CN109596125A - 一种机器人的空间坐标系转换关系的确定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种机器人空间坐标系转换关系的确定方法和装置，该方法包括以下步骤：根据机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到该定位点在机械臂坐标系中的第一曲线轨迹和定位点在传感器坐标系中的第二曲线轨迹；根据第一曲线轨迹和第二曲线轨迹的匹配结果，确定机械臂坐标系和传感器坐标系的转换关系。本申请实施例最少仅需要一个定位点，就能确定机械臂坐标系和传感器坐标系的转换关系，在减少了机械臂末端的尺寸和重量，降低了机械臂的负载和对传感器识别能力的要求的同时，避免了已有技术在机械臂末端设置至少三个定位点导致的确定空间关系过程中产生较大误差的问题。

Description

一种机器人的空间坐标系转换关系的确定方法和装置

技术领域

本发明实施例涉及人工智能领域，尤其涉及一种机器人的空间坐标系转换关系的确定方法和装置。

背景技术

定位导航是实现机器人智能化的重要前提之一，是赋予机器人感知能力和行动能力的关键因素，具备定位导航技术的机器人能够对周围环境进行分析、判断和选择，进而规划路径，移动到目标操作位置完成工作任务。

在机器人定位导航的过程中，一般会涉及到空间位置关系的转换，即需要在目标空间位置和机器人空间位置之间建立空间关系。建立空间关系后，机器人通过移动到达由空间关系确定的目标所在位置，从而完成后续的工作。因此，根据所建立空间关系确定的目标所在位置的精准度对于机器人的定位导航技术起着非常重要的作用，影响到机器人完成工作任务的工作质量。

使用传感器作为中间介质来建立目标空间位置和机器人空间位置之间的空间关系是比较常见的，比如已有技术中，常用摄像头作为中间介质来建立机器人和目标之间的空间关系。在建立机器人和目标的空间关系过程中，建立机器人和摄像头之间的空间关系是一个重要步骤。目前在建立机器人和摄像头空间关系的过程中采用的是三点法，即在机器人的机械臂末端设置三个固定且不共线的定位点，通过摄像头得到这三个定位点的图像，从而确定这三个定位点在摄像头坐标系中的坐标，同时由于这三个定位点是设置在机器人的机械臂末端上的，因此这三个定位点在机械臂坐标系(或称为机器人坐标系)中的坐标也可以确定，如此，就可以通过这三个定位点确定机械臂坐标系和摄像头坐标系之间的空间转换关系。

对于上述方案，由于传感器不能移动，加之机械臂末端因为负载重量、运动路径、作业环境等限制因素，机械臂末端的体积往往不会设计的很大，这些因素使得上述三个定位点之间的位置距离较近，一方面，传感器的识别精度有限，造成传感器识别困难甚至无法识别，若使用精度非常高的传感器又会增加设备成本；另一方面，定位点在机械臂末端上的装配位置误差等也会带入到空间关系的建立过程中，而建立空间关系时利用到机械臂末端上定位点的数量越多，带来的误差也会越大。仅这两个方面就能够给后续建立的空间关系带来较大的误差，从而影响到机器人的定位精度及完成工作任务的质量。

发明内容

本申请实施例解决的技术问题之一在于提供一种机器人的空间坐标系转换关系的确定方法，该方法根据机器人的机械臂末端上的定位点，利用传感器感应该定位点通过机械臂的移动在传感器坐标系中产生的曲线轨迹，将感应到的该曲线轨迹和该定位点通过机械臂的移动在机械臂坐标系中产生的曲线轨迹进行匹配，进而确定机械臂坐标系和传感器坐标系的转换关系，该方法能很好地控制确定两个坐标系转换关系的过程中产生的误差，进而提高了确定两个坐标系转换关系的精度。

一方面，本发明实施例提供了一种机器人空间坐标系转换关系的确定方法，包括根据机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到所述定位点在机械臂坐标系中的第一曲线轨迹和定位点在传感器坐标系中的第二曲线轨迹；根据所述第一曲线轨迹和所述第二曲线轨迹的匹配结果，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系。

可选地，所述曲线轨迹的曲率的绝对值大于0。

可选地，曲线轨迹为螺旋形曲线轨迹。

可选地，所述螺旋形曲线轨迹为圆柱螺旋形曲线轨迹。

可选地，目标对象位于所述圆柱螺旋形曲线轨迹所围成的圆柱体内。

可选地，所述螺旋形曲线轨迹为圆锥螺旋形曲线轨迹。

可选地，目标对象位于所述圆锥螺旋形曲线轨迹所围成的圆锥体内

可选地，根据机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到所述定位点在机械臂坐标系中的第一曲线轨迹的步骤为：根据机械臂的位姿，和所述定位点在所述机械臂末端上的位置，得到所述定位点在所述机械臂坐标系中的坐标；根据所述定位点在所述机械臂坐标系中的坐标，得到所述定位点在所述机械臂坐标系中的第一曲线轨迹。

可选地，根据机器人的机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到所述定位点在机械臂坐标系中的第二曲线轨迹的步骤为：通过传感器得到所述定位点在所述传感器坐标系中的坐标，根据所述坐标得到所述定位点在所述传感器坐标系中的第二曲线轨迹。

