CN108994827A - 一种机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人测量‑加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，它首先建立机器人运动和扫描仪扫描协同标定工作流程，其次建立扫描仪扫描点数据处理方法，最后根据坐标变换关系，建立扫描仪坐标系与机器人坐标系的转换矩阵，从而完成扫描仪坐标系的自动标定。本发明克服了传统人工操作机器人进行标定的繁杂流程，以及标定过程中的工具装夹误差等弊端，易于实现机器人测量‑加工系统扫描仪坐标系的自动标定，可广泛应用于航空、航天、汽车、高铁、能源等领域复杂零部件机器人测量‑加工系统，并显著提高加工精度。
Description
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法。
背景技术
随着工业机器人技术的快速发展，基于机器人的测量加工系统已广泛应用于航空、航天、汽车、高铁、能源等领域各类零部件加工，并逐渐取代传统人工作业方式，实现零部件生产自动化。为了保证良好的加工精度，需要对测量系统(扫描仪)进行标定，并重点确定机器人坐标系和测量系统之间的位置关系。采用人工操作机器人进行标定的方法过程繁琐，操作难度大，对操作人员技术要求水平高。申请号为201510483410.0的中国发明专利申请公开了一种基于扫描仪的机器人手眼标定方法，它提出了一种利用扫描仪扫描机器人末端夹持工具，从而得到扫描仪坐标系相对于机器人末端坐标系实际位置的标定方法，该方法在平移矩阵标定中采用线性运动，其标定过程操作难度大，不易实现标定自动化。
发明内容
本发明提供一种机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，它采用重定位方式，具有精度更高、易于实现全过程自动标定的特点，能广泛适用于面扫描和线扫描机器人测量-加工系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，包括如下步骤：
S1、建立机器人运动和扫描仪扫描协同标定工作流程：在机器人坐标系中选取至少四个异面tool0位置，机器人的末端夹持有标准球，上位机控制机器人执行运动程序和扫描仪执行扫描程序，使处于任一tool0位置的标准球以至少四种不同的姿态被扫描仪扫描，机器人运动和扫描仪扫描获取的点轨迹信息返回给上位机；
S2、建立扫描仪扫描点数据：按照点数据处理方法，上位机对标准球面点云提取，计算得到扫描仪坐标系中所有标准球的球心坐标，再据此计算得到拟合球心坐标；
S3、通过坐标变换关系，建立扫描仪坐标系与机器人坐标系的转换矩阵，由步骤S1中机器人坐标系中的tool0位置和步骤S2中的拟合球心坐标，计算得到转换矩阵，从而实现扫描仪坐标系的自动标定。
按上述技术方案，步骤S1中，四个异面tool0位置分别记为a点、b点、c点、d点，机器人夹持标准球使其在扫描仪视野范围内依次沿机器人坐标系从a到b、z轴b到c、x轴c到d做线性运动，机器人每到一次线性运动的终点就返回机器人坐标系下的tool0位置，并在每一次线性运动终点以tool0为TCP点做重定位运动。
按上述技术方案，步骤S1中，四种不同的姿态分别记为姿态A、姿态B、姿态C、姿态D，姿态A为用户给定，姿态B、姿态C、姿态D通过固定旋转角度生成，且均匀分布在姿态A周围。
按上述技术方案，步骤S2包括：
S201、标准球面点云提取：对于含有夹具等环境的扫描点云，采用截面法对标准球点云进行提取，具体为采用x＝xmin和x＝xmin+d两截平面对点云进行截取，其中xmin为点云横坐标最小值，0<d<Rb，Rb为标准球半径；
S202、标准球心计算：对扫描点云提取标准球球面点云，根据获取球面点云位置信息，采用最小二乘法进行球拟合计算标准球心坐标(x0,y0,z0)，其表达式如下：
ei(x0,y0,z0,R)＝(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2-R2 (1)
其中，(xi,yi,zi)为标准球面点云坐标，R为拟合标准球半径，公式(2)满足
求解公式(3)，即求得标准球心坐标(x0,y0,z0)；
S203、拟合球心计算：设拟合球心的坐标为(x,y,z)，半径为r，分别得到A、B、C、D四种不同姿态下的标准球心Q1(x01,y01,z01)，Q2(x02,y02,z02)，Q3(x03,y03,z03)和Q4(x04,y04,z04)，并满足下式：
通过公式(4)解出(x,y,z)，即获取拟合球心的坐标，同时也是扫描仪坐标系下tool0坐标值(xs,ys,zs)，由此计算得到a、b、c、d四个拟合球心坐标分别为
按上述技术方案，步骤S3包括：
S301、根据扫描仪坐标系下tool0点拟合的球心坐标 根据机器人返回的在扫描点的四个异面tool0位置信息记为
S302、设扫描仪坐标系转换到机器人坐标系的旋转矩阵为Tr、平移矩阵为Tm，因此对a、b、c、d四点满足下式：
