CN107650144A - 一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统及其方法，包括工业机器人、机器人控制器、机器人末端工具、传感器安装中间结构件、标定传感器组件、工件安装台、置于工件安装台上的工件；标定传感器组件对工件上的点进行测量，检测特征曲线边界上的点，输出信号后输入到机器人控制器中；机器人控制器接收信号时触发路径中断，记录中位置数据Fflange和标定传感器高度方向的位移数据Msensor，结合传感器安装位置数据Fsensor，计算出工件坐标系的6D数据。本发明标定过程简单，能够避免标定平面因倾斜而造成的测定不准的情况，标定精度高、能够用于各种工件场合，该系统的应用成本低，有利于实现大范围的推广应用。

Description

一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统及其方法

技术领域

本发明涉及工业机器人标定技术领域，具体的说是一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统及其方法。

背景技术

在工业机器人应用系统中，不同坐标系之间的位姿关系的标定是离线编程得以应用的基础、同时也是机器人集成应用系统得以在不同产线得以复制的前提。对于高精度机器人作业应用场合，不同工件的工件坐标系需要能够在线校准并实时修正，机器人根据修正的坐标系进行相应的作业，如高精度搬运、高精度电主轴打磨、高精度铆接等。

中国专利CN200880128941公开了一种使用具有成形为球体的突出部分的凸形校准物体和两个非平行倾斜表面的凹形校准物的机械接触的标定方法及其系统，其中凸形校准物体安装在机器人末端法兰，凹形校准物体安装在待标定的本地坐标系上，且至少需要三个凹形物体。但是，此方法为了保证最终的标定精度，需要加工精度很高的凸形校准物体和加工精度很高凹形校准物体，二者之间需要满足相关配合要求，校准物体需要提前安装，具体标定过程需要按照特定的位姿要求相互接触，标定过程相对复杂。

中国专利CN201510290538公开了一种用于搬运拆垛工件的工件坐标系离线标定方法及系统，此种主要应用于工件相对机器人操作的操作平面相对平整的情况下，其中测距传感器只能准确测定规定的机器人垂直运动方向的距离传感器自身的高度距离标称值，然后触发对应的输出信号，并进行此后相应的标定步骤。但是，如果工件的操作平面倾斜较大，后续使用光电开关测量可能出现某些方向由于传感器在垂直方向距离工件太远而不能检测到其边缘。

美国专利US8442304B2公开了一种使用3D机器视觉确定3维空间物体位姿的系统和方法，能够用于机器人应用中使用3D视觉拍摄图像的方法进行特征匹配实现机器人系统的工件位姿的在线校准修正。但是，3D视觉系统的应用成本很高，不利于大范围的推广应用。

发明内容

为了避免和解决上述技术问题，本发明提出了一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统及其方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统，包括工业机器人、机器人控制器、机器人末端工具、传感器安装中间结构件、标定传感器组件、工件安装台、置于工件安装台上工件。

所述机器人末端工具通过法兰连接在工业机器人手腕末端上进行作业；所述标定传感器组件通过传感器安装中间结构件安装在机器人末端工具或工业机器人手腕末端法兰上，所述工件位于机器人操作的空间范围内。

所述标定传感器组件通过激光或其他光源检测工件特征曲线边界点，所述特殊曲线为直线或圆弧等平面曲线，输出数字量和位移模拟量信号后通过以太网或现场总线的方式输入到所述机器人控制器中。

所述机器人控制器接收信号时触发路径中断，记录中断点处机器人末端的位置数据Fflange和标定传感器高度方向的位移数据Msensor，结合传感器安装位置数据Fsensor后，通过标定算法计算出工件坐标系的6D数据。

优选的，所述机器人末端工具根据机器人的具体作业，可以为搬运夹持器、焊枪、电主轴打磨头等的任一种。

优选的，所述标定传感器组件为激光位移传感器或线激光传感器中线激光传感器的任一种。所述线激光传感器为二维激光传感器或轮廓激光传感器中的任一种。

优选的，所述工件坐标系的6D数据可以提供给离线编程应用或覆盖机器人控制器工作坐标系的原数据。

优选的，所述工件坐标系的6D数据可以用于高精度的机器人应用场合中在线校准并实时修整工件坐标系。

一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统的标定校准方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：工业机器人使其末端运动至待标定工件的合适位置，所述位置为正上方或正前方区域。