另一方面，本申请实施例还提供了一种机器人空间坐标系转换关系的确定装置，该装置包括曲线轨迹获取模块，用于根据机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到所述定位点在机械臂坐标系中的第一曲线轨迹和所述定位点在传感器坐标系中的第二曲线轨迹；转换关系确定模块，用于根据所述第一曲线轨迹和所述第二曲线轨迹的匹配结果，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系。

由以上技术方案可见，本申请实施例提供的机器人空间坐标系转换关系的确定方法和装置，通过传感器感应机器人的机械臂末端上的一个定位点，进而得到该定位点在其感应范围内通过机械臂的移动所产生的曲线轨迹，将传感器感应到的曲线轨迹和该定位点在机械臂坐标系中通过机械臂的移动所产生的曲线轨迹进行匹配，根据匹配结果，确定机械臂坐标系和传感器坐标系的转换关系。本申请实施例提供的通过传感器坐标系下的曲线轨迹和机械臂坐标系下的曲线轨迹匹配，进而确定两个坐标系的转换关系的方法，和现有技术中通过在机械臂末端上设置至少三个定位点来确定两个坐标系的转换关系的方法相比，降低了确定传感器坐标系和机械臂坐标系转换关系的过程中产生的误差，提高了确定两个坐标系之间转换关系的准确性，进而能够降低机器人在实际操作过程中的定位误差。

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实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的机器人空间坐标系转换关系的确定方法流程示意图；

图2为本申请实施例的机械臂和传感器示意图；

图3为本申请实施例的圆柱螺旋形曲线轨迹示意图；

图4为本申请实施例的圆锥螺旋形曲线轨迹示意图；

图5为本申请实施例提供的机器人空间坐标系转换关系的确定装置结构示意图。

具体实施方式

当然，实施本发明实施例的任一技术方案不一定需要同时达到以上的所有优点。

为了使本领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

基于已有技术中，在确定机器人和传感器之间的空间关系时，存在的由于机器人的机械臂末端上三个定位点的距离较近引起的传感器识别定位点困难，以及传感器对定位点的识别精度非常有限而导致确定的空间关系容易出现较大误差的问题，本申请实施例提供了一种机器人空间坐标系转换关系的确定方法，包括步骤S100和步骤S200，如图1所示。

步骤S100：根据机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到机械臂末端上的一个定位点在机械臂坐标系中的第一曲线轨迹和定位点在传感器坐标系中的第二曲线轨迹。

如图2所示为机器人的机械臂，机械臂末端和传感器之间位置关系的示意图，由图中可以看出，机器人的机械臂带动其末端在传感器的识别范围内移动的过程中，位于机械臂末端上的定位点(图中未示出)会产生相应的运动轨迹，且由于要根据该运动轨迹确定机器人和传感器之间的空间关系，所以运动轨迹上至少存在三个不共线的点，因此该运动轨迹是一条曲线轨迹，且该曲线轨迹的曲率的绝对值大于0。

需要说明的是，图2中所示的传感器可以是图像传感器，可以是电磁传感器，也可以是红外传感器，定位点也可以是对应的光学定位点，电磁定位点，或是红外定位点，在此不对传感器的类别作出限定，只要传感器可以感应到机器人的机械臂末端上的一个定位点在其感应范围内移动的曲线轨迹即可。

进一步地，根据机器人的机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到该定位点在机械臂坐标系中的第一曲线轨迹的实现过程为：根据机械臂的位姿，和该定位点在机械臂末端上的位置，得到该定位点在机械臂坐标系中的坐标。根据该定位点在机械臂坐标系中的坐标，得到该定位点在机械臂坐标系中的第一曲线轨迹。即可以用该定位点在机械臂坐标系中的坐标值来表示第一曲线轨迹。

进一步地，在本申请实施例中，根据机器人的机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到该定位点在传感器坐标系中的第二曲线轨迹的实现过程为：通过传感器得到该定位点在传感器坐标系下的坐标，根据所得到的坐标得到该定位点在传感器坐标系中的第二曲线轨迹，即可以用定位点在传感器坐标系下的坐标值来表示第二曲线轨迹。

需要说明的是，因为要根据第一曲线轨迹和第二曲线轨迹的匹配结果来建立机械臂坐标系和传感器坐标系之间的转换关系，所以第一曲线轨迹和第二曲线轨迹上存在至少三个不共线的点，由此可知，第一曲线轨迹和第二曲线轨迹的曲率的绝对值均大于0。

进一步地，为了中和机械臂在某一特定位置的误差，本申请实施例中的曲线轨迹，第一曲线轨迹和第二曲线轨迹均为螺旋形曲线轨迹。

更进一步地，如图3所示，螺旋形曲线轨迹为圆柱螺旋形曲线轨迹。由于目标对象在传感器坐标系下的坐标是确定的，因此，机器人的机械臂带动其末端在传感器识别范围内移动时，可以围绕目标对象进行移动，使得目标对象位于圆柱螺旋形曲线轨迹所围成的圆柱体内。

