CN107995885B - 一种坐标系标定方法 、系统及装置 - Google Patents

Abstract

一种坐标系标定方法，用于简化待测坐标系的标定流程。该方法包括：使用标准工具的工具中心点触碰待测坐标系的原点(202)；记录工具中心点触碰原点时机器人的第一位姿参数(203)；移动机器人法兰，使得机器人法兰的法兰坐标系的第一轴方向与待测坐标系的第一轴方向平行(204)；记录法兰坐标系的第一轴方向与待测坐标系的第一轴方向平行时机器人的第二位姿参数(205)；根据第一位姿参数以及第二位姿参数计算待测坐标系在目标坐标系中的目标标定参数(206)。

Description

一种坐标系标定方法、系统及装置

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，尤其涉及一种坐标系标定方法、系统及装置。

背景技术

当前机器人技术在工业领域得到广泛应用，在机器人作业工作中，机器人作业的工具安装有两种，一种是安装在机器人的末端；另一种是固定安装在机器人外部。机器人工具坐标系的准确度直接影响了机器人的作业精度。

现有技术中，对于安装在机器人外部的工具，标定待测坐标系的方法是通过三点法标定：通过安装在机器人法兰上的标准工具，分别触碰待测坐标系的原点，X轴正方向一点以及XY平面上一点，得到三组机器人轴的位置，使用者三组机器人轴的位置计算出待测坐标系。

但是采用三点法标定需要待测坐标的原点、X轴和Y轴都很明确，在实际应用中，待测坐标系并没有明确的X轴或Y轴(例如：砂轮)，此时使用三点法标定待测坐标则不能触碰到X轴上的一点，无法计算出待测坐标系。

发明内容

本申请实施例提供了一种坐标系标定方法、系统及装置，能够有效简化待测坐标系的标定流程。

有鉴于此，本申请第一方面提供一种坐标系标定方法，所述方法利用在机器人法兰上安装的标准工具标定待测坐标系，所述方法包括：

使用标准工具的工具中心点触碰待测坐标系的原点；

记录工具中心点触碰原点时机器人的第一位姿参数；

移动机器人法兰，使得机器人法兰的法兰坐标系的第一轴方向与待测坐标系的第一轴方向平行；

记录法兰坐标系的第一轴方向与待测坐标系的第一轴方向平行时机器人的第二位姿参数；

根据第一位姿参数以及第二位姿参数计算待测坐标系在目标坐标系中的目标标定参数。

结合本申请实施例的第一方面，在本申请实施例的第一方面的第一种实现方式中，所述根据所述第一位姿参数以及所述第二位姿参数计算所述待测坐标系在目标坐标系中的目标标定参数包括：

根据第一位姿参数计算待测坐标系的原点在机器人坐标系中的第一坐标参数；

通过转换公式将第一坐标参数转换为在世界坐标系中的第二坐标参数，转换公式用于机器人坐标系与世界坐标系之间的参数转换；

根据第二位姿参数计算法兰坐标系在机器人坐标系中的第一矩阵参数；

通过转换公式将第一矩阵参数转换为在世界坐标系中的第二矩阵参数；

根据第二矩阵参数计算待测坐标系的第一轴的向量；

根据待测坐标系的第一轴的向量计算待测坐标系的第一轴与世界坐标系的第一轴组成的平面的目标法向量；

根据待测坐标系的第一轴的向量计算待测坐标系的第一轴与世界坐标系的第一轴的目标夹角；

根据第二坐标参数、第二矩阵参数、目标法向量与目标夹角计算待测坐标系的目标齐次矩阵参数，目标齐次矩阵参数为目标标定参数，目标坐标系为世界坐标系。

结合本申请实施例的第一方面的第一种实现方式，在本申请实施例的第一方面的第二种实现方式中，所述方法还包括：

通过如下方式确定目标齐次矩阵参数：

取第二坐标参数的向量为

第二矩阵参数为

待测坐标系的第一轴为Z轴，取待测坐标系的第一轴的向量为

解得：

目标法向量为

目标夹角为

T为将世界坐标系绕目标法向量ω旋转目标夹角θ得到的待测坐标系的方向参数；

即，得到目标齐次矩阵参数

结合本申请实施例的第一方面的第二种实现方式，在本申请实施例的第一方面的第三种实现方式中，所述方法还包括：

若取法兰坐标系的第二轴方向与待测坐标系的第二轴方向平行，则方法通过如下方式确定目标齐次矩阵参数：

T_f为法兰坐标系的第二矩阵参数，T为将法兰坐标系绕法兰坐标系的第二轴旋转180度得到的待测坐标系的方向参数；

即，得到目标齐次矩阵参数

为第二坐标参数的向量。

结合本申请实施例的第一方面，本申请实施例的第一方面的第一种至第三种实现方式中的任意一种，在本申请实施例的第一方面的第四种实现方式中，所述方法通过运动学正解算法计算第一位姿参数得到第一坐标参数，以及通过运动学正解算法计算第二位姿参数得到第一矩阵参数。

