CN108375337A - 一种基于激光追踪仪的机器人及其工艺设备的相对位姿的测定方法及测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光追踪仪的机器人及其工艺设备的相对位姿的测定方法及测定装置，其特征在于，包括：测量出机器人在N个不同位置时，腕部坐标系在机器人基坐标系下的位置M_i和姿态R_i与N次测量中测量球的球心在工艺设备坐标系下的位置P_i，其中并将其带入相关公式进行求解，得到工艺设备坐标系相对于机器人基坐标系的相对位姿。本方法避免了人为观测造成的误差，使计算结果精确程度提升；测量过程更加简单方便，用测量球来采点时不需采很多点来拟合圆柱及平面以得到机器人工具坐标系的一个位置，直接采一点即可；适用于任何角度的工艺设备坐标系，不需Z向补偿工具坐标系。

Description

一种基于激光追踪仪的机器人及其工艺设备的相对位姿的测 定方法及测定装置

技术领域

本发明涉及机器人及其工艺设备的相对位姿的测定技术领域，特别是涉及一种无需知道机器人执行端工具位姿的测定其工艺设备的相对位姿的方法。

背景技术

目前行业内机器人及其工艺设备的相对位姿的测定方法较普遍的主要有两种思路：

方法1：用已知的机器人工具坐标系碰触其工艺设备上的有精度要求的N(N>＝3)个范围足够大的点，机器人记录下这N个点在自身基坐标的值，另外通过工艺设备的CAD数模得知这N个点在其工艺设备坐标系下的值，通过最小二乘法拟合得到机器人及其工艺设备的相对位姿。

方法2：用已知的机器人工具坐标系在空间走任意N(N>＝3)个范围足够大的点，机器人记录下这N个点在自身基坐标的值，另外使用激光追踪仪测得这N个点在工艺设备坐标系下的值，通过最小二乘法拟合得到机器人及其工艺设备的相对位姿。例如陈晓颖，汤中华在《工件坐标系的标定方法、装置及工件加工处理方法、装置》中取N＝3(没有说明是通过数模得到还是测量得到点在工件坐标系下的值)。

以上两种方法均需在得到机器人执行末端工具坐标系的前提下才可以进行，而手动示教通过肉眼得到工具坐标系精度很难做到1mm以内，即使采用某种测量手段较高精度地测得了工具坐标系值，在方法1中对点时和方法2中使用靶标对应工具坐标系位置时也会通过肉眼判断而引入了较大的观测误差，而且在方法2中，当工件坐标系Z向与机器人基座标Z向有角度时，用追踪仪采点时Z向补偿靶标半径会产生较大偏差，这些都会导致在后面的拟合计算中得不到较精确的结果。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种基于激光追踪仪的机器人及其工艺设备的相对位姿的测定方法，消除了人工肉眼观测判断而引入的误差，不需要补偿靶标半径，在拟合的计算中可以得到精确的数据结果。

一种基于激光追踪仪的机器人及其工艺设备的相对位姿的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

将测量球固定在机器人工具上，机器人运行N个位置，机器人记录下腕部坐标系的在机器人基坐标系下的位置M_i和姿态R_i，其中同时记录下这N次测量中测量球的球心在工艺设备坐标系下的位置P_i，其中

将所得到的N个腕部坐标系的在机器人基坐标系下的位置M_i和姿态R_i与N次测量中测量球的球心的位置P_i带入相关公式进行求解，得到工艺设备坐标系相对于机器人基坐标系的相对位姿。

优选的，所述相关公式为，已知的输入为所采集的数据M_i，R_i，P_i，

未知的参数为工艺设备坐标系相对于机器人基坐标系的位置t和姿态s；

另外设测量球的球心相对于腕部坐标系的位置为X，也为一个待求得未知参数；

存在以下方程：

令

有：

化简得到：

其中

故有：

其中

对于以上方程组，不能保证每一个方程的解都相同，其中两个或两个以上方程的解可能彼此远离，因此，全局的解决方案也不能得到保证；

令:

找到使λ达到最小化的X，即是方程组的解上述函数为非凸函数，只能得到局部的极小值，为了得到全局的极小值，通过选择初始点可以解决这一问题，因此可以按下面步骤：

步骤一，生成m个初始点集，每个集合是{X⁽⁰⁾}^m，m∈{1，2，...，M}，对于每一组初始点，用牛顿方法求得方程最小化问题的解X_m

步骤二，求出对应Xm的值

步骤三，根据的值，生成另外m个初始点集，再继续步骤二

重复上述过程，直到函数值不再发生变化或只有非常小的变化，然后以最小函数值λ_m的解X_m作为最终方案返回

得到解X_m后，继续进行下一步计算，代入X_m原始方程为：

即

Bi＝t+sPi，其中

即：

Di＝sGi，其中

展开为

对于S₁₁，S₁₂，S₁₃有：

可见，这是一个关于未知数S_11，S₁₂，S₁₃的三元一次方程组

令

则：

化为三元一次方程组，且有三个等式。可以用平方根法或者SOR方法求解对于s₂₁，s₂₂，s₂₃，对于s₃₁，s₃₂，s₃₃可用相同的方法得出

将s代入等式B_i＝t+sP_i中，即可得：

t＝-sP_i+B_i

到此，工艺设备坐标系相对于机器人基座标系的位置t和姿态s均已得到。

优选的，所述测量球的球心在工艺设备坐标系下的位置P_i由激光追踪仪测量得出。

一种测定装置，其特征在于：利用上述的一种基于激光追踪仪的机器人及其工艺设备的相对位姿的测定方法进行测定。

本发明具有如下优点：避免了人为观测造成的误差，使计算结果精确程度提升；测量过程更加简单方便，传统的测量手段在找到机器人执行端点在工艺设备坐标系下的位置时，需要用测量球测量很多点通过几何关系和拟合计算才可得到(因为激光测量只能测球心在坐标系下的位置，而球是通过表面与实物接触，距离差一个球的半径，所以需通过几何关系和拟合计算)，而本发明直接将机器人执行端点定义在测量球心的位置，故测量时所测即所得，不需要通过几何关系和拟合转换，所以测量球的球心采点时不需采很多点来拟合圆柱及平面以得到机器人工具坐标系的一个位置，直接采一点即可；适用于任何角度的工艺设备坐标系，不需Z向补偿工具坐标系。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1：本发明的结构示意图；

图2：本发明的流程图；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种基于激光追踪仪的机器人及其工艺设备的相对位姿的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

将测量球3固定在机器人工具2上，机器人1运行N个位置，机器人1记录下腕部坐标系的在机器人基坐标系下的位置M_i和姿态R_i，其中 同时记录下这N次测量中测量球2的球心在工艺设备坐标系下的位置P_i，其中

将所得到的N个腕部坐标系的在机器人基坐标系下的位置M_i和姿态R_i与N次测量中测量球3的球心的位置P_i带入相关公式进行求解，得到工艺设备坐标系相对于机器人基坐标系的相对位姿。

优选的，所述相关公式为，已知的输入为所采集的数据M_i，R_i，P_i，

未知的参数为工艺设备坐标系相对于机器人基坐标系的位置t和姿态s；

另外设测量球3的球心相对于腕部坐标系的位置为X，也为一个待求得未知参数；

存在以下方程：

令

有：

化简得到：

其中

故有：

其中

对于以上方程组，不能保证每一个方程的解都相同，其中两个或两个以上方程的解可能彼此远离，因此，全局的解决方案也不能得到保证；

令:

找到使λ达到最小化的X，即是方程组的解

上述函数为非凸函数，只能得到局部的极小值，为了得到全局的极小值，通过选择初始点可以解决这一问题，因此可以按下面步骤：

步骤一，生成m个初始点集，每个集合是{X⁽⁰⁾}^m，m∈{1，2，...，M}，对于每一组初始点，用牛顿方法求得方程最小化问题的解X_m

步骤二，求出对应Xm的值

步骤三，根据的值，生成另外m个初始点集，再继续步骤二

重复上述过程，直到函数值不再发生变化或只有非常小的变化，然后以最小函数值λ_m的解X_m作为最终方案返回得到解X_m后，继续进行下一步计算，代入X_m原始方程为：