需要说明的是，本申请实施例的目标对象指的是机器人完成工作任务所针对的操作对象、代加工点或代加工区域等需要机器人进行处理的对象。

进一步地，如图4所示，螺旋形曲线轨迹为圆锥形曲线轨迹，当机器人的机械臂带动其末端在传感器识别范围内围绕目标对象移动产生圆锥形曲线轨迹时，目标对象位于圆锥形曲线轨迹所围成的圆锥体内。

由于在机械臂坐标系中的第一曲线轨迹和在传感器坐标系中的第二曲线轨迹在实际空间中其实是同一条曲线轨迹，因此将第一曲线轨迹和第二曲线轨迹进行匹配。具体可以采用已有的三维轮廓匹配算法、特征匹配算法等曲线匹配算法，也可以采用ICP(Iterative Closest Point，最近点搜索法)匹配算法，本申请不对具体的匹配算法作出限定，只要能完成第一曲线轨迹和第二曲线轨迹之间的匹配即可。

完成第一曲线轨迹和第二曲线轨迹的匹配后，执行步骤S200。

S200：根据第一曲线轨迹和第二曲线轨迹的匹配结果，确定机械臂坐标系和传感器坐标系的转换关系。

以第一曲线轨迹和第二曲线轨迹采用ICP匹配算法为例，匹配后得到一组匹配点对，从匹配点对中选取不共线的三个点，或者不共面的四个点，或者更多点就可确定机械臂坐标系和传感器坐标系之间的转换关系。

基于相同的发明构思，本申请实施例还提供了一种机器人空间坐标系转换关系的确定装置，包括：

曲线轨迹获取模块501，用于根据机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到该定位点在机械臂坐标系中的第一曲线轨迹和定位点在传感器坐标系中的第二曲线轨迹；

转换关系确定模块502，用于根据第一曲线轨迹和第二曲线轨迹的匹配结果，确定机械臂坐标系和传感器坐标系的转换关系。

本申请实施例中，曲线轨迹获取模块501，转换关系确定模块502可以执行上述方法实施例中对应的优选步骤。

通过上述实施例可知，本申请实施例通过机器人的机械臂带动其末端来采集位于机械臂末端上的运动轨迹，并通过该定位点在机械臂坐标系下的运动轨迹与该定位点在传感器坐标系下的运动轨迹相匹配，从而得到机械臂坐标系和传感器坐标系之间的转换关系。由此可见，本申请实施例中，在机械臂的末端最少只需要设置一个定位点，通过对该定位点分别在机械臂坐标系中和在传感器坐标系中产生的运动轨迹进行匹配，就能完成机器人和传感器之间空间坐标系的转换，一方面有效减小了机械臂末端的尺寸和重量，降低了机械臂的负载，同时也降低了对传感器感应能力的要求；另一方面相比于现有技术的在机械臂末端上设置三个定位点的方案中，若机械臂在某一特定位姿下存在较大的定位误差而导致的机械臂末端上设置的三个定位点都会存在较大误差的情况，本申请实施例能够很好地控制误差的波动范围，提高了定位精度。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独处理，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：根据机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到所述定位点在机械臂坐标系中的第一曲线轨迹和所述定位点在传感器坐标系中的第二曲线轨迹；

根据所述第一曲线轨迹和所述第二曲线轨迹的匹配结果，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系。

2.根据权利要求1所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，所述曲线轨迹的曲率的绝对值大于0。

3.根据权利要求1或2所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，所述曲线轨迹为螺旋形曲线轨迹。

4.根据权利要求3所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，所述螺旋形曲线轨迹为圆柱螺旋形曲线轨迹。

5.根据权利要求4所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，目标对象位于所述圆柱螺旋形曲线轨迹所围成的圆柱体内。

6.根据权利要求3所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，所述螺旋形曲线轨迹为圆锥螺旋形曲线轨迹。

7.根据权利要求6所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，目标对象位于所述圆锥螺旋形曲线轨迹所围成的圆锥体内。

8.根据权利要求1所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，根据机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到所述定位点在机械臂坐标系中的第一曲线轨迹的步骤为：

根据机械臂的位姿，和所述定位点在所述机械臂末端上的位置，得到所述定位点在所述机械臂坐标系中的坐标；

根据所述定位点在所述机械臂坐标系中的坐标，得到所述定位点在所述机械臂坐标系中的第一曲线轨迹。

9.根据权利要求1所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，根据机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到所述定位点在传感器坐标系中的第二曲线轨迹的步骤为：

通过传感器得到所述定位点在所述传感器坐标系中的坐标，根据所述坐标得到所述定位点在所述传感器坐标系中的第二曲线轨迹。

10.一种机器人空间坐标系转换关系的确定装置，其特征在于，包括：

曲线轨迹获取模块，用于根据机械臂末端上的一个定位点在传感器感应范围内移动的曲线轨迹，得到所述定位点在机械臂坐标系中的第一曲线轨迹和所述定位点在传感器坐标系中的第二曲线轨迹；转换关系确定模块，用于根据所述第一曲线轨迹和所述第二曲线轨迹的匹配结果，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系。