CN108748159A - 一种机械臂工具坐标系自标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械臂工具坐标自标定方法，属于机器人标定相关技术领域，该方法适用于XYZR直角坐标型机器人，利用机器人自身的点位标定工具中心点，通过调整在机械臂末端的旋转轴上固定安装工具与顶尖的多个点及对应的多个位置数据，直到所需点记录完成，将记录的点位数据进行圆拟合得到圆心坐标，根据坐标几何关系获得工具坐标。本发明不需要借助外部测量工具，利用自身条件对工具坐标系相对于末端坐标系的位姿进行辨识，方法简单，便于设备方现场应用。

Description

一种机械臂工具坐标系自标定方法

技术领域

本发明适用于XYZR直角坐标型机器人工具坐标系的标定领域，具体涉及一种机械臂工具坐标系自标定方法。

背景技术

以工业机器人为主的柔性加工生产单元已成为将来制造业的主要发展方向，而离线编程技术又会取代目前较为广泛应用的在线示教编程，而成为工业机器人任务规划的主要编程技术。离线编程需要在计算机中对实际的机器人及其工作环境中的其它设备和工具建立精确的模型，所以对实际机器人的几何机构参数和工具参数的标定是非常重要的。固定在机器人末端的诸如夹具、焊枪等工具或摄像机、探针等传感器，都要在其自身某一位置固定一个坐标系，从而控制其相对于机器人基坐标系或世界坐标系的位置和姿态，此坐标系即为工具坐标系。

机器人工具坐标系(tool coordinate frame，TCF)标定就是确定工具坐标系相对于机器人末端连杆坐标系的变换矩阵。目前大多数商品化的机器人，其末端工具本身就是标准件，其TCF参数通常已经固定在控制器中。而且生产商还会提供一个标准的参考点来校正工具，这样用户会很方便地调整工具，但这又限制了机器人的应用，也就是说若更换了工具，其TCF的参数就很难通过这种方法来确定。例如焊接机器人，焊枪是完成焊接任务必不可少的工具，即使是同一批量的焊枪，也会因为加工误差导致其偏移量不完全相同，工具坐标系的准确度直接影响机器人的轨迹精度，所以建立一种准确、快速的标定方法对机器人的应用具有重要意义。

目前国内外工业机器人工具标定从原理上分主要有外部基准法和多点标定法。外部基准法如FANUC机器人利用DynaCal系统进行标定，ABB弧焊机器人采用Bull Eyes系统工具自动标定方法，这些方法均依赖于外部基准。多点标定法因其标定简单被广泛使用，如六点标定法、球心拟合法等进行TCP位置标定。从标定数据来源上可以分为自身标定和外部测量两种。自身标定的数据来自机器人控制器末端点位数据，外部测量则借助外部的传感设备采集点位数据，如激光跟踪仪。大体上，国内外工件坐标系的标定方法比较类似，基本上都是获取工件坐标系下的釆样点，根据这些釆样点在分别在两个坐标系下的坐标值，根据相应的矩阵运算标定出工件坐标系。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种机械臂工具坐标系自标定方法,以自身控制器数据对未知工具坐标系标定，该方法不依赖于运动学矩阵运算，避免了矩阵计算陷入奇异的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种机械臂工具坐标系自标定方法，包括如下步骤：

(1)在机械臂末端的旋转轴上固定安装工具，并将装有所述工具的所述旋转轴回零，此时将顶尖接近所述工具的末端中心点直到重合，固定所述顶尖，标记所述顶尖的尖端作为初始点，并记录此时所述初始点对应的位置数据为第一数据；

(2)旋转末端轴若干角度，使所述工具中心点从步骤(1)所述初始点转到第二个点，然后将所述工具中心点在不改变当前姿态的前提下，从所述第二个点移动到初始点，并记录此时所述初始点对应的位置数据为第二数据；

(3)将所述工具中心点在不改变当前姿态的前提下回到步骤(2)所述第二个点，再次旋转末端轴若干角度，使所述工具中心点从所述第二个点转到第三个点，然后将所述工具中心点在不改变当前姿态的前提下，从所述第三个点移动到初始点，并记录此时所述初始点对应的位置数据为第三数据；

(4)重复步骤(2)和步骤(3)过程，直到所需点记录完成，然后将记录的点位置数据进行空间圆拟合得到圆心坐标，根据坐标几何关系获得工具坐标。

进一步地，步骤(4)中所述所需点及对应的点位数据为6个。

进一步地，所述初始点对应的位置数据为机械臂末端法兰中心位置的坐标，旋转工具中心点获得的若干点为一个圆轨迹，基于等效原理，机械臂末端法兰中心也形成一个圆轨迹。

进一步地，步骤(4)具体为：所述圆拟合分为平面拟合和平面圆拟合，平面公式为：z＝ax+by+c，采用最小二乘法的二元回归模型拟合，可获得平面法向量：将其单位化：当前笛卡尔坐标系{B}变换到新坐标系{P}，其转换矩阵为：