本申请实施例第二方面提供了一种坐标系标定系统，包括：

控制参数输出装置、位姿参数获取装置、处理器和存储器；

利用在机器人法兰上安装的标准工具，通过所述控制参数输出装置以及所述位姿参数获取装置，所述处理器用于执行以下步骤：

使用所述标准工具的工具中心点触碰所述待测坐标系的原点；

记录所述工具中心点触碰所述原点时所述机器人的第一位姿参数；

移动所述机器人法兰，使得所述机器人法兰的法兰坐标系的第一轴方向与所述待测坐标系的第一轴方向平行；

记录所述法兰坐标系的第一轴方向与所述待测坐标系的第一轴方向平行时所述机器人的第二位姿参数；

根据所述第一位姿参数以及所述第二位姿参数计算所述待测坐标系在目标坐标系中的目标标定参数。

结合本申请实施例的第二方面，在本申请实施例的第二方面的第一种实现方式中，所述处理器还用于执行以下步骤：

根据所述第一位姿参数计算所述待测坐标系的原点在所述机器人坐标系中的第一坐标参数；

通过转换公式将所述第一坐标参数转换为在所述世界坐标系中的第二坐标参数，所述转换公式用于所述机器人坐标系与所述世界坐标系之间的参数转换；

根据所述第二位姿参数计算所述法兰坐标系在所述机器人坐标系中的第一矩阵参数；

通过所述转换公式将所述第一矩阵参数转换为在所述世界坐标系中的第二矩阵参数；

根据所述第二矩阵参数计算所述待测坐标系的第一轴的向量；

根据所述待测坐标系的第一轴的向量计算所述待测坐标系的第一轴与所述世界坐标系的第一轴组成的平面的目标法向量；

根据所述待测坐标系的第一轴的向量计算所述待测坐标系的第一轴与所述世界坐标系的第一轴的目标夹角；

根据所述第二坐标参数、所述第二矩阵参数、所述目标法向量与所述目标夹角计算所述待测坐标系的目标齐次矩阵参数，所述目标齐次矩阵参数为所述目标标定参数，所述目标坐标系为所述世界坐标系。

结合本申请实施例的第二方面的第一种实现方式，在本申请实施例的第二方面的第二种实现方式中，所述处理器还用于执行以下步骤：

通过如下方式确定所述目标齐次矩阵参数：

取所述第二坐标参数的向量为

所述第二矩阵参数为

所述待测坐标系的第一轴为Z轴，取所述待测坐标系的第一轴的向量为

解得：

所述目标法向量为

所述目标夹角为

所述T为将所述世界坐标系绕所述目标法向量ω旋转所述目标夹角θ得到的所述待测坐标系的方向参数；

即，得到所述目标齐次矩阵参数

结合本申请实施例的第二方面的第二种实现方式，在本申请实施例的第二方面的第三种实现方式中，所述处理器还用于执行以下步骤：

若取所述法兰坐标系的第二轴方向与所述待测坐标系的第二轴方向平行，则通过如下方式确定所述目标齐次矩阵参数：

所述T_f为所述法兰坐标系的所述第二矩阵参数，所述T为将所述法兰坐标系绕所述法兰坐标系的第二轴旋转180度得到的所述待测坐标系的方向参数；

即，得到所述目标齐次矩阵参数

所述

为所述第二坐标参数的向量。

结合本申请实施例的第二方面，本申请实施例的第二方面的第一种至第三种实现方式中的任意一种，在本申请实施例的第二方面的第四种实现方式中，所述处理器通过运动学正解算法计算第一位姿参数得到第一坐标参数，以及通过运动学正解算法计算第二位姿参数得到第一矩阵参数。

从以上技术方案可以看出，本申请实施里具有以下优点：

本申请实施例中，利用在机器人法兰上安装的标准工具标定待测坐标系，使用该标准工具的工具中心点触碰待测坐标系的原点，并记录此时机器人的第一位姿参数；移动机器人法兰，使得机器人法兰的法兰坐标系的第一轴方向与待测坐标系的第一轴方向平行，并记录此时机器人的第二位姿参数；通过上述第一位姿参数以及第二位姿参数计算待测坐标系在目标坐标系中的目标标定参数，所以通过待测坐标系的原点及第一轴方向即可完成该待测坐标系的标定，有效简化了待测坐标系的标定流程。