解公式(5)得旋转矩阵为
设平移矩阵Tm＝(xm ym zm)，对于扫描仪坐标系中任一点(xs,ys,zs)，转换到机器人坐标系中(xr,yr,zr)均有下式成立：
代入a、b、c、d之间任一点坐标即求得平移矩阵Tm。
本发明产生的有益效果是：本发明通过建立机器人坐标系与扫描仪坐标系的转换关系，克服了传统人工操作机器人进行标定的繁杂流程以及标定过程装夹误差，能显著提升标定精度，实现标定过程自动化。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例中测量加工系统简图；
图2为本发明实施例中自动标定方法原理图；
图3为本发明实施例中机器人与扫描仪协同标定过程原理图；
图4为本发明实施例中标准球面点云提取简图；
图5为本发明实施例中四点法计算拟合球心原理图；
图6为本发明实施例中坐标变换原理图；
图7为本发明实施例中自动化标定软件流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，包括如下步骤：
S1、建立机器人运动和扫描仪扫描协同标定工作流程：如图1所示，在机器人坐标系中选取至少四个异面tool0位置，机器人1的末端夹持有标准球2，上位机4控制机器人1执行运动程序和扫描仪3执行扫描程序，使处于任一tool0位置的标准球2以至少四种不同的姿态被扫描仪扫描，机器人运动和扫描仪扫描获取的点轨迹信息返回给上位机，同时返回在扫描点的tool0(TCP)位置信息；
S2、建立扫描仪扫描点数据：如图4所示，按照点数据处理方法，上位机对标准球面点云提取，计算得到扫描仪坐标系中所有标准球的球心坐标，再据此计算得到拟合球心坐标；
S3、如图6所示，通过坐标变换关系，建立扫描仪坐标系与机器人坐标系的转换矩阵，由步骤S1中机器人坐标系中的tool0位置和步骤S2中的拟合球心坐标，计算得到转换矩阵，从而实现扫描仪坐标系的自动标定。
在本发明的优选实施例中，如图3所示，步骤S1中，四个异面tool0位置分别记为a点、b点、c点、d点，机器人夹持标准球使其在扫描仪视野范围内以tool0为TCP(刀具中心点)沿机器人坐标系从a到b(y轴负向)、b到c(z轴)、c到d(x轴)做线性运动，具体的，a点与b点、b点与c点、c点与d点之间距离均为100mm，在a、b、c、d四个点均使标准球以A、B、C、D四种姿态被扫描仪扫描，其中A姿态为用户给定，B、C、D姿态通过固定旋转角度生成，均匀分布在A姿态周围，A、B、C、D四种姿态下标准球球心不共面，机器人每到一次线性运动的终点就返回机器人坐标系下的tool0位置，并在每一次线性运动终点以tool0为TCP点做重定位运动(即在机器人运动到a时，机器人以tool0为TCP作重定位运动)。该过程中机器人运动与扫描仪扫描指令由上位机触发，以达到协同标定的目的。
在本发明的优选实施例中，步骤S2包括：
S201、标准球面点云提取：如图4所示，对于含有夹具等环境的扫描点云，采用截面法对标准球点云进行提取，具体为采用x＝xmin和x＝xmin+d两截平面对点云进行截取，其中xmin为点云横坐标最小值，0<d<Rb，Rb为标准球半径；
S202、标准球心计算：对扫描点云提取标准球球面点云，根据获取球面点云位置信息，采用最小二乘法进行球拟合计算标准球心坐标(x0,y0,z0)，其表达式如下：
ei(x0,y0,z0,R)＝(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2-R2 (1)
其中，(xi,yi,zi)为标准球面点云坐标，R为拟合标准球半径，公式(2)满足
求解公式(3)，即求得标准球心坐标(x0,y0,z0)；
S203、拟合球心计算：如图5所示，设拟合球心的坐标为(x,y,z)，半径为r，分别得到A、B、C、D四种不同姿态下的标准球心Q1(x01,y01,z01)，Q2(x02,y02,z02)，Q3(x03,y03,z03)和Q4(x04,y04,z04)，并满足下式：
通过公式(4)解出(x,y,z)，即获取拟合球心的坐标，同时也是扫描仪坐标系下tool0坐标值(xs,ys,zs)，由此计算得到a、b、c、d四个拟合球心坐标分别为
在本发明的优选实施例中，拟合球心计算完成之后，根据机器人运动路径，计算机器人坐标系与扫描仪坐标系之间旋转矩阵，坐标变换原理图如图6所示，步骤S3包括：
S301、根据扫描仪坐标系下tool0点拟合的球心坐标 根据机器人返回的在扫描点的四个异面tool0位置信息记为
S302、设扫描仪坐标系转换到机器人坐标系的旋转矩阵为Tr、平移矩阵为Tm，因此对a、b、c、d四点满足下式：
解公式(5)得旋转矩阵为
设平移矩阵Tm＝(xm ym zm)，对于扫描仪坐标系中任一点(xs,ys,zs)，转换到机器人坐标系中(xr,yr,zr)均有下式成立：
代入a、b、c、d之间任一点坐标即求得平移矩阵Tm。
以a点A姿态计算为例：
1、标准球面点云提取：采用x＝xmin和x＝xmin+0.75Rb两截平面对点云进行截取，如图4所示，其中xmin为点云横坐标最小值，为标准球半径；