其中x,y,z为空间坐标值，a,b,c为空间平面表达式系数，A_i为机械臂末端法兰中心在笛卡尔坐标系{B}下的位置坐标值，i取2,···,6中任意一个；A₁为工具中心点在初始位置时机械臂末端法兰中心在笛卡尔坐标系{B}下的位置坐标值；为平面单位法向量；

将空间圆轨迹转换到二维空间的公式为：

其中，A_i为机械臂末端法兰中心在笛卡尔坐标系{B}下的位置坐标值，i取2,···,6中任意一个；^PA_i为A_i在新坐标系{P}下的位置坐标值；为新坐标系{P}变换到笛卡尔坐标系{B}的转换矩阵；为的逆矩阵，即笛卡尔坐标系{B}变换到新坐标系{P}的转换矩阵；

圆轨迹方程为：ρ＝x²+y²＝λx+μy+η，采用最小二乘法的二元回归模型拟合，可获得圆心坐标：将转换到三维空间圆心

其中x,y为空间坐标值，λ，μ，η为圆表达式系数。

6.根据权利要求1所述的一种机械臂工具坐标系自标定方法，其特征在于，所述工具坐标为：

有益效果

机器人工具坐标系标定是计算工具端相对于机器人末端坐标系的位置和姿态的辨识过程，该位姿是一个未知的确定位姿。其中，机器人末端坐标系，是涉及到机器人控制器软件的坐标系，可以通过控制器读取各关节编码器值，并经正向运动学求得机器人末端坐标系的位置和姿态。工具坐标系是定义在工具末端的坐标系，本发明不需要借助外部测量工具，利用自身条件对工具坐标系相对于末端坐标系的位姿进行辨识，方法简单，便于设备方现场应用；现行的工具标定法大部分以六轴机器人为研究对象，适用于自由度较高的机型，而本发明主要适用于自由度低的机型，如四轴机器人，避免了使用矩阵运算易陷入奇异的情况。

附图说明

图1为本发明所述一种机械臂工具坐标自标定方法的结构示意图；

图2为本发明所述一种机械臂工具坐标自标定方法的原理示意图；

图3为本发明所述一种机械臂工具坐标自标定方法的原理示意图的右视图；

图4为本发明所述一种机械臂工具坐标自标定方法的工具坐标系示意图。

具体实施方式

应当指出，以下是结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，不应视为对本发明的保护范围有任何限制作用。此外，在不冲突的情形下，本部分中的实施例以及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1至图2，本发明较佳实施方式提供的一种机械臂工具坐标系自标定方法，包括如下步骤：

(1)在机械臂末端的旋转轴1上固定安装工具2，并将装有所述工具2的所述旋转轴1回零，此时将顶尖3接近所述工具2的末端中心点直到重合，固定所述顶尖3，标记所述顶尖的尖端作为初始点P1，并记录此时所述初始点P1对应的位置数据为第一数据A1；

(2)旋转末端轴若干角度，使所述工具2中心点从步骤(1)所述初始点P1转到第二个点P2，然后将所述工具2中心点在不改变当前姿态的前提下，从所述第二个点P2移动到初始点P2，并记录此时所述初始点P1对应的位置数据为第二数据A2；

(3)将所述工具2中心点在不改变当前姿态的前提下回到步骤(2)所述第二个点P2，再次旋转末端轴若干角度，使所述工具2中心点从所述第二个点P2转到第三个点P3，然后将所述工具2中心点在不改变当前姿态的前提下，从所述第三个点P3移动到初始点P1，并记录此时所述初始点P1对应的位置数据为第三数据A3；

(4)重复步骤(2)和步骤(3)过程，直到所需点记录完成，然后将记录的点位置数据A1-A6进行空间圆拟合得到圆心坐标根据坐标几何关系获得工具坐标T。

具体地，所述先旋转再移动到初始点P1所需记录的位置个数为6个。本实施方式中，所述记录的位置为6个，可以理解，在其他实施方式中，所述位置个数可以根据实际需要增加或减少，但最少不能少于3个。

如图3所示，所述记录位置数据A1-A6为机械臂末端法兰中心位置，可由控制器读取各关节编码器值，并经正向运动学求得机器人末端坐标系的位置和姿态，旋转工具中心点获得的若干点P1-P6为一个圆轨迹，基于等效原理，机械臂末端法兰中心也形成一个圆轨迹，