附图说明

图1为本申请实施例中D-H模型的示意图；

图2为本申请实施例中坐标系标定方法一个实施例示意图；

图3为本申请实施例中标准工具的TCP触碰待测坐标系的原点示意图；

图4为本申请实施例中砂轮工具坐标系的示意图；

图5为本申请实施例中法兰坐标系Z轴与待测坐标Z轴平行示意图；

图6为本申请实施例中待测坐标系与世界坐标系原点重合示意图；

图7为本申请实施例中坐标系标定系统一个实施例示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

机器人运动学正解算法是指给定机器人各杆件的结构参数和各关节的运动参数，求解出其末端执行器的位姿的过程。目前，在机器人运动学正解算法中广泛运用的机器人运动学模型是德纳维-哈滕伯格(Denavit-Hartenberg，D-H)模型，它是按照一定的规则把关节坐标系固定在机器人的每个连杆上，每个连杆和相邻连杆通过齐次变换矩阵联系起来。

为了使用D-H模型对机器人建模，需要为机器人每一个关节指定一个本地的参考坐标系，并且对于每个关节，都必须指定一个Z轴和X轴。其中，在指定Z轴时，如果关节是旋转的，Z轴位于按照右手法则旋转的方向；绕Z轴的旋转角时关节变量；如果关节是滑动的，Z轴为沿直线运动的方向；沿Z轴的连杆长度d是关节变量。当两关节不平行或相交时，Z轴通常是斜线，但总有一条距离最短的公垂线，它正交于任意两条斜线，可以在公垂线方向上定义本地参考坐标系的X轴。需要说明的是，当两关节Z轴平行时，会有无数条公垂线，可以挑选与前一关节的公垂线共线的一条作为X轴，用以简化模型；当两关节Z轴相交时，它们之间不存在公垂线(或者说公垂线距离为零)，此时可以将垂直于两条轴线构成的平面的直线定义为X轴(相当于选取两条Z轴的叉积方向作为X轴)，亦可以简化模型。

在图1所示的D-H模型中，机器人的关节n与关节n+1通过连杆n连接，关节n+1和关节n+2通过连杆n+1连接。其中，关节n处的Z轴下标为n-1，即z_n-1，同理，关节n+1的Z轴为z_n，关节n+2的Z轴为z_n+1；θ表示绕Z轴的旋转角，即θ_n为z_n-1轴的旋转角，θ_n+1为z_n轴的旋转角，θ_n+2为z_n+1轴的旋转角；角α表示两个相邻的Z轴之间的角度，即α_n为z_n轴与z′_n-1轴之间的夹角，z′_n-1轴与z_n-1轴平行，并且α_n+1为z_n+1轴与z′_n轴之间的夹角，z′_n轴与z_n轴平行；a表示公垂线的长度，即a_n表示z_n-1轴与z_n轴之间公垂线的长度，a_n+1表示z_n轴与z_n+1轴之间公垂线的长度；d表示在Z轴上两条相邻的公垂线之间的距离，即d_n+1表示在z_n轴上相邻的x_n轴与x_n+1轴方向的公垂线之间的距离。并且图1中坐标系o-xyz为参考坐标系，其可以为世界坐标系。

基于D-H模型，在图1中，z_n+1轴相对于z_n轴上的参考坐标系的相对坐标系可通过如下公式表示：

上式中，ⁿT_n+1代表z_n轴坐标系与z_n+1轴坐标系之间坐标系转换的齐次变换矩阵；A_n+1代表z_n+1轴坐标系的齐次变换矩阵；Rot(z,θ_n+1)为绕z_n轴旋转θ_n+1角的旋转矩阵；Tran(0,0,d_n+1)为沿z_n轴方向移动d_n+1距离的位移矩阵；Tran(a_n+1,0,0)为沿x_n+1轴方向移动a_n+1距离的位移矩阵；Rot(x,α_n+1)为绕z_n+1轴旋转α_n+1角的旋转矩阵。并且上式中，Cθ_n+1代表Cosθ_n+1，Sθ_n+1代表Sinθ_n+1。

本申请实施例中，待测坐标系的标定可以基于上述D-H模型，也可以基于除D-H模型以外的数学模型进行计算，具体此处不做限定。本申请具体实施例请参阅图2，本申请实施例中坐标系标定方法一个实施例包括：

