CN109571471B - 一种用于双机器人相对空间位置标定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于双机器人相对空间位置标定的方法，其特征是包括以下步骤：1、在作业区相互重合的1号机器人和2号机器人的法兰盘上分别安装3D传感器和标准球；2、标定3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置关系：3、标定3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置关系：4、根据步骤2得出的3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置关系和步骤2得出的3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置关系，通过坐标转换计算出1、2号机器人的相对空间位置关系。本发明具有标定误差小、所需设备成本低的优点。

Description

一种用于双机器人相对空间位置标定的方法

技术领域

本发明属于空间位置标定方法，具体涉及一种用于双机器人相对空间位置标定的方法。

背景技术

随着工业机器人在各行业应用的不断深入，越来越多的工作场合需要使用双机器人协助工作，在一些应用场合，机器人配备了视觉定位装置以引导机器人完成装配、码垛等工作。双机器人在协作工作时，一般只在某一台机器人上安装视觉定位装置，为了计算工件在机器人各自基坐标系中的位置，必须通过算法求解两台机器人之间的相对空间位置关系，以实现工件坐标系位置的共享。

现有的标定技术主要借助标定针等辅助设备，通过人眼逆行针尖对位完成标定。另有方法是借助于激光跟踪仪实现标定。这些方法存在以下缺点：1)需要通过人眼进行针尖对位，容易引入较大误差，不同技术人员标定误差各不相同；2)需要额外准备激光跟踪仪设备，价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种标定误差小、所需设备成本低的用于双机器人相对空间位置标定的方法。

实现本发明目的采用的技术方案如下：

本发明提供的用于双机器人相对空间位置标定的方法，包括以下步骤：

步骤1、在作业区相互重合的1号机器人和2号机器人的法兰盘上分别安装3D传感器和标准球；

步骤2、标定3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置关系：

移动2号机器人使得标准球位于1号机器人作业空间内，并保持位置不变，再移动1号机器人，使用3D传感器获得标准球球心在3D传感器坐标系中的位置，利用标准球球心在1号机器人基坐标系中位置不变的原理建立方程组，求解可得3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置；

步骤3、标定3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置关系：

移动1号机器人在一个合适的空间位置，使得2号机器人上的标准球在3D传感器视野中可以自由活动，移动好后保持1号机器人位置不变，再移动2号机器人在使得标准球处于3D传感器视野中的不同位置，记录标准球球心在3D传感器坐标系中的位置，利用球心在2号机器人法兰盘坐标系中位置不变的原理建立方程，求解可得3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置；

步骤4、根据步骤2得出的3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置关系和步骤2得出的3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置关系，通过坐标转换计算出1、2号机器人的相对空间位置关系。

所述标准球球心在3D传感器坐标系中的位置由以下方法实现：

3D传感器分为两类：直接输出点云的3D传感器和3D轮廓线传感器，如果使用第一类直接输出点云的3D传感器，利用扫描得到的点云数据直接拟合标准球球心即可；如果使用的是第二类3D轮廓线传感器，通过轮廓线数据拟合圆即可得到标准球球心的x、z坐标；3D轮廓传感器的轮廓线照射在标准球球面时，激光平面与标准球球体相交会形成一个截面圆，标准球球心与截面圆圆心的连线垂直于圆截面,标准球球心y坐标即可通过下式求得：

式中R为标准球半径，r为截面圆半径。

所述步骤2中，所述3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置通过以下方法实现：

在这一步骤中，需要计算3D传感器在1号机器人法兰盘坐标系中的位置关系，记作Xs₁,移动3D传感器从不同的位置拍摄标准球，标准球球心在3D传感器中的位置记为X_l，各变量之间满足如下关系：

X_B＝X_R*X_S1*X_l

其中X_l为标准球球心在3D传感器中的位置，Xs₁为3D传感器在1号机器人法兰盘中的位置，X_R为1号机器人法兰盘在1号机器人坐标系中的位置，X_B为标准球球心在1号机器人基坐标系中的位置，移动1号机器人从不同的角度拍摄标准球，联立方程组即可求得Xs₁。