具体地，步骤(4)具体为：所述圆拟合分为平面拟合和平面圆拟合，平面公式为：z＝ax+by+c，采用最小二乘法的二元回归模型拟合，可获得平面法向量：将其单位化：当前笛卡尔坐标系{B}变换到新坐标系{P}，其转换矩阵为：

其中x,y,z为空间坐标值，a,b,c为空间平面表达式系数，A_i为机械臂末端法兰中心在笛卡尔坐标系{B}下的位置坐标值，i取2,···,6中任意一个；A₁为工具中心点在初始位置时机械臂末端法兰中心在笛卡尔坐标系{B}下的位置坐标值；为平面单位法向量；

将空间圆轨迹转换到二维空间的公式为：

其中，A_i为机械臂末端法兰中心在笛卡尔坐标系{B}下的位置坐标值，i取2,···,6中任意一个；^PA_i为A_i在新坐标系{P}下的位置坐标值；为新坐标系{P}变换到笛卡尔坐标系{B}的转换矩阵；为的逆矩阵，即笛卡尔坐标系{B}变换到新坐标系{P}的转换矩阵；

圆轨迹方程为：ρ＝x²+y²＝λx+μy+η，采用最小二乘法的二元回归模型拟合，可获得圆心坐标：将转换到三维空间圆心

其中x,y为空间坐标值，λ，μ，η为圆表达式系数。

如图4所示，所述工具坐标为：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，均可想到的变化或替换都涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求保护的范围为准。

Claims (5)

1.一种机械臂工具坐标系自标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在机械臂末端的旋转轴上固定安装工具，并将装有所述工具的所述旋转轴回零，此时将顶尖接近所述工具的末端中心点直到重合，固定所述顶尖，标记所述顶尖的尖端作为初始点，并记录此时所述初始点对应的位置数据为第一数据；

(2)旋转末端轴若干角度，使所述工具中心点从步骤(1)所述初始点转到第二个点，然后将所述工具中心点在不改变当前姿态的前提下，从所述第二个点移动到初始点，并记录此时所述初始点对应的位置数据为第二数据；

(3)将所述工具中心点在不改变当前姿态的前提下回到步骤(2)所述第二个点，再次旋转末端轴若干角度，使所述工具中心点从所述第二个点转到第三个点，然后将所述工具中心点在不改变当前姿态的前提下，从所述第三个点移动到初始点，并记录此时所述初始点对应的位置数据为第三数据；

(4)重复步骤(2)和步骤(3)过程，直到所需点记录完成，然后将记录的点位置数据进行空间圆拟合得到圆心坐标，根据坐标几何关系获得工具坐标。

2.根据权利要求1所述的一种机械臂工具坐标系自标定方法，其特征在于，步骤(4)中所述所需点及对应的点位数据为6个。

3.根据权利要求1所述的一种机械臂工具坐标系自标定方法，其特征在于，所述初始点对应的位置数据为机械臂末端法兰中心位置的坐标，旋转工具中心点获得的若干点为一个圆轨迹，基于等效原理，机械臂末端法兰中心也形成一个圆轨迹。

4.根据权利要求1所述的一种机械臂工具坐标系自标定方法，其特征在于，步骤(4)具体为：所述圆拟合分为平面拟合和平面圆拟合，平面公式为：z＝ax+by+c，采用最小二乘法的二元回归模型拟合，可获得平面法向量：将其单位化：当前笛卡尔坐标系{B}变换到新坐标系{P}，其转换矩阵为：

其中x,y,z为空间坐标值，a,b,c为空间平面表达式系数，A_i为机械臂末端法兰中心在笛卡尔坐标系{B}下的位置坐标值，i取2,···,6中任意一个；A₁为工具中心点在初始位置时机械臂末端法兰中心在笛卡尔坐标系{B}下的位置坐标值；为平面单位法向量；

将空间圆轨迹转换到二维空间的公式为：

其中，A_i为机械臂末端法兰中心在笛卡尔坐标系{B}下的位置坐标值，i取2,···,6中任意一个；^PA_i为A_i在新坐标系{P}下的位置坐标值；为新坐标系{P}变换到笛卡尔坐标系{B}的转换矩阵；为的逆矩阵，即笛卡尔坐标系{B}变换到新坐标系{P}的转换矩阵；

圆轨迹方程为：ρ＝x²+y²＝λx+μy+η，采用最小二乘法的二元回归模型拟合，可获得圆心坐标：将转换到三维空间圆心

其中x,y为空间坐标值，λ，μ，η为圆表达式系数。

5.根据权利要求1所述的一种机械臂工具坐标系自标定方法，其特征在于，所述工具坐标为：