201、在机器人法兰上安装标准工具；

本实施例中，用户可以在机器人末端轴的法兰上安装一个已知尺寸的标准工具，需要说明的是，如果该机器人的法兰坐标系的原点与法兰面的中心点重合，则默认的工具中心点(Tool Center Point，TCP)即在该法兰坐标系的原点处。法兰坐标系是机器人末端轴的轴坐标系，其原点位于法兰面的中心，X轴、Y轴随着机器人的末端轴转动而转动，Z轴垂直于法兰面向外。可以理解的是，在实际应用中，依据于已知长度尺寸A的标准工具，只需将该默认的TCP沿法兰坐标系的Z轴正方向移动A距离即可得到该标准工具的TCP在法兰坐标系中的坐标(0，0，A)。

需要说明的是，以六自由度机器人为例，其法兰坐标系在机器人坐标系的齐次转换矩阵可以为^RT_f＝A₁A₂A₃A₄A₅A₆，其具体计算方式可以参照上述齐次变换矩阵A_n+1，此处不做详细列出。可以理解的是，机器人坐标系是机器人本体上固有的坐标系，固定位于机器人的足部，以世界坐标系为参照基准，可以用来说明机器人的位置。

需要说明的是，世界坐标系也称为绝对坐标系，是参照大地不变的笛卡尔坐标系，是机器人坐标系和待测坐标系的原点坐标系。世界坐标系位置不随机器人位置的变化而变化。在实际应用中，世界坐标系一般可以由用户自定义，用户可以指定世界坐标系与机器人坐标之间的转换矩阵。或者在默认配置中，世界坐标系可以位于机器人的足部，与机器人坐标系重合。

202、使用标准工具的工具中心点触碰待测坐标系的原点；

本实施例中，如图3所示，用户可以通过示教器操控机器人，将该标准工具驶向待测坐标系，并可以将该标准工具的TCP触碰该待测坐标系的原点，选取原点坐标。用户可以选取该标准工具的TCP所触碰到的点即为原点。用户也可以通过多次触碰采样分析取平均值确定原点坐标，具体此处不做限定。

需要说明的是，当待测坐标系为打磨用的砂轮的工具坐标系时，如图4所示，用户可以优先选择砂轮水平方向的径向为待测坐标系的Z轴方向，选择与该水平方向的径向垂直的切线方向为X轴，选择该砂轮的轴向为Y轴方向，该X轴、Y轴和Z轴所组成的待测坐标系o₁-xyz遵循右手法则。其中，该待测坐标系o₁-xyz的原点位置可以如图4中所示，存在a、b、c三种情况，a位于砂轮厚度的中心点，b和c则分别位于与砂轮两侧面相交处，可以理解的是，用户还可以选取砂轮在b中o₁的位置至在c中o₁的位置中间的任意一点作为原点，具体此处不做限定。

需要说明的是，在实际应用中，用户还可以通过手工移动标准工具或人工数据输入，将该标准工具的TCP触碰待测坐标系的原点，具体此处不做限定。

203、记录机器人的第一位姿参数；

本实施例中，通过在机器人各关节安装的编码器或旋转变压器，机器人可以记录到机器人将标准工具的TCP触碰待测坐标系的原点时各关节的位姿参数。该位姿参数可以是各关节的旋转角度以及位移距离。可以理解的是，机器人可以通过控制电脑记录各关节位姿参数。

需要说明的是，依据于上述法兰坐标系与机器人坐标系的齐次变换矩阵，通过运动学正解算法可以计算得到该待测坐标系的原点在机器人坐标系中的坐标，并已知机器人坐标系与世界坐标系之间的转换矩阵，即可得到其在世界坐标系中的坐标，并可设为

需要说明的是，在实际应用中，机器人各关节坐标系的Z轴之间的α角可以由实际测量得出，其值可以是固定可知的。可以理解的是，在实际应用中，机器人各关节坐标系Z轴之间的α角的值一般可以是0或90或-90。并且在实际应用中，机器人各关节之间的连杆长度可以为相邻两Z轴的公垂线的距离，各关节之间的连杆长度可以是固定已知的。

204、移动机器人法兰使得法兰坐标系的第一轴方向与待测坐标系的第一轴方向平行；

本实施例中，用户可以通过示教器移动机器人法兰，使得机器人的法兰坐标系的Z轴方向与待测坐标系的Z轴方向平行。需要说明的是，该待测坐标系的Z轴方向一般可以默认为过待测工件或工具的中心点且垂直于该待测工件或工具的固定面，如图5所示，将法兰坐标系的z_f轴与待测坐标系的Z轴平行，该待测坐标系可以是图4所示的砂轮的工具坐标系，其Z轴方向过砂轮的中心点O，并且可以垂直于图5中所示的固定面。