所述步骤3中，所述3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置通过以下方法实现：

移动1号机器人使得3D传感器处于一个合适的位置，保证标准球可以在3D传感器视野中自由移动，调整好1号机器人后保证位置不变，此时，各物体的空间位置关系满足下式：

X_T＝X_R ^-1*X_S2*X_l

其中X_l为标准球球心在3D传感器中的位置，Xs₂为3D传感器在2号机器人基坐标系中的位置，X_R为2号机器人法兰盘在2号机器人坐标系中的位置，

X_T为标准球球心在2号机器人法兰盘中的位置，移动2号机器人从不同的角度拍摄标准球，联立方程组即可求得Xs₂。

所述步骤4中，所述1、2号机器人的相对空间位置关系通过以下方法实现：

将已经求得3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置记为X_S1,已经求得3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置记为X_S2，待求的1、2号机器人的相对空间位置关系记为X₁₂,X₁₂通过下式求得：

X₁₂＝X_S2*(X_R*X_S1)^-1。

本发明的有益效果：

1、利用非接触式的测量技术实现标定，避免人眼目视引入的误差。

2、减少视觉检测设备的数量，实现双机器人之间的工件坐标系位置共享。

3、无需另外配备激光跟踪仪等设备，可降低成本。

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

附图说明

图1是本发明方法的原理示意图。

图2是求取标准球球心坐标的示意图。

具体实施方式

本发明采用如图1所示编号为1、2号的两台机器人，两台机器人的作业空间相互重合，用于该双机器人相对空间位置标定的方法，按照以下步骤进行：

步骤1、在1号机器人1和2号机器人2的法兰盘上分别安装3D传感器3和标准球4，其中3D传感器3为通用3D传感器，可以输出点云数据或者轮廓线x、z数据，标准球半径无具体要求，本实例中使用的标准球4半径为50mm；

步骤2、标定3D传感器3相对于1号机器人法兰盘的位置关系：

移动2号机器人使得标准球位于1号机器人作业空间内，并保持位置不变，再移动1号机器人，使用3D传感器获得标准球球心在3D传感器坐标系中的位置，利用标准球球心在1号机器人基坐标系中位置不变的原理建立方程组，求解可得3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置；

所述3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置通过以下方法实现：

在这一步骤中，需要计算3D传感器在1号机器人法兰盘坐标系中的位置关系，移动3D传感器从不同的位置拍摄标准球，标准球球心在3D传感器中的位置记为X_l，各变量之间满足如下关系：

X_B＝X_R*X_S1*X_l

其中X_l为标准球球心在3D传感器中的位置，Xs₁为3D传感器在1号机器人法兰盘中的位置，X_R为1号机器人法兰盘在1号机器人坐标系中的位置，X_B为标准球球心在1号机器人基坐标系中的位置，移动1号机器人从4个以上不同的角度拍摄标准球，联立方程组即可求得Xs₁；

步骤3、标定3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置关系：

移动1号机器人在一个合适的空间位置，使得2号机器人上的标准球在3D传感器视野中可以自由活动，移动好后保持1号机器人位置不变，再移动2号机器人在使得标准球处于3D传感器视野中的不同位置，记录标准球球心在3D传感器坐标系中的位置，利用标准球球心在2号机器人法兰盘坐标系中位置不变的原理建立方程，求解可得3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置；

所述3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置通过以下方法实现：

移动1号机器人使得3D传感器处于一个合适的位置，保证标准球可以在3D传感器视野中自由移动，调整好1号机器人后保证位置不变，此时，各物体的空间位置关系满足下式：

X_T＝X_R ^-1*X_S2*X_l

其中X_l为标准球球心在3D传感器中的位置，Xs₂为3D传感器在2号机器人基坐标系中的位置，X_R为2号机器人法兰盘在2号机器人坐标系中的位置，X_T为标准球球心在2号机器人法兰盘中的位置，移动2号机器人从3个以上不同的角度拍摄标准球，联立方程组即可求得Xs₂；

步骤4、根据步骤2得出的3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置关系和步骤2得出的3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置关系，通过坐标转换计算出1、2号机器人的相对空间位置关系；

所述步骤4中，所述1、2号机器人的相对空间位置关系通过以下方法实现：

将已经求得3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置记为X_S1,已经求得3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置记为X_S2，待求的1、2号机器人的相对空间位置关系记为X₁₂,X₁₂通过下式求得：