步骤二：标定传感器组件检测工件的特征曲线点，机器人控制器触发中断并记录机器人末端法兰的TCP数值Fflange和距离信息Msensor。

步骤三：机器人控制器结合TCP数值Fflange、距离信息Msensor和标定传感器位置信息Fsensor将其转化为基坐标系下Frobot的位姿信息。

步骤四：将转化至基坐标系Frobot的多点位姿信息采用最小二乘法拟合确定工件特征曲线的平面方程Ax+by+Cz+D＝0。

步骤五：选取特征曲线上所求平面方程的特殊点或相关交点为工件坐标系的原点Oobj，取其中检测到的多点中的两点矢量方向作为Xobj，所在平面的法向量为Zobj，右手定则确定Yobj。

优选的，当标定传感器组件为激光位移传感器时，所述步骤二包括控制工业机器人沿基坐标系的方向上运动直至检测到特征曲线边界，所述Msensor为激光位移传感器的位置距离信息。所述特征曲线选取位于同一平面内，即能够唯一确定工件的位姿，激光位移传感器在运动过程中搜索到特征曲线边界时取其为特征点，进行多个特征点检测，所述特征点需大于三个，工件特征曲线上相邻两边的单边上分别至少取两个点。

优选的，所述基坐标系的方向包括沿X方向、沿Y方向。

优选的，当标定传感器组件为线激光传感器时，所述步骤二包括对多个特征曲线边界点的检测，所述Msensor为特征曲线边界点的距离信息。进行特征点测量时，选取其中四个以上的特征点位置，特征点位置位于工件的三维模型中的同一平面的特征曲线上。

本发明的有益效果是：

本发明不需要对标定工件提前安装，省去了按照特定的位姿要求相互接触，标定过程简单，能够避免标定平面因倾斜而造成的测定不准的情况，操作使用方便、标定精度高、能够用于各种工件场合，该系统的应用成本低，经济实用，有利于实现大范围的推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的系统组成结构示意图；

图2为本发明中标定传感器组件是激光位移传感器且安装一个的示意图；

图3为本发明中标定传感器组件是激光位移传感器且安装两个的示意图；

图4为本发明中标定传感器组件是线激光传感器且安装两个的示意图；

图5为本发明中标定传感器组件是线激光传感器且安装一个的示意图；

图6为本发明中标定传感器为激光位移传感器时的测量流程示意图；

图7为本发明中标定传感器为线激光传感器时的测量流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1至图7所示，一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统，包括工业机器人1、机器人控制器、机器人末端工具2、传感器安装中间结构件3、标定传感器组件4、工件安装台5、置于工件安装台5上的工件6。

所述机器人末端工具2通过法兰安装在工业机器人1手腕末端，所述标定传感器组件4通过传感器安装中间结构件3安装在机器人末端工具2上或手腕末端法兰上，工件6位于工业机器人1的操作空间范围内。

本发明中，法兰坐标系Fflange是在机器人1的基坐标系Frobot下的法兰的中心点的空间位姿数据；工具2的工具TCP坐标系Ftool_tcp是指工具2的TCP相对于工具2的工具基坐标系Ftool_b的空间位姿数据；在实际的安装中，工具2的工具基坐标系Ftool_b与法兰坐标系Fflange重合，则工具TCP相对于机器人的基坐标系可以通过(1)公式，求得：

标定传感器4的传感器坐标系Fsensor是指传感器4通过传感器安装中间结构件3在工具2上安装的位置相对于工具基坐标系Ftool_b的数据。若传感器4检测到的高度位移数据为Msensor，则Fsensor与Msensor之和为表示测量点相对机器人法兰坐标系Fflange的空间位姿；上述和与法兰坐标系Fflange相乘，则表示测量点相对于机器人基坐标系Frobot空间位姿，具体关系用式(2)表示：

取工件6某一平面内的多个点进行测量，可通过最小二乘法确定平面法确定工件6此平面在机器人1的机器人基坐标系Frobot下的平面方程，然后选取其中检测点中的某个特殊的特征点或者求其中直线间的交点为工件坐标系的原点Oobj，并以其中指定的检测两点方向作为Xobj，所在平面的法向为Zobj，根据右手定则即可确定Yobj。这样将工件6的坐标系Fobj和式(1)求得工具TCP坐标系统一在机器人1的基坐标系下。

所述标定传感器组件4对工件6上的点进行测量，通过激光或其他光源检测到特征曲线边界上的点，所述特殊曲线为直线或圆弧等平面曲线，输出数字量和位移模拟量信号后，通过以太网或现场总线的方式输入到机器人控制器中。

所述机器人控制器接收到标定传感器组件4的信号时，能够触发路径中断，并记录中断点处机器人末端的位置数据Fflange和标定传感器高度方向的位移数据Msensor，机器人控制器将检测获得的多个点对应的机器人末端的位置数据Fflange和高度位移Msensor并结合传感器安装位置数据Fsensor后，通过标定算法计算出工件坐标系的6D数据。