需要说明的是，在实际应用中，用户还可以通过手工移动标准工具或人工数据输入移动上述机器人法兰，具体此处不做限定。

205、记录机器人的第二位姿参数；

本实施例中，通过在机器人各关节安装的编码器或旋转变压器，机器人可以记录到机器人在法兰坐标系的Z轴与待测坐标系的Z轴平行时各关节的位姿参数。

需要说明的是，依据于上述法兰坐标系与机器人坐标系的齐次变换矩阵，通过运动学正解算法可以计算此时法兰坐标系在机器人坐标系中的旋转矩阵，即可得到此时法兰坐标系在世界坐标系中的旋转矩阵，并可设为

本实施例中，如图5所示，待测坐标系的Z轴方向与法兰坐标系的Z轴方向反向，可以得到该待测坐标系的Z轴的向量为

206、根据第一位姿参数以及第二位姿参数确定待测坐标系。

本实施例中，依据于上述机器人记录到的第一位姿参数以及第二位姿参数，机器人可以计算并处理该第一位姿参数以及第二位姿参数得到待测坐标系在世界坐标系中的齐次矩阵。可以理解的是，在实际应用中，机器人可以通过控制电脑进行计算工作。

需要说明的是，在待测坐标系不存在确切的X轴、Y轴时，其计算待测坐标系的方法可以是选取离世界坐标系方向最近的坐标系作为待测坐标系方向，即假设待测坐标系与世界坐标系的原点重合求解坐标系方向，如图6所示，其步骤可以如下：

首先可以求得由世界坐标系Z轴和待测坐标系Z轴组成平面的法向量ω：

然后可以求得实际坐标系Z轴和待测坐标系Z轴之间的夹角θ：

然后可以将世界坐标系绕向量ω旋转角度θ即可得到待测坐标系的方向，根据罗德里格旋转公式可以得到：

最后，由于上述得到的待测坐标系在世界坐标系中的坐标

可以得到待测坐标系的齐次矩阵为：

需要说明的是，在待测坐标系存在确切的X轴、Y轴时，用户可以通过示教器控制机器人法兰移动，使得法兰坐标系的X轴正方向与待测坐标系的X轴正方向平行。例如图5所示的待测坐标系，其计算方式可以是：

可得待测坐标系的齐次矩阵为：

可以理解的是，上式中待测坐标系的X轴已知与法兰坐标系的X轴同向，且待测坐标系遵循右手法则，故可以将法兰坐标系绕X轴旋转180度得到待测坐标系的方向。

本申请实施例中，用户可以利用在机器人法兰上安装的标准工具标定待测坐标系，使用该标准工具的工具中心点触碰待测坐标系的原点，并可以记录此时机器人的第一位姿参数；用户可以移动机器人法兰，使得机器人法兰的法兰坐标系的第一轴方向与待测坐标系的第一轴方向平行，并可以记录此时机器人的第二位姿参数；通过上述第一位姿参数以及第二位姿参数可以计算待测坐标系在目标坐标系中的目标标定参数，所以通过待测坐标系的原点及第一轴方向即可完成该待测坐标系的标定，能够有效简化待测坐标系的标定流程。

本申请实施例中，为了执行本申请实施例中的坐标系标定方法，本申请提供一种坐标系标定系统，请参阅图7，本申请坐标系标定系统可包括：处理器701、存储器702、控制参数输出装置703以及位姿参数获取装置704。

