CN107462154B - 机器人末端工具的位姿测量方法 - Google Patents

机器人末端工具的位姿测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种机器人末端工具的位姿测量方法，包括以下步骤：通过获取法兰和末端工具的三维特征，分别在法兰的中心和末端工具的中心建立第一坐标系和第二坐标系，计算出第二坐标系相对于第一坐标系的位置偏移量，再根据第二坐标系的各个单位向量计算第二坐标系相对于第一坐标系的旋转偏移量，从而得出末端工具相对于法兰的位姿。本发明提供的机器人末端工具的位姿测量方法，通过在末端工具中心和法兰中心分别建立第一坐标系和第二坐标系，并计算得出末端工具相对于法兰的位姿，与人工观察的方法相比，该位姿测量方法的精度及稳定性均较高。

Description

机器人末端工具的位姿测量方法
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，更具体地说，是涉及一种机器人末端工具的位姿测量方法。
背景技术
随着高端制造业的发展，对于工业机器人的加工精度要求越来越高。在使用工业机器人加工相应的产品时，需要在工业机器人的末端夹设焊枪、刀具等加工工具，工具中心点的位姿标定精度直接影响着工业机器人的加工精度，其中,位姿是指工业机器人的末端工具在指定坐标系中的位置和姿态。
在工业机器人更换新的工具或者经过长时间的作业后，工具的中心点会出现一定的偏差，导致机器人的加工精度变低，所以需要测定机器人末端工具的中心点，并进行偏差补偿。目前，对于机器人末端工具中心点位姿的测量，通常采用人工观察的方法，以多姿态靠近固定点，实现末端工具的中心点位姿的测定。但是该方法依赖手工移动及肉眼观察，其精度及稳定性均较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机器人末端工具的位姿测量方法，以解决现有技术中存在的机器人末端工具中心点位姿测量为手工方式造成精度及稳定性较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种机器人末端工具的位姿测量方法，包括步骤
获取用于夹住末端工具的法兰的三维特征和所述末端工具的三维特征；
根据所述法兰的三维特征确定所述法兰的中心，根据所述末端工具的三维特征确定所述末端工具的中心；
分别以所述法兰的中心和所述末端工具的中心为原点建立第一坐标系和第二坐标系；
计算所述第二坐标系的原点相对于所述第一坐标系的原点的位置偏移量；
计算在所述第一坐标系中，所述第二坐标系的X轴正方向的单位向量、Y轴正方向的单位向量以及Z轴正方向的单位向量；
所述第二坐标系的X轴正方向的单位向量、Y轴正方向的单位向量以及Z轴正方向的单位向量共同形成所述第二坐标系的姿态变换矩阵，通过所述姿态变换矩阵计算得出所述第二坐标系相对于所述第一坐标系的旋转偏移量。
进一步地，计算所述第二坐标系的原点相对于所述第一坐标系的原点的位置偏移量的具体步骤包括：
所述第一坐标系的原点设为O1，所述第二坐标系的原点设为O2，O1在所述第一坐标系的坐标值设为(0,0,0)，O2在所述第一坐标系的坐标值设为(x0,y0,z0)；
计算所述位置偏移量为Δx＝x0，Δy＝y0，Δz＝z0，其中Δx为所述第二坐标系相对于所述第一坐标系在X方向的位置偏移量，Δy为所述第二坐标系相对于所述第一坐标系在Y方向的位置偏移量，Δz为所述第二坐标系相对于所述第一坐标系在Z方向的位置偏移量。
进一步地，计算在所述第一坐标系中，所述第二坐标系的X轴正方向的单位向量、Y轴正方向的单位向量以及Z轴正方向的单位向量的步骤具体包括：
在所述第二坐标系的X轴和Y轴上分别取点P1和P2，P1和P2在所述第一坐标系中的坐标值分别设为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)；