所述机器人末端工具2根据机器人的具体作业，可以为搬运夹持器、焊枪、电主轴打磨头等的任一种。

所述工件坐标系的6D数据可以提供给离线编程应用或覆盖机器人控制器工作坐标系的原数据。

所述工件坐标系的6D数据可以用于高精度的机器人应用场合中在线校准并实时修整工件坐标系。

所述所述标定传感器组件4为激光位移传感器或线激光传感器中的任一种。所述线激光传感器为二维激光传感器或轮廓激光传感器中的任一种。

如果标定传感器组件4是激光位移传感器，当激光位移传感器为两个时，在机器人末端工具2分别沿X方向和Y方向分别安装一个激光位移传感器，见图2；当激光位移传感器为一个时，另外一个方向的安装可以通过将机器人末端工具2旋转90度获得同等的效果，见图3，但是需要考虑实际的机器人末端电缆和气管等能介物体的在机器人手腕旋转过程中的缠绕情况。

如果标定传感器组件4是线激光传感器，根据工业机器人1操作工件6检测特征曲线的空间位置在机器人末端或机器人末端工具2上安装线激光传感器，一般的安装方式是：在机器人末端工具2的末端平行的安装两个或多个，见图4；另外一种安装方式只安装一个，见图5，其余点的测量可以通过沿所需方向移动机器人末端工具4进行。

一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统的标定校准方法，结合不同的安装传感器类别，所述的方法具体包括：

1)标定传感器组件4为激光位移传感器，见图6。

步骤401：控制工业机器人1使其末端法兰运动至待标定或校准工件6的合适位置，该位置为正上方或正前方区域；

需保证工件6在激光位移传感器的测量范围，并尽可能取此时的激光位移传感器4与工件6之间的垂直距离为测量范围的中间值，并保证法兰在后续的水平面内运动能够使激光位移传感器测量到工件6所有特征曲线的点的位置。

步骤402：控制工业机器人1末端法兰沿机器人基坐标系的X方向移动，直至激光位移传感器4检测到工件6特征曲线的边界，并触发相应的信号给机器人控制器。

步骤403：机器人控制器触发中断并记录此时工业机器人1末端法兰的TCP数值Fflange和激光位移传感器的距离信息Msensor，而后停止向前运动，然后工业机器人1沿前一段运动路径返回至此路径的初始点。

步骤404：为一判断条件，根据当前所测点数与按照特征曲线特点规定的Y方向检测点数作比较，如果当前所测点数小于要求Y方向规定检测点数，是，则转到步骤405；否，则转到步骤406。

步骤405：控制工业机器人1末端法兰沿机器人基坐标系Frobot的Y方向移动特定距离，并通过机器人编程保证精确到位，进行特征曲线下一边界点的搜索。

步骤406：控制工业机器人1末端法兰沿机器人基坐标系Frobot的Y方向移动，直至传感器检测到特征曲线的边界，并触发相应的信号给机器人控制器。

步骤407：机器人控制器触发中断并记录此时工业机器人1末端法兰的TCP数值Fflange和激光位移传感器的距离信息Msensor，而后停止向前运动，然后工业机器人1沿前一段运动路径返回至此路径的初始点。

步骤408：为一判断条件，根据当前所测点数与按照特征曲线特点规定的X方向检测点数作比较，如果当前所测点数小于要求X方向规定检测点数，是，则转到步骤409；否，则转到步骤410。

步骤409：控制工业机器人1末端法兰沿机器人基坐标系Frobot的X方向移动特定距离，并通过机器人编程保证精确到位，进行特征曲线下一边界点的搜索；

步骤410：控制工业机器人1末端法兰返回检测开始时的初始点。

步骤411：根据激光位移传感器的安装位置信息Fsensor、已记录的特征点距离信息Msensor和对应边界点TCP点信息Fflange，机器人控制器将特征点的位置转化至机器人基坐标系下Frobot的位姿信息。

步骤412：使用转化后的机器人基坐标系Frobot下的多个特征点位置信息作为最小二乘法确定多点确定平面的输入，即可确定机器人基坐标下Frobot的工件6特征曲线所在平面方程Ax+by+Cz+D＝0。

步骤413：然后选取特征曲线上某个特殊的特征点或者求其中直线间的交点为工件坐标系的原点Oobj，并以其中指定的检测两点方向作为Xobj，所在平面的法向为Zobj，根据右手定则即可确定Yobj。

2)标定传感器组件4为线激光传感器，见图7。

步骤501：控制工业机器人1末端法兰运动至待标定或校准工件6的正上方或正前方区域；需保证工件6特征曲线在线激光传感器测量区域内。

步骤502和503：为单个线激光传感器和多个线激光传感器的不同选择情况，如果为一个线激光传感器，则转至步骤504；如果是两个及其以上的线激光传感器，则转至步骤505。