上述坐标系标定系统还可以包括一个或多个电源705。

通过控制参数输出装置703以及位姿参数获取装置704，处理器701用于执行以下步骤：

使用标准工具的工具中心点触碰待测坐标系的原点；

记录工具中心点触碰原点时机器人的第一位姿参数；

移动机器人法兰，使得机器人法兰的法兰坐标系的第一轴方向与待测坐标系的第一轴方向平行；

记录法兰坐标系的第一轴方向与待测坐标系的第一轴方向平行时机器人的第二位姿参数；

根据第一位姿参数以及第二位姿参数计算待测坐标系在目标坐标系中的目标标定参数。

在本申请的一些实施例中，处理器701还用于执行以下步骤：

根据第一位姿参数计算待测坐标系的原点在机器人坐标系中的第一坐标参数；

通过转换公式将第一坐标参数转换为在世界坐标系中的第二坐标参数，转换公式用于机器人坐标系与世界坐标系之间的参数转换；

根据第二位姿参数计算法兰坐标系在机器人坐标系中的第一矩阵参数；

通过转换公式将第一矩阵参数转换为在世界坐标系中的第二矩阵参数；

根据第二矩阵参数计算待测坐标系的第一轴的向量；

根据待测坐标系的第一轴的向量计算待测坐标系的第一轴与世界坐标系的第一轴组成的平面的目标法向量；

根据待测坐标系的第一轴的向量计算待测坐标系的第一轴与世界坐标系的第一轴的目标夹角；

根据第二坐标参数、第二矩阵参数、目标法向量与目标夹角计算待测坐标系的目标齐次矩阵参数，目标齐次矩阵参数为目标标定参数，目标坐标系为世界坐标系。

在本申请的一些实施例中，处理器701还用于执行以下步骤：

通过如下方式确定目标齐次矩阵参数：

取第二坐标参数的向量为

第二矩阵参数为

待测坐标系的第一轴为Z轴，取待测坐标系的第一轴的向量为

解得：

目标法向量为

目标夹角为

T为将世界坐标系绕目标法向量ω旋转目标夹角θ得到的待测坐标系的方向参数；

即，得到目标齐次矩阵参数

在本申请的一些实施例中，处理器701还用于执行以下步骤：

若取法兰坐标系的第二轴方向与待测坐标系的第二轴方向平行，则通过如下方式确定目标齐次矩阵参数：

T_f为法兰坐标系的第二矩阵参数，T为将法兰坐标系绕法兰坐标系的第二轴旋转180度得到的待测坐标系的方向参数；

即，得到目标齐次矩阵参数

为第二坐标参数的向量。

在本申请的一些实施例中，处理器701还用于执行以下步骤：

通过运动学正解算法计算第一位姿参数得到第一坐标参数，以及通过运动学正解算法计算第二位姿参数得到第一矩阵参数。

本申请实施例中，用户可以利用在机器人法兰上安装的标准工具标定待测坐标系，通过控制参数输出装置703，处理器701可以使用该标准工具的工具中心点触碰待测坐标系的原点，通过位姿参数获取装置704，处理器701可以记录此时机器人的第一位姿参数；通过控制参数输出装置703，处理器701可以移动机器人法兰，使得机器人法兰的法兰坐标系的第一轴方向与待测坐标系的第一轴方向平行，通过位姿参数获取装置704，处理器701并可以记录此时机器人的第二位姿参数；通过上述第一位姿参数以及第二位姿参数，处理器701可以计算待测坐标系在目标坐标系中的目标标定参数，所以通过待测坐标系的原点及第一轴方向即可完成该待测坐标系的标定，能够有效简化待测坐标系的标定流程。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本说明书的各个部分均采用递进的方式进行描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点介绍的都是与其他实施例不同之处。尤其，对于装置和系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请的保护范围。

Claims (15)

1.一种坐标系标定方法，其特征在于，利用在机器人法兰上安装的标准工具标定待测坐标系，所述方法包括：

使用所述标准工具的工具中心点触碰所述待测坐标系的原点；

记录所述工具中心点触碰所述原点时所述机器人的第一位姿参数；

移动所述机器人法兰，使得所述机器人法兰的法兰坐标系的第一轴方向与所述待测坐标系的第一轴方向平行；

记录所述法兰坐标系的第一轴方向与所述待测坐标系的第一轴方向平行时所述机器人的第二位姿参数；

根据所述第一位姿参数以及所述第二位姿参数计算所述待测坐标系在目标坐标系中的目标标定参数。

2.根据权利要求1所述的坐标系标定方法，其特征在于，所述根据所述第一位姿参数以及所述第二位姿参数计算所述待测坐标系在目标坐标系中的目标标定参数包括：

根据所述第一位姿参数计算所述待测坐标系的原点在所述机器人坐标系中的第一坐标参数；

通过转换公式将所述第一坐标参数转换为在世界坐标系中的第二坐标参数，所述转换公式用于所述机器人坐标系与所述世界坐标系之间的参数转换；

根据所述第二位姿参数计算所述法兰坐标系在所述机器人坐标系中的第一矩阵参数；

通过所述转换公式将所述第一矩阵参数转换为在所述世界坐标系中的第二矩阵参数；

根据所述第二矩阵参数计算所述待测坐标系的第一轴的向量；

根据所述待测坐标系的第一轴的向量计算所述待测坐标系的第一轴与所述世界坐标系的第一轴组成的平面的目标法向量；

根据所述待测坐标系的第一轴的向量计算所述待测坐标系的第一轴与所述世界坐标系的第一轴的目标夹角；

根据所述第二坐标参数、所述第二矩阵参数、所述目标法向量与所述目标夹角计算所述待测坐标系的目标齐次矩阵参数，所述目标齐次矩阵参数为所述目标标定参数，所述目标坐标系为所述世界坐标系。