计算出向量计算出向量
计算的单位向量为
其中为第二坐标系中X轴正方向的单位向量，
计算的单位向量为
其中为第二坐标系中Y轴正方向的单位向量；
计算所述第二坐标系中Z轴正方向的单位向量为
进一步地，设所述第二坐标系的X轴正方向的单位向量为(a1,b1,c1),设所述第二坐标系的Y轴正方向的单位向量为(a2,b2,c2)，设所述第二坐标系的Z轴正方向的单位向量为(a3,b3,c3)，计算得出所述姿态变换矩阵为
进一步地，所述旋转偏移量为其中Rx为所述第二坐标系相对于所述第一坐标系在X轴的旋转偏移量，Ry为所述第二坐标系相对于所述第一坐标系在Y轴的旋转偏移量，Rz为所述第二坐标系相对于所述第一坐标系在Z轴的旋转偏移量。
进一步地，通过双目三维扫描仪获取所述法兰和所述末端工具的三维特征。
本发明提供的机器人末端工具的位姿测量方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明机器人末端工具的位姿测量方法，通过在法兰的中心和末端工具的中心分别建立第一坐标系和第二坐标系，计算第二坐标系的原点相对于第一坐标系的原点的位置偏移量，并通过第二坐标系的姿态变换矩阵计算得出第二坐标系相对于所述第一坐标系的旋转偏移量，进而得出末端工具相对于法兰的位姿，该位姿测量方法通过计算末端工具和法兰的相对位置和相对姿态得出末端工具的位姿，与人工观察的方法相比，该位姿测量方法的精度及稳定性均较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的机器人末端工具的位姿测量方法的实现流程图；
图2为本发明实施例提供的机器人末端工具的位姿测量系统的示意图；
图3为本发明实施例所采用的第一坐标系和第二坐标系的示意图。
其中，图中各附图标记：
1-双目三维扫描仪；2-机器人；21-法兰；210-第一坐标系；22-末端工具；220-第二坐标系。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的机器人末端工具的位姿测量方法进行说明。机器人2包括机械臂、固定于机械臂上的法兰21以及夹设于法兰21中的末端工具22，末端工具22包括焊枪、刀具等。机器人末端工具的位姿是指该末端工具22在指定坐标系中的位置和姿态，末端工具22的位置和姿态分别可用该末端工具22相对于指定坐标系的位置偏移量和旋转偏移量来表示。该位姿测量方法包括以下步骤：
步骤S101具体为：
获取用于夹住末端工具22的法兰21的三维特征和末端工具22的三维特征，即通过获取法兰21和末端工具22的外廓点阵，法兰21的外廓点阵组合形成法兰21的三维特征，末端工具22的外廓点阵组合形成末端工具22的三维特征。
进一步地，在步骤S101中，通过双目三维扫描仪1获取法兰21和末端工具22的三维特征。使用双目三维扫描仪1时，将双目三维扫描仪1放置在机器人末端工具22的附近，扫描末端工具22和法兰21的外廓特征，得到末端工具22和法兰21的外廓点阵，再将外廓点阵的数据上传至逆向工程软件中，利用逆向工程软件去除不需要的数据，再将剩余点数据进行线拟合和面拟合，最终通过拟合出的线和面形成三维特征。
步骤S102具体为：
根据法兰21的三维特征确定法兰21的中心，根据末端工具22的三维特征确定末端工具22的中心，确定法兰21的中心和末端工具22的中心时，首先通过逆向工程软件如Geomagic、Imageware等对外廓点阵进行处理，删除不必要的点数据，再将剩余点数据进行线拟合和面拟合，最终通过拟合出的线和面确定法兰21的中心和末端工具22的中心。
步骤S103具体为：
分别以法兰21的中心和末端工具22的中心为原点建立第一坐标系210和第二坐标系220，第一坐标系210和第二坐标系220均为笛卡尔直角坐标系，包括相互垂直的X轴、Y轴和Z轴；
