CN109514554B - 利用机器人末端视觉系统的工具坐标系快速标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用机器人末端视觉系统的工具坐标系快速标定方法,该标定方法使用装夹在主轴上的标定工具以及安装在机器人末端执行器上的双目视觉系统进行标定。标定工具由主轴芯棒和固定在主轴芯棒上的两个标准球组成。本发明的标定方法包括：通过双目视觉系统获得标准球球心位置；计算主轴轴线在相机坐标系下的方向；计算工具坐标系在相机坐标系下的位姿描述；计算工具坐标系在法兰盘坐标系下的位姿描述。该标定方法操作简便易与掌握，且具有较高的标定效率，能满足机器人加工系统在生产中的应用需求。

Description

利用机器人末端视觉系统的工具坐标系快速标定方法

技术领域

本发明涉及机器人末端执行器的工具坐标系快速标定方法，尤其涉及含视觉系统的机器人末端执行器的工具坐标系快速标定方法。

背景技术

随着工业机器人精度的不断提高，机器人加工系统由于其高柔性和低成本被广泛的使用。尤其在航空制造领域，机器人加工系统成为小批量、大型装配件加工的最佳选择。

机器视觉使机器人具有视觉感知功能，机器人可以通过视觉系统获取周边环境，并通过处理器对视野中的场景进行分析和解释，让机器人能够实现识别和定位的功能。双目视觉系统是用双相机从不同的角度获取同一三维场景的两幅数字图像，通过立体匹配算法来计算两幅图像像素间的视差来获取该三维场景的三维几何信息和深度信息。

机器人工具坐标系标定是指对工具坐标系与机器人末端法兰盘坐标系之间的转换矩阵进行标定，这是实现机器人加工的前提。传统的工具坐标系标定方法大多需要多次移动机器人到目标位置(牛雪娟,刘景泰.基于奇异值分解的机器人工具坐标系标定[J].自动化与仪表,2008(03):1-4.)，标定步骤繁琐且容易带来很大的人为误差。文献(冯晓波.机器人准确制孔技术研究[D].浙江大学,2011.)使用激光追踪仪标定工具坐标系，但该标定方法成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种机器人末端执行器的工具坐标系快速标定方法，该标定方法操作简便易与掌握，且具有较高的标定效率，能满足机器人加工系统在生产中的应用需求。

实现本发明方法采用的技术方案是：

本发明的一种利用机器人末端视觉系统的工具坐标系快速标定方法，包括如下步骤：

步骤一、获取第一标准球和第二标准球的球心在双目视觉系统坐标系下的坐标P_A,P_B，具体步骤如下：

(1)将标定工具装夹在机器人末端执行器主轴上，使得第一标准球和第二标准球存在于双目视觉系统的测量范围内；所述的标定工具包括一端装夹在机器人末端执行器主轴上的主轴芯棒，在所述的主轴芯棒的另一端固定有第二标准球,在所述的主轴芯棒上固定有第一标准球，所述的第一标准球和第二标准球与主轴芯棒同轴线安装，第一标准球和第二标准球的半径分别为r1,r2，r1<r2，双目视觉系统安装在主轴上侧并与机器人的末端执行器刚性连接，所述的双目视觉系统采用视觉传感器；

(2)使用双目视觉系统获取视野中标定工具的三维点云；

(3)对三维点云进行处理后，使用点云数据分别拟合半径为r1、r2的第一标准球和第二标准球，拟合出第一标准球和第二标准球的球心在双目视觉系统坐标系下的坐标为P_A、P_B；

步骤二、建立工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′，具体步骤为：

(1)通过第一标准球和第二标准球的球心在双目视觉系统坐标系下的坐标P_A、P_B计算主轴轴向在双目视觉系统坐标系下的单位向量

其中n₁，n₂，n₃为主轴轴向在双目视觉坐标系的x，y，z轴上的分量；

(2)以主轴轴向为Z_t′轴，以第二标准球的球心为坐标系原点建立修正前的工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′，得出修正前的工具坐标系的X_t′、Y_t′、Z_t′轴的轴向在双目视觉系统坐标系下的单位向量为：

其中

在此设备布置中μ₀≠0；

工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′在双目视觉系统坐标系下的位姿描述^CT_t′为：

步骤三、对工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′进行Z_t′向修正，并计算修正后的工具坐标系O_tX_tY_tZ_t在机器人末端的法兰盘坐标系下的位姿描述^FT_t：