即

B_i＝t+sP_i，其中

即：

D_i＝sG_i，其中

展开为

对于S₁₁，S₁₂，S₁₃有：

可见，这是一个关于未知数S₁₁，S₁₂，S₁₃的三元一次方程组

令

则：

化为三元一次方程组，且有三个等式。可以用平方根法或者SOR方法求解对于s₂₁，s₂₂，s₂₃，对于s₃₁，s₃₂，s₃₃可用相同的方法得出

将s代入等式B_i＝t+sP_i中，即可得：

t＝-sP_i+B_i

到此，工艺设备坐标系相对于机器人基座标系的位置t和姿态s均已得到。

优选的，所述测量球3的球心在工艺设备坐标系下的位置P_i由激光追踪仪6测量得出。

一种测定装置，其特征在于：利用上述的一种基于激光追踪仪的机器人及其工艺设备的相对位姿的测定方法进行测定。

具体工作原理：其中图1中的机器人1与机器人工具2连接，机器人工具上固接有测量球3。激光追踪仪6用于测量测量球3的球心在工艺设备坐标系的位置。机器人工具2下方是工装4。经过本方法计算得到的工艺设备坐标系相对于机器人基座标系的位置t和姿态s会输入到机器人进行验证，如果合格将会直接使用。如果不合格将会重新采集数据进行计算，如图2所示。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于激光追踪仪的机器人及其工艺设备的相对位姿的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

将测量球(3)固定在机器人工具(2)上，机器人(1)运行N个位置，机器人(1)记录下腕部坐标系的在机器人基坐标系下的位置M_i和姿态R_i，其中同时记录下这N次测量中测量球(2)的球心在工艺设备坐标系下的位置P_i，其中

将所得到的N个腕部坐标系的在机器人基坐标系下的位置M_i和姿态R_i与N次测量中测量球(3)的球心的位置P_i带入相关公式进行求解，得到工艺设备坐标系相对于机器人基坐标系的相对位姿。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光追踪仪的机器人及其工艺设备的相对位姿的测定方法，其特征在于：所述相关公式为，已知的输入为所采集的数据M_i，R_i，P_i，

未知的参数为工艺设备坐标系相对于机器人基坐标系的位置t和姿态s；

另外设测量球(3)的球心相对于腕部坐标系的位置为X，也为一个待求得未知参数；

存在以下方程：

令

有：

化简得到：

其中

故有：

其中

对于以上方程组，不能保证每一个方程的解都相同，其中两个或两个以上方程的解可能彼此远离，因此，全局的解决方案也不能得到保证；

令:

找到使λ达到最小化的X，即是方程组的解上述函数为非凸函数，只能得到局部的极小值，为了得到全局的极小值，通过选择初始点可以解决这一问题，因此可以按下面步骤：

步骤一，生成m个初始点集，每个集合是{X⁽⁰⁾}^m，m∈{1，2，...，M}，对于每一组初始点，用牛顿方法求得方程最小化问题的解X_m

步骤二，求出对应X_m的值

步骤三，根据的值，生成另外m个初始点集，再继续步骤二

重复上述过程，直到函数值不再发生变化或只有非常小的变化，然后以最小函数值λ_m的解X_m作为最终方案返回得到解X_m后，继续进行下一步计算，代入X_m原始方程为：

即

B_i＝t+sP_i，其中B_i＝M_i+R_iX_m，

即：

D_i＝sG_i，其中

展开为

对于S₁₁，S₁₂，S₁₃有：

可见，这是一个关于未知数S₁₁，S₁₂，S₁₃的三元一次方程组

令

则：

化为三元一次方程组，且有三个等式。可以用平方根法或者SOR方法求解对于s₂₁，s₂₂，s₂₃，对于s₃₁，s₃₂，s₃₃可用相同的方法得出

将s代入等式B_i＝t+sP_i中，即可得：

t＝-sP_i+B_i

到此，工艺设备坐标系相对于机器人基座标系的位置t和姿态s均已得到。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于激光追踪仪的机器人及其工艺设备的相对位姿的测定方法，其特征在于：所述测量球(3)的球心在工艺设备坐标系下的位置P_i由激光追踪仪(6)测量得出。

4.一种测定装置，其特征在于：利用如权利要求1至3任意一项所述的一种基于激光追踪仪的机器人及其工艺设备的相对位姿的测定方法。