步骤S104具体为：
计算第二坐标系220的原点相对于第一坐标系210的原点的位置偏移量，位置偏移量是指第二坐标系220的原点相对于第一坐标系210的原点分别在X轴、Y轴和Z轴上的位置偏移量。
进一步地，在步骤S104中，如图3所示，将第一坐标系210的原点设为O1，第二坐标系220的原点设为O2，O1在所述第一坐标系210的坐标值设为(0,0,0)，O2在所述第一坐标系210的坐标值设为(x0,y0,z0)，将第二坐标系220的原点相对于第一坐标系210的原点的位置偏移量设为(Δx,Δy,Δz)，其中Δx为所述第二坐标系220相对于所述第一坐标系210在X方向的位置偏移量，Δy为所述第二坐标系220相对于所述第一坐标系210在Y方向的位置偏移量，Δz为所述第二坐标系220相对于所述第一坐标系210在Z方向的位置偏移量。所以Δx＝x0-0＝x0，Δy＝y0-0＝y0，Δz＝z0-0＝z0，由此可以得出末端工具22相对于法兰21的位置偏移量为(x0,y0,z0)。
步骤S105具体为：
计算在第一坐标系210中，第二坐标系220的X轴正方向的单位向量、Y轴正方向的单位向量以及Z轴正方向的单位向量，以第一坐标系210为基准坐标系，第二坐标系220的X轴、Y轴、Z轴所在的直线均具有一定的方向。第二坐标系220的X轴、Y轴、Z轴各自的方向可用方向向量表示，各个方向向量除以各自的模长即可得到X轴、Y轴、Z轴的单位向量。
进一步地，在步骤S105中，请参阅图3，在第二坐标系220的X轴和Y轴上分别取点P1和P2，P1和P2在所述第一坐标系210中的坐标值分别设为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，P1和P2分别为X轴和Y轴上的任意一点；有向线段O2P1的向量方向与第二坐标系220的X轴正方向的向量方向相同，有向线段O2P2的向量方向与第二坐标系220的Y轴正方向的向量方向相同，所以计算出向量 向量则的单位向量 的单位向量
其中为第二坐标系220中X轴正方向的单位向量，为第二坐标系220中Y轴正方向的单位向量；向量和向量相互垂直，根据向量和向量的表达式可以计算得出与向量和向量所在的平面相互垂直的向量，向量为第二坐标系220中Z轴正方向的单位向量，假设其中 所以根据以上步骤可以求出第二坐标系220中X轴正方向、Y轴正方向及Z轴正方向的单位向量。
步骤S106具体为：
第二坐标系220的X轴正方向的单位向量、Y轴正方向的单位向量以及Z轴正方向的单位向量共同形成第二坐标系220的姿态变换矩阵，通过姿态变换矩阵计算得出第二坐标系220相对于第一坐标系210的旋转偏移量。
进一步地，在步骤S106中，将第二坐标系220中X轴正方向的单位向量设为第二坐标系220中Y轴正方向的单位向量第二坐标系220的Z轴正方向的单位向量设为其中a3＝b1c2-b2c1，b3＝a1c2-a2c1，c3＝a1b2-a2b1，计算得出姿态变换矩阵为姿态变换矩阵可以表示第二坐标系220相对于第一坐标系210的姿态变换，即可以表示出末端工具22相对于法兰21的姿态变换。
进一步地，在步骤S106中，根据上述的姿态变换矩阵，可以求出第二坐标系220相对于第一坐标系210的旋转偏移量，旋转偏移量为 其中Rx为第二坐标系220相对于第一坐标系210在X轴的旋转偏移量，Ry为第二坐标系220相对于第一坐标系210在Y轴的旋转偏移量，Rz为第二坐标系220相对于第一坐标系210在Z轴的旋转偏移量，再将a3＝b1c2-b2c1，b3＝a1c2-a2c1，c3＝a1b2-a2b1带入旋转偏移量的表达式中，可以得到其中a1，b1，c1，a2，b2，c2在求解第二坐标系220中X轴正方向和Y轴正方向的单位向量时均已求出，将a1，b1，c1，a2，b2，c2的值带入旋转偏移量的表达式中，即可得到最终旋转偏移量的结果。