其中^FT_C为双目视觉系统坐标系在法兰盘坐标系下的位姿；

^CT_t为修正过的工具坐标系在双目视觉系统坐标系下的位姿，计算公式为：

^CT_t＝^CT_t′ΔT

h为第二标准球的球心相对于主轴装夹处端面的距离；H为实际工具坐标系原点相对于主轴装夹处端面的距离。

本发明的有益效果是：本方法操作简便易与掌握，且具有较高的标定效率，能满足机器人加工系统在生产中的应用需求。

附图说明

图1为本发明中工具坐标系标定时各坐标系关联示意图；

图2是本发明设计的标定装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明加以详细说明。

本发明提供的利用机器人末端视觉系统的工具坐标系快速标定方法，包括如下步骤：

步骤一、获取第一标准球5和第二标准球6的球心在双目视觉系统坐标系C下的坐标P_A,P_B，具体步骤如下：

(1)将标定工具3装夹在机器人末端执行器主轴上，使得第一标准球5和第二标准球6存在于双目视觉系统2的测量范围内；如本发明图1所示，所述的标定工具3包括一端装夹在机器人末端执行器1主轴上的主轴芯棒4，在所述的主轴芯棒4的另一端固定有第二标准球6,在所述的主轴芯棒4上固定有第一标准球5，所述的第一标准球5和第二标准球6与主轴芯棒4同轴线安装，第一标准球5和第二标准球6的半径分别为r1,r2，r1<r2，且第二标准球6的球心相对于主轴装夹处端面的距离为h。双目视觉系统2安装在主轴上侧并与机器人的末端执行器刚性连接，所述的双目视觉系统2采用视觉传感器。

(2)使用双目视觉系统2获取视野中标定工具的三维点云；

(3)对三维点云进行处理后，使用点云数据分别拟合半径为r1、r2的第一标准球5和第二标准球6，拟合出第一标准球5和第二标准球6的球心在双目视觉系统坐标系下的坐标为P_A、P_B。

步骤二、建立工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′，具体步骤为：

(1)由于第一标准球5和第二标准球6的球心均在主轴轴线上，通过第一标准球5和第二标准球6的球心在双目视觉系统坐标系下的坐标P_A、P_B计算主轴轴向在双目视觉系统坐标系下的单位向量

其中n₁，n₂，n₃为主轴轴向在双目视觉坐标系的x，y，z轴上的分量。

(2)以主轴轴向为Z_t′轴，以第二标准球6的球心为坐标系原点建立修正前的工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′(图中以t′表示)，得出修正前的工具坐标系的X_t′、Y_t′、Z_t′轴的轴向在双目视觉系统坐标系下的单位向量为：

其中

在此设备布置中μ₀≠0。

工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′在双目视觉系统坐标系下的位姿描述^CT_t′为：

步骤三、对工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′进行Z_t′向修正，并计算修正后的工具坐标系O_tX_tY_tZ_t在机器人末端的法兰盘坐标系下的位姿描述^FT_t。

工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′的原点定义在第二标准球6的球心处，且第二标准球6球心相对于主轴装夹处端面的距离为h，而实际工具坐标系原点相对于主轴装夹处端面的距离为H，因此，对工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′进行修正，修正矩阵为：

所以修正过的工具坐标系在双目视觉系统坐标系下的位姿描述^CT_t为：

^CT_t＝^CT_t′ΔT

双目视觉系统坐标系在法兰盘坐标系下的位姿描述为^FT_C，因此，可以得到修正后的工具坐标系在法兰盘坐标系下的位姿描述^FT_t，^FT_t为本发明的标定方法最终得到的位姿:

实施例：

应用本发明所述的方法进行仿真实验，过程如下：

1)对本次仿真实验中，标定装置上第一标准球5和第二标准球6的半径分别为17.5mm，25mm，且第二标准球6球心相对于主轴装夹处端面的距离为150mm。

当标定工具装夹在主轴上时，第一标准球5和第二标准球6球心在双目视觉坐标系下理想坐标为(0，115，205)(0，115，275)。双目视觉系统和机器人末端执行器法兰盘之间的手眼关系矩阵为：

2)模拟点云拟合误差和标定工具加工误差。对拟合出第一标准球5和第二标准球6的球心坐标值X,Y,Z各方向给与标准差为0.1mm的正态分布误差，对第二标准球6球心相对于主轴装夹处端面的距离h和实际工具坐标系原点相对于主轴装夹处端面的距离H分别给与标准差为0.1mm，0.2mm的正态分布误差。