X₁₂＝X_S2*(X_R*X_S1)^-1。

上述步骤2、3中，所述标准球球心在3D传感器坐标系中的位置可由以下方法实现：

3D传感器分为两类：直接输出点云的3D传感器和3D轮廓线传感器，如果使用第一类直接输出点云的3D传感器，利用扫描得到的点云数据直接拟合标准球球心即可；如果使用的是第二类3D轮廓线传感器，通过轮廓线数据拟合圆即可得到标准球球心的x、z坐标；3D轮廓传感器的轮廓线照射在标准球球面时，激光平面与标准球球体相交会形成一个截面圆，标准球球心y与截面圆圆心o的连线垂直于圆截面，如图2所示，标准球球心y坐标即可通过下式求得：

式中R为标准球半径，r为截面圆半径。

Claims (4)

1.一种用于双机器人相对空间位置标定的方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1、在作业区相互重合的1号机器人和2号机器人上安装3D传感器和标准球，其中3D传感器安装在1号机器人的法兰盘上，标准球安装在2号机器人的法兰盘上；

步骤2、标定3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置关系：

计算3D传感器在1号机器人法兰盘坐标系中的位置关系，记作Xs1,移动3D传感器从不同的位置拍摄标准球，标准球球心在3D传感器中的位置记为X_l，各变量之间满足如下关系：

其中X_l为标准球球心在3D传感器中的位置，Xs1为3D传感器在1号机器人法兰盘中的位置，X_R为1号机器人法兰盘在1号机器人坐标系中的位置，X_B为标准球球心在1号机器人基坐标系中的位置，移动1号机器人从不同的角度拍摄标准球，联立方程组即可求得Xs1；

步骤3、标定3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置关系：

移动1号机器人在一个合适的空间位置，使得2号机器人上的标准球在3D传感器视野中可以自由活动，移动好后保持1号机器人位置不变，再移动2号机器人在使得标准球处于3D传感器视野中的不同位置，记录标准球球心在3D传感器坐标系中的位置，利用球心在2号机器人法兰盘坐标系中位置不变的原理建立方程，求解可得3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置；

步骤4、根据步骤2得出的3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置关系和步骤2得出的3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置关系，通过坐标转换计算出1、2号机器人的相对空间位置关系。

2.根据权利要求1所述的用于双机器人相对空间位置标定的方法，其特征是所述标准球球心在3D传感器坐标系中的位置由以下方法实现：

所述3D传感器分为两类：直接输出点云的3D传感器和3D轮廓线传感器，如果使用第一类直接输出点云的3D传感器，利用扫描得到的点云数据直接拟合标准球球心即可；如果使用的是第二类3D轮廓线传感器，通过轮廓线数据拟合圆即可得到标准球球心的x、z坐标；3D轮廓传感器的轮廓线照射在标准球球面时，激光平面与标准球球体相交会形成一个截面圆，标准球球心与截面圆圆心的连线垂直于圆截面,标准球球心y坐标即可通过下式求得：

式中R为标准球半径，r为截面圆半径。

3.根据权利要求1所述的用于双机器人相对空间位置标定的方法，其特征是所述步骤3中，所述 3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置通过以下方法实现：

移动1号机器人使得3D传感器处于一个合适的位置，保证标准球可以在3D传感器视野中自由移动，调整好1号机器人后保证位置不变，此时，各物体的空间位置关系满足下式：

其中X_l为标准球球心在3D传感器中的位置，Xs2为3D传感器在2号机器人基坐标系中的位置，X_R为2号机器人法兰盘在2号机器人坐标系中的位置，X_T为标准球球心在2号机器人法兰盘中的位置，移动2号机器人从不同的角度拍摄标准球，联立方程组即可求得Xs2。

4.根据权利要求1所述的用于双机器人相对空间位置标定的方法，其特征是所述步骤4中，所述1、2号机器人的相对空间位置关系通过以下方法实现：

将已经求得3D传感器相对于1号机器人法兰盘的位置记为X_S1,已经求得3D传感器相对于2号机器人基坐标系的位置记为X_S2，待求的1、2号机器人的相对空间位置关系记为X₁₂,X₁₂通过下式求得：

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