

一种基于权利要求1至4任一所述传感器-机器人坐标系转换方法的机器人手眼标定方法，所述方法包括如下步骤：

S3、获取激光线扫描传感器扫描范围内任一工件的起始位姿矩阵PR_s′、以及工件中心位置点O在激光线扫描传感器中的位姿矩阵PR_c′；

S4、基于变换矩阵PR_w及位姿矩阵PR_α，计算工件的抓取位姿PR_o′，计算公式如下：PR_o′＝PR_s′·PR_αPR_c′·PR_w。

进一步的，所述起始位姿矩阵PR_s′的获取方法包括如下步骤：

从机器人控制系统中读取的激光线扫描传感器开始扫描时的起始位姿P_s′；

基于起始位姿P_s′及旋转矩阵计算起始位姿矩阵PR_s′。

进一步的，所述位姿矩阵PR_c′的获取方法包括如下步骤：

通过激光线扫描传感器在扫描过程中拍摄的图像，获取工件中心位置O在传感器坐标系中的位姿P_c′；

基于位姿P_c′及旋转矩阵计算位姿矩阵PR_c′。

本发明实施例基于从传感器坐标系到机器人坐标系的转换矩阵来获取任一工件的抓取位姿，保证机器人能准确无误地移动到激光线扫描传感器识别到的工件位姿。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中以6自由度工业机器人和3维图像激光线扫描传感器为例，说明传感器-机器人坐标系的转换方法及基于该坐标系转换的机器人手眼标定方法的实现。

本发明实施例提供的扫描器-机器人坐标系转换方法包括如下步骤：

S1、末端执行器绕机器人基坐标系的x轴、y轴及z轴旋转，基于旋转矩阵计算P_o、P_s、P_c及α对应的位姿矩阵PR_o、PR_s、PR_c及PR_α；

其中，P_o为工件中心位置点O的抓取位姿；P_s为激光线扫描传感器开始扫描时的起始位姿；P_c为工件中心位置点O在激光线扫描传感器中的位姿；α为激光线扫描传感器的扫描方向与机器人基坐标系对应轴的夹角，该夹角α是通过人工进行测定的；

在本发明实施例中，激光线扫描传感器安装于机器人末端法兰盘上，且设置激光线扫描传感器坐标系(简称传感器坐标系)与机器人基坐标系平行，传感器坐标系及机器人基坐标系均符合右手法则，本例中机器人基坐标系都符合右手法则，由于机器人的运动姿态遵循欧拉变换R_zR_yR_z，机器人末端执行器抓取工件中心位置点O时的抓取位姿记为P_o(x₀,y₀,z₀,R_z0,R_y0,R_z0′)，本发明实施例通过手动示教机器人抓取工件的中心位置点O，来获取末端执行器抓取工件时的位姿P_o，P_o称为抓取位姿；

在启动激光线扫描传感器时，从机器人控制系统中读取机器人末端执行器位姿，记为P_s(x_s,y_s,z_s,R_zs,R_ys,R_zs′)，P_s称为起始位姿；

由于激光线扫描传感器姿态遵循RPY变换R_yR_xR_z，工件中心位置点O在传感器坐标系中的位姿记为P_c(x_c,y_c,z_c,R_yc,R_xc,R_zc)，本发明实施例是基激光线扫描传感器在扫描过程中拍摄工件图像，来获取工件中心位置点O在激光线扫描传感器中的位姿P_c，P_c称为相对位姿；

在本发明实施例中，步骤S1具体包括如下步骤：

S11、假定末端执行器绕机器人基坐标系的x轴、y轴及z轴作转角为θ的旋转变换，依次获取对应的旋转矩阵Rot(x,θ)、Rot(y,θ)及Rot(z,θ)；

S12、基于旋转矩阵Rot(x,θ)、Rot(y,θ)及Rot(z,θ)，分别计算P_o、P_s、P_c及α对应的位姿矩阵PR_o、PR_s、PR_c及PR_α；

本发明实施例中获取的旋转矩阵Rot(x,θ)、Rot(y,θ)及Rot(z,θ)是假定末端执行器绕机器人基坐标系x轴、y轴及z轴作转角为θ的旋转变换，若执行器绕机器人基坐标系x轴、y轴及z轴作转角为β、θ、及δ的旋转变换，则对应的旋转矩阵为Rot(x,β)、Rot(y,θ)及Rot(z,δ)。

在本发明实施例中，位姿矩阵PR_o、PR_s、PR_c及PR_α的表达式如下所示，为书写方便，上述矩阵中的三角函数sin和cos分别用s和c表示。

S2、基于位姿矩阵PR_o、PR_s、PR_c及PR_α，计算从传感器坐标系转换到机器人坐标系的变换矩阵PR_w，其中PR_w的计算公式为：PR_w＝(PR_s·PR_α·PR_c)^-1·PR_o。