本发明提供的机器人末端工具的位姿测量方法，该位姿测量方法，通过在法兰21的中心和末端工具22的中心分别建立第一坐标系210和第二坐标系220，计算第二坐标系220的原点相对于第一坐标系210的原点的位置偏移量，并通过第二坐标系220的姿态变换矩阵计算得出第二坐标系220相对于所述第一坐标系210的旋转偏移量，进而得出末端工具22相对于法兰21的位姿，该位姿测量方法的精度及稳定性均较高。
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 (6)

1.机器人末端工具的位姿测量方法，其特征在于：包括步骤
获取用于夹住末端工具的法兰的三维特征和所述末端工具的三维特征，具体为扫描末端工具和法兰的外廓特征，得到末端工具和法兰的外廓点阵，再将外廓点阵的数据上传至逆向工程软件中，利用逆向工程软件去除不需要的数据，再将剩余点数据进行线拟合和面拟合，最终通过拟合出的线和面形成末端工具和法兰的三维特征；
根据所述法兰的三维特征确定所述法兰的中心，根据所述末端工具的三维特征确定所述末端工具的中心；
分别以所述法兰的中心和所述末端工具的中心为原点建立第一坐标系和第二坐标系；
计算所述第二坐标系的原点相对于所述第一坐标系的原点的位置偏移量；
计算在所述第一坐标系中，所述第二坐标系的X轴正方向的单位向量、Y轴正方向的单位向量以及Z轴正方向的单位向量；
所述第二坐标系的X轴正方向的单位向量、Y轴正方向的单位向量以及Z轴正方向的单位向量共同形成所述第二坐标系的姿态变换矩阵，通过所述姿态变换矩阵计算得出所述第二坐标系相对于所述第一坐标系的旋转偏移量。
2.如权利要求1所述的机器人末端工具的位姿测量方法，其特征在于：计算所述第二坐标系的原点相对于所述第一坐标系的原点的位置偏移量的具体步骤包括：
所述第一坐标系的原点设为O1，所述第二坐标系的原点设为O2，O1在所述第一坐标系的坐标值设为(0,0,0)，O2在所述第一坐标系的坐标值设为(x0,y0,z0)；
计算所述位置偏移量为Δx＝x0，Δy＝y0，Δz＝z0，其中Δx为所述第二坐标系相对于所述第一坐标系在X方向的位置偏移量，Δy为所述第二坐标系相对于所述第一坐标系在Y方向的位置偏移量，Δz为所述第二坐标系相对于所述第一坐标系在Z方向的位置偏移量。
3.如权利要求2所述的机器人末端工具的位姿测量方法，其特征在于：计算在所述第一坐标系中，所述第二坐标系的X轴正方向的单位向量、Y轴正方向的单位向量以及Z轴正方向的单位向量的步骤具体包括：
在所述第二坐标系的X轴和Y轴上分别取点P1和P2，P1和P2在所述第一坐标系中的坐标值分别设为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)；
计算出向量计算出向量
计算的单位向量为
其中为第二坐标系中X轴正方向的单位向量，
计算的单位向量为
其中为第二坐标系中Y轴正方向的单位向量；
计算所述第二坐标系中Z轴正方向的单位向量为
4.如权利要求1所述的机器人末端工具的位姿测量方法，其特征在于：设所述第二坐标系的X轴正方向的单位向量为(a1,b1,c1),设所述第二坐标系的Y轴正方向的单位向量为(a2,b2,c2)，设所述第二坐标系的Z轴正方向的单位向量为(a3,b3,c3)，计算得出所述姿态变换矩阵为
5.如权利要求4所述的机器人末端工具的位姿测量方法，其特征在于：所述旋转偏移量为其中Rx为所述第二坐标系相对于所述第一坐标系在X轴的旋转偏移量，Ry为所述第二坐标系相对于所述第一坐标系在Y轴的旋转偏移量，Rz为所述第二坐标系相对于所述第一坐标系在Z轴的旋转偏移量。
6.如权利要求1所述的机器人末端工具的位姿测量方法，其特征在于：通过双目三维扫描仪获取所述法兰和所述末端工具的三维特征。
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