3.根据权利要求2所述的坐标系标定方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述方法通过如下方式确定所述目标齐次矩阵参数：

取所述第二坐标参数的向量为

所述第二矩阵参数为

为所述法兰坐标系在所述世界坐标系中的X轴的向量，

为所述法兰坐标系在所述世界坐标系中的Y轴的向量，

为所述法兰坐标系在所述世界坐标系中的Z轴的向量，所述待测坐标系的第一轴为Z轴，取所述待测坐标系的第一轴的向量为

Z_f为所述法兰坐标系的Z轴向量，解得：

所述目标法向量为

所述目标夹角为

所述T为将所述世界坐标系绕所述目标法向量ω旋转所述目标夹角θ得到的所述待测坐标系的方向参数；

即，得到所述目标齐次矩阵参数

4.根据权利要求3所述的坐标系标定方法，其特征在于，所述方法还包括：

若取所述法兰坐标系的第二轴方向与所述待测坐标系的第二轴方向平行，则所述方法通过如下方式确定所述目标齐次矩阵参数：

所述T_f为所述法兰坐标系的所述第二矩阵参数，所述T为将所述法兰坐标系绕所述法兰坐标系的第二轴旋转180度得到的所述待测坐标系的方向参数；

即，得到所述目标齐次矩阵参数

所述

为所述第二坐标参数的向量。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的坐标系标定方法，其特征在于，所述方法通过运动学正解算法计算所述第一位姿参数得到所述第一坐标参数，以及通过所述运动学正解算法计算所述第二位姿参数得到所述第一矩阵参数。

6.一种坐标系标定系统，其特征在于，利用在机器人法兰上安装的标准工具标定待测坐标系，所述坐标系标定系统包括：

控制参数输出装置、位姿参数获取装置、处理器和存储器；

通过所述控制参数输出装置以及所述位姿参数获取装置，所述处理器用于执行以下步骤：

使用所述标准工具的工具中心点触碰所述待测坐标系的原点；

记录所述工具中心点触碰所述原点时所述机器人的第一位姿参数；

移动所述机器人法兰，使得所述机器人法兰的法兰坐标系的第一轴方向与所述待测坐标系的第一轴方向平行；

记录所述法兰坐标系的第一轴方向与所述待测坐标系的第一轴方向平行时所述机器人的第二位姿参数；

根据所述第一位姿参数以及所述第二位姿参数计算所述待测坐标系在目标坐标系中的目标标定参数。

7.根据权利要求6所述的坐标系标定系统，其特征在于，所述处理器还用于执行以下步骤：

根据所述第一位姿参数计算所述待测坐标系的原点在所述机器人坐标系中的第一坐标参数；

通过转换公式将所述第一坐标参数转换为在世界坐标系中的第二坐标参数，所述转换公式用于所述机器人坐标系与所述世界坐标系之间的参数转换；

根据所述第二位姿参数计算所述法兰坐标系在所述机器人坐标系中的第一矩阵参数；

通过所述转换公式将所述第一矩阵参数转换为在所述世界坐标系中的第二矩阵参数；

根据所述第二矩阵参数计算所述待测坐标系的第一轴的向量；

根据所述待测坐标系的第一轴的向量计算所述待测坐标系的第一轴与所述世界坐标系的第一轴组成的平面的目标法向量；

根据所述待测坐标系的第一轴的向量计算所述待测坐标系的第一轴与所述世界坐标系的第一轴的目标夹角；

根据所述第二坐标参数、所述第二矩阵参数、所述目标法向量与所述目标夹角计算所述待测坐标系的目标齐次矩阵参数，所述目标齐次矩阵参数为所述目标标定参数，所述目标坐标系为所述世界坐标系。