在本发明实施例中，机器人运动是基于机器人基坐标系的，而激光线扫描传感器获取图片的位姿信息是相对于传感器坐标系的，为了保证机器人能准确无误地移动到传感器识别到的工件位姿，需要求出传感器坐标系与机器人坐标系之间的转换关系，即从传感器坐标系到机器人基坐标系的转换矩阵。

在本发明实施例提供的机器人手眼标定方法是基于上述从传感器坐标系到机器人坐标系转换矩阵来实现的，该方法包括如下步骤：

S3、获取激光线扫描传感器扫描范围内任一工件的起始位姿矩阵PR_s′、工件中心位置点O在激光线扫描传感器中的位姿矩阵PR_c′；

本发明实施例中，该起始位姿矩阵PR_s′的获取方法包括如下步骤：

从机器人控制系统中读取的激光线扫描传感器开始扫描时的起始位姿P_s′；

基于起始位姿P_s′及旋转矩阵计算起始位姿矩阵PR_s′；

在本发明实施例中，该位姿矩阵PR_c′的获取方法包括如下步骤：

通过激光线扫描传感器在扫描过程中拍摄的图像，获取工件中心位置O在激光器扫描传感器中的位姿P_c′；

基于位姿P_c′及旋转矩阵计算位姿矩阵PR_c′。

S4、基于变换矩阵PR_w及位姿矩阵PR_α，计算工件的抓取位姿PR_o′，计算公式如下：PR_o′＝PR_s′·PR_α·PR_c′·PR_w。

在本发明实施例中，变换矩阵PR_w及位姿矩阵PR_α在计算从传感器坐标系到机器人坐标系的转换矩阵的过程中已经获取。

本发明实施例基于从传感器坐标系到机器人坐标系的转换矩阵来获取任一工件的抓取位姿，保证机器人能准确无误地移动到激光线扫描传感器识别到的工件位姿。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种传感器-机器人坐标系转换方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、末端执行器绕机器人基坐标系的x轴、y轴及z轴旋转，基于旋转矩阵计算P_o、P_s、P_c及α对应的位姿矩阵PR_o、PR_s、PR_c及PR_α；

S2、基于位姿矩阵PR_o、PR_s、PR_c及PR_α，计算从激光线扫描传感器坐标系转换到机器人坐标系的变换矩阵PR_w，其中PR_w的计算公式为：PR_w＝(PR_s·PR_α·PR_c)^-1·PRo；

P_o为工件中心位置点O的抓取位姿；

P_s为激光线扫描传感器开始扫描时的起始位姿；

P_c为工件中心位置点O在激光线扫描传感器中的位姿；

α为激光线扫描传感器的扫描方向与机器人基坐标系对应轴的夹角。

2.如权利要求1所述的传感器-机器人坐标系转换方法，其特征在于，所述位姿P_o是通过手动示教机器人抓取工件中心位置点O来获取。

3.如权利要求1所述的传感器-机器人坐标系转换方法，其特征在于，所述位姿P_c是基于激光线扫描传感器在扫描过程中拍摄工件图像来获取。

4.如权利要求1所述的传感器-机器人坐标系转换方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：

S11、假定末端执行器绕机器人基坐标系的x轴、y轴及z轴作转角为θ的旋转变换，依次获取对应的旋转矩阵Rot(x,θ)、Rot(y,θ)及Rot(z,θ)；

S12、基于旋转矩阵Rot(x,θ)、Rot(y,θ)及Rot(z,θ)，分别计算P_o、P_s、P_c及α对应的位姿矩阵PR_o、PR_s、PR_c及PR_α。

5.一种基于权利要求1至4任一所述传感器-机器人坐标系转换方法的机器人手眼标定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S3、获取激光线扫描传感器扫描范围内任一工件的起始位姿矩阵PR_s′、以及工件中心位置点O在激光线扫描传感器中的位姿矩阵PR_c′；

S4、基于变换矩阵PR_w及位姿矩阵PR_α，计算工件的抓取位姿PR_o′，计算公式如下：PR_o′＝PR_s′·PR_α·PR_c′·PR_w。

6.如权利要求5所述的机器人手眼标定方法，其特征在于，所述起始位姿矩阵PR_s′的获取方法包括如下步骤：

从机器人控制系统中读取的激光线扫描传感器开始扫描时的起始位姿P_s′；

基于起始位姿P_s′及旋转矩阵计算起始位姿矩阵PR_s′。

7.如权利要求5所述的机器人手眼标定方法，其特征在于，所述位姿矩阵PR_c′的获取方法包括如下步骤：

通过激光线扫描传感器在扫描过程中拍摄的图像，获取工件中心位置O在激光线扫描传感器中的位姿P_c′；

基于位姿P_c′及旋转矩阵计算位姿矩阵PR_c′。