3)计算理想状态下修正后的工具坐标系在法兰盘坐标系下的位姿描述^FT_t为

转换为ZYX欧拉角为(0，0，-1.5708)

2)使用加入误差后的参数进行仿真，将得到的^FT_t转换为欧拉角求取误差，并计算修正后的工具坐标系原点在法兰盘坐标系下的位置误差，仿真数据如表1所示：

表1仿真数据表

组号	欧拉角误差(△θ<sub>x</sub>,△θ<sub>y</sub>,△θ<sub>z</sub>)/mm	位置误差(△x,△y,△z)/mm	绝对位置误差E/mm
				1	[0.00133288,-0.000313814,0]	[-0.123839,0.0428703,0.0435428]	0.1381
2	[0.00264335,-0.0026571,0]	[-0.130736,0.00450033,-0.0220438]	0.1327
				3	[0.00441304,-0.00156607,0]	[-0.155617,0.137327,0.417182]	0.4660
4	[-0.00090162,0.0014809,0]	[0.0267,-0.0792379,0.318873]	0.3297
				5	[0.000595135,-0.00175428,0]	[-0.00459095,-0.106792,-0.294905]	0.3137
6	[-0.00272868,-0.00177368,0]	[0.0744265,-0.102598,-0.101979]	0.1627
				7	[-0.00174984,0.00107095,0]	[-0.00331899,-0.011383,0.0252371]	0.0278
8	[0.00167366,-0.00170481,0]	[-0.0585488,-0.0700904,-0.430497]	0.4401
				9	[-0.000974353,-0.00333916,0]	[-0.0648485,-0.116234,-0.157807]	0.2064
10	[0.00235218,0.000247276,0]	[-0.110457,0.107163,-0.161809]	0.2233

表中绝对位置误差根据下式计算：

从表1中的结果可以看出，本发明所述方法工具坐标系原点在法兰盘坐标系下的绝对位置误差在0.5mm以内，可以满足机器人加工的定位精度要求。

Claims (1)

1.一种利用机器人末端视觉系统的工具坐标系快速标定方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、获取第一标准球和第二标准球的球心在双目视觉系统坐标系下的坐标P_A,P_B，具体步骤如下：

(1)将标定工具装夹在机器人末端执行器主轴上，使得第一标准球和第二标准球存在于双目视觉系统的测量范围内；所述的标定工具包括一端装夹在机器人末端执行器主轴上的主轴芯棒，在所述的主轴芯棒的另一端固定有第二标准球,在所述的主轴芯棒上固定有第一标准球，所述的第一标准球和第二标准球与主轴芯棒同轴线安装，第一标准球和第二标准球的半径分别为r1,r2，r1<r2，双目视觉系统安装在主轴上侧并与机器人的末端执行器刚性连接，所述的双目视觉系统采用视觉传感器；

(2)使用双目视觉系统获取视野中标定工具的三维点云；

(3)对三维点云进行处理后，使用点云数据分别拟合半径为r1、r2的第一标准球和第二标准球，拟合出第一标准球和第二标准球的球心在双目视觉系统坐标系下的坐标为P_A、P_B；

步骤二、建立工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′，具体步骤为：

(1)通过第一标准球和第二标准球的球心在双目视觉系统坐标系下的坐标P_A、P_B计算主轴轴向在双目视觉系统坐标系下的单位向量

其中n₁，n₂，n₃为主轴轴向在双目视觉坐标系的x，y，z轴上的分量；

(2)以主轴轴向为Z_t′轴，以第二标准球的球心为坐标系原点建立修正前的工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′，得出修正前的工具坐标系的X_t′、Y_t′、Z_t′轴的轴向在双目视觉系统坐标系下的单位向量为：

其中

在此设备布置中μ₀≠0；

工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′在双目视觉系统坐标系下的位姿描述^CT_t′为：

步骤三、对工具坐标系O_t′X_t′Y_t′Z_t′进行Z_t′向修正，并计算修正后的工具坐标系O_tX_tY_tZ_t在机器人末端的法兰盘坐标系下的位姿描述^FT_t：

^FT_t＝^FT_C ^CT_t

其中^FT_C为双目视觉系统坐标系在法兰盘坐标系下的位姿；

^CT_t为修正过的工具坐标系在双目视觉系统坐标系下的位姿，计算公式为：

^CT_t＝^CT_t′ΔT

h为第二标准球的球心相对于主轴装夹处端面的距离；H为实际工具坐标系原点相对于主轴装夹处端面的距离。

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