8.根据权利要求7所述的坐标系标定系统，其特征在于，所述处理器还用于执行以下步骤：

通过如下方式确定所述目标齐次矩阵参数：

取所述第二坐标参数的向量为

所述第二矩阵参数为

为所述法兰坐标系在所述世界坐标系中的X轴的向量，

为所述法兰坐标系在所述世界坐标系中的Y轴的向量，

为所述法兰坐标系在所述世界坐标系中的Z轴的向量，所述待测坐标系的第一轴为Z轴，取所述待测坐标系的第一轴的向量为

Z_f为所述法兰坐标系的Z轴向量，解得：

所述目标法向量为

所述目标夹角为

所述T为将所述世界坐标系绕所述目标法向量ω旋转所述目标夹角θ得到的所述待测坐标系的方向参数；

即，得到所述目标齐次矩阵参数

9.根据权利要求8所述的坐标系标定系统，其特征在于，所述处理器还用于执行以下步骤：

若取所述法兰坐标系的第二轴方向与所述待测坐标系的第二轴方向平行，则通过如下方式确定所述目标齐次矩阵参数：

所述T_f为所述法兰坐标系的所述第二矩阵参数，所述T为将所述法兰坐标系绕所述法兰坐标系的第二轴旋转180度得到的所述待测坐标系的方向参数；

即，得到所述目标齐次矩阵参数

所述

为所述第二坐标参数的向量。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的坐标系标定系统，其特征在于，所述处理器通过运动学正解算法计算所述第一位姿参数得到所述第一坐标参数，以及通过所述运动学正解算法计算所述第二位姿参数得到所述第一矩阵参数。

11.一种坐标系标定装置，其特征在于，包括处理器和存储器，控制参数输出装置以及位姿参数获取装置；

通过所述控制参数输出装置以及所述位姿参数获取装置，所述处理器用于执行以下步骤：

使用标准工具的工具中心点触碰待测坐标系的原点；

记录所述工具中心点触碰所述原点时机器人的第一位姿参数；

移动机器人法兰，使得所述机器人法兰的法兰坐标系的第一轴方向与所述待测坐标系的第一轴方向平行；

记录所述法兰坐标系的第一轴方向与所述待测坐标系的第一轴方向平行时所述机器人的第二位姿参数；

根据所述第一位姿参数以及所述第二位姿参数计算所述待测坐标系在目标坐标系中的目标标定参数。

12.根据权利要求11所述的坐标系标定装置，其特征在于，所述处理器还用于执行以下步骤：

根据所述第一位姿参数计算所述待测坐标系的原点在所述机器人坐标系中的第一坐标参数；

通过转换公式将所述第一坐标参数转换为在世界坐标系中的第二坐标参数，所述转换公式用于所述机器人坐标系与所述世界坐标系之间的参数转换；

根据所述第二位姿参数计算所述法兰坐标系在所述机器人坐标系中的第一矩阵参数；

通过所述转换公式将所述第一矩阵参数转换为在所述世界坐标系中的第二矩阵参数；

根据所述第二矩阵参数计算所述待测坐标系的第一轴的向量；

根据所述待测坐标系的第一轴的向量计算所述待测坐标系的第一轴与所述世界坐标系的第一轴组成的平面的目标法向量；

根据所述待测坐标系的第一轴的向量计算所述待测坐标系的第一轴与所述世界坐标系的第一轴的目标夹角；

根据所述第二坐标参数、所述第二矩阵参数、所述目标法向量与所述目标夹角计算所述待测坐标系的目标齐次矩阵参数，所述目标齐次矩阵参数为所述目标标定参数，所述目标坐标系为所述世界坐标系。

13.根据权利要求12所述的坐标系标定装置，其特征在于，所述处理器还用于执行以下步骤：

通过如下方式确定所述目标齐次矩阵参数：

取所述第二坐标参数的向量为

所述第二矩阵参数为

为所述法兰坐标系在所述世界坐标系中的X轴的向量，

为所述法兰坐标系在所述世界坐标系中的Y轴的向量，

为所述法兰坐标系在所述世界坐标系中的Z轴的向量，所述待测坐标系的第一轴为Z轴，取所述待测坐标系的第一轴的向量为

Z_f为所述法兰坐标系的Z轴向量，解得：

所述目标法向量为

所述目标夹角为

所述T为将所述世界坐标系绕所述目标法向量ω旋转所述目标夹角θ得到的所述待测坐标系的方向参数；

即，得到所述目标齐次矩阵参数

14.根据权利要求13所述的坐标系标定装置，其特征在于，所述处理器还用于执行以下步骤：

若取所述法兰坐标系的第二轴方向与所述待测坐标系的第二轴方向平行，则通过如下方式确定所述目标齐次矩阵参数：

所述T_f为所述法兰坐标系的所述第二矩阵参数，所述T为将所述法兰坐标系绕所述法兰坐标系的第二轴旋转180度得到的所述待测坐标系的方向参数；

即，得到所述目标齐次矩阵参数

所述

为所述第二坐标参数的向量。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的坐标系标定装置，其特征在于，所述处理器还用于执行以下步骤：

通过运动学正解算法计算所述第一位姿参数得到所述第一坐标参数，以及通过所述运动学正解算法计算所述第二位姿参数得到所述第一矩阵参数。

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