步骤504：因为为单个线激光传感器，则需要依靠工业机器人1末端的多次运动进行多次测量搜索，即控制工业机器人1末端法兰使其多次检测工件6的特征曲线的不同的位置，工业机器人1的运动过程需要保证其末端法兰呈水平，下一步骤为506。

步骤505：多个线传感器同时检测工件6的特征曲线边界点，并输出信号和多个特征边界点对应的距离信息Msensor，下一步骤为507。

步骤506：每移动工业机器人1到程序指定位置处，暂停运动，并输出信号和多个特征曲线边界点距离信息Msensor，下一步骤为507。

步骤507：机器人控制器触发中断并记录此时工业机器人1末端法兰的TCP数值Fflange和对应各个特征点的距离信息Msensor。

步骤508：根据各个线传感器的安装位置信息Fsensor、已记录的工件6的特征点距离信息Msensor和对应边界点TCP点信息Fflange，机器人控制器将特征点的位置转化至机器人基坐标系下Frobot的位置信息。

步骤509：使用转化后的机器人基坐标系Frobot下多个特征点的位置信息作为最小二乘法确定多点确定平面的输入，即可确定机器人基坐标下Frobot的工件6特征曲线所在平面方程Ax+by+Cz+D＝0。

步骤510：然后选取特征曲线上某个特殊的特征点或者求其中直线间的交点为工件坐标系的原点Oobj，并以其中指定的检测两点方向作为Xobj，所在平面的法向为Zobj，根据右手定则即可确定Yobj。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统，其特征在于：包括工业机器人(1)、机器人控制器、机器人末端工具(2)、传感器安装中间结构件(3)、标定传感器组件(4)、工件安装台(5)、置于工件安装台(5)上的工件(6)；

所述标定传感器组件(4)通过传感器安装中间结构件(3)安装在机器人末端工具(2)上或工业机器人末端手腕法兰上，所述标定传感器组件(4)检测工件(6)上特征曲线边界的点并输出数字量和位移模拟量信号后输入到所述机器人控制器中；

所述机器人控制器接收信号触发路径中断，记录中断点处机器人末端的位置数据Fflange和标定传感器高度方向的位移数据Msensor，再结合标定传感器安装位置数据Fsensor后，通过标定算法计算出工件坐标系的6D数据。

2.根据权利要求1所述的一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统，其特征在于：所述机器人末端工具(2)根据机器人的具体作业，可以为搬运夹持器、焊枪、电主轴打磨头等的任一种。

3.根据权利要求1所述的一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统，其特征在于：所述标定传感器组件(4)为激光位移传感器或线激光传感器中的任一种。

4.根据权利要求3所述的一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统，其特征在于：所述线激光传感器为二维激光传感器或轮廓激光传感器中的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统，其特征在于：所述工件坐标系的6D数据可以提供给离线编程应用或覆盖机器人控制器工作坐标系的原数据。

6.根据权利要求1所述的一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统，其特征在于：所述工件坐标系的6D数据可以用于高精度的机器人应用场合中在线校准并实时修整工件坐标系。

7.根据权利要求1所述的一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统的标定校准方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：工业机器人(1)末端运动至待标定工件的合适位置；

步骤二：标定传感器组件(4)检测工件(6)的特征曲线点，机器人控制器触发中断并记录机器人末端的TCP数值Fflange和距离信息Msensor；

步骤三：机器人控制器结合TCP数值Fflange、距离信息Msensor和标定传感器位置信息Fsensor将其转化为基坐标系下Frobot的位姿信息；

步骤四：将转化至基坐标系Frobot的多点位姿信息利用最小二乘拟合平面法确定工件特征曲线的平面方程Ax+by+Cz+D＝0；

步骤五：选取特征曲线上所求平面方程的特殊点或相关交点为工件坐标系的原点Oobj，取其中检测到的多点中的两点矢量方向作为Xobj，所在平面的法向量为Zobj，右手定则确定Yobj。

8.根据权利要求7所述的一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统的标定校准方法，其特征在于：当标定传感器组件(4)为激光位移传感器时，所述步骤二包括控制工业机器人(1)沿基坐标系的方向上运动直至检测到特征曲线边界，所述Msensor为激光位移传感器的位置距离信息。

9.根据权利要求8所述的一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统的标定校准方法，其特征在于：所述的方向包括沿X方向、沿Y方向。

10.根据权利要求7所述的一种工业机器人工件坐标系的标定校准系统的标定校准方法，其特征在于：当标定传感器组件(4)为线激光传感器时，所述步骤二包括对特征曲线的多个边界点的检测，所述Msensor为特征曲线边界点的距离信息。