2、标准球心计算：解得公式(3)即求得标准球心坐标(x0,y0,z0)，拟合标准球半径R有公式(8)计算，判断|Rb-R|≤0.01mm是否成立，以判断标准球心坐标的精确性和有效性，若不成立，旋转机器人第六轴重复扫描计算，选取最接近的R值对应的球心坐标作为标准球心坐标，
3、拟合球心计算：类似的，按照1.2步骤对a点B、C、D姿态计算标准球心，并通过公式(4)解出(x,y,z)即获取该点坐标，同时也是扫描仪坐标系下tool0坐标值，并记为
b、c、d点计算过程同a。
本发明的主要原理，如图2所示，包括以下如下步骤：
S1、建立机器人运动和扫描仪扫描协同标定工作流程；
S2、建立扫描仪扫描点数据处理方法；
S3、通过步骤S2获取数据，根据坐标变换关系，建立扫描仪坐标系与机器人坐标系的转换矩阵，从而实现扫描仪坐标系的自动标定。
如图7所示，为本发明在测量加工系统中实现的自动化标定流程。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、建立机器人运动和扫描仪扫描协同标定工作流程：在机器人坐标系中选取至少四个异面tool0位置，机器人的末端夹持有标准球，上位机控制机器人执行运动程序和扫描仪执行扫描程序，使处于任一tool0位置的标准球以至少四种不同的姿态被扫描仪扫描，机器人运动和扫描仪扫描获取的点轨迹信息返回给上位机；
S2、建立扫描仪扫描点数据：按照点数据处理方法，上位机对标准球面点云提取，计算得到扫描仪坐标系中所有标准球的球心坐标，再据此计算得到拟合球心坐标；
S3、通过坐标变换关系，建立扫描仪坐标系与机器人坐标系的转换矩阵，由步骤S1中机器人坐标系中的tool0位置和步骤S2中的拟合球心坐标，计算得到转换矩阵，从而实现扫描仪坐标系的自动标定。
2.根据权利要求1所述的机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，其特征在于，步骤S1中，四个异面tool0位置分别记为a点、b点、c点、d点，机器人夹持标准球使其在扫描仪视野范围内依次沿机器人坐标系从a到b、b到c、c到d做线性运动，机器人每到一次线性运动的终点就返回机器人坐标系下的tool0位置，并在每一次线性运动终点以tool0为TCP点做重定位运动。
3.根据权利要求2所述的机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，其特征在于，步骤S1中，四种不同的姿态分别记为姿态A、姿态B、姿态C、姿态D，姿态A为用户给定，姿态B、姿态C、姿态D通过固定旋转角度生成，且均匀分布在姿态A周围。
4.根据权利要求3所述的机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，其特征在于，步骤S2包括：
S201、标准球面点云提取：对于含有夹具等环境的扫描点云，采用截面法对标准球点云进行提取，具体为采用x＝xmin和x＝xmin+d两截平面对点云进行截取，其中xmin为点云横坐标最小值，0<d<Rb，Rb为标准球半径；
S202、标准球心计算：对扫描点云提取标准球球面点云，根据获取球面点云位置信息，采用最小二乘法进行球拟合计算标准球心坐标(x0,y0,z0)，其表达式如下：
ei(x0,y0,z0,R)＝(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2-R2 (1)
其中，(xi,yi,zi)为标准球面点云坐标，R为拟合标准球半径，公式(2)满足
求解公式(3)，即求得标准球心坐标(x0,y0,z0)；
S203、拟合球心计算：设拟合球心的坐标为(x,y,z)，半径为r，分别得到A、B、C、D四种不同姿态下的标准球心Q1(x01,y01,z01)，Q2(x02,y02,z02)，Q3(x03,y03,z03)和Q4(x04,y04,z04)，并满足下式：
通过公式(4)解出(x,y,z)，即获取拟合球心的坐标，同时也是扫描仪坐标系下tool0坐标值(xs,ys,zs)，由此计算得到a、b、c、d四个拟合球心坐标分别为
5.根据权利要求4所述的机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，其特征在于，步骤S3包括：
S301、根据扫描仪坐标系下tool0点拟合的球心坐标 根据机器人返回的在扫描点的四个异面tool0位置信息记为a
S302、设扫描仪坐标系转换到机器人坐标系的旋转矩阵为Tr、平移矩阵为Tm，因此对a、b、c、d四点满足下式：
解公式(5)得旋转矩阵为
设平移矩阵Tm＝(xm ym zm)，对于扫描仪坐标系中任一点(xs,ys,zs)，转换到机器人坐标系中(xr,yr,zr)均有下式成立：
代入a、b、c、d之间任一点坐标即求得平移矩阵Tm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20181214 |