CN109623822B - 机器人手眼标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人手眼标定方法，包括步骤：S1、设置激光跟踪仪和四面体，工业机器人上设置对四面体进行测量的激光扫描仪；S2、计算转换矩阵

S3、计算转换矩阵

S4、计算转换矩阵

本发明的机器人手眼标定方法，利用激光跟踪仪和精心设计的四面体对机器人进行手眼标定，避免手眼标定受工业机器人参数误差的影响，测量精度更高，标定结果准确可靠。

Description

机器人手眼标定方法

技术领域

本发明属于机器人视觉标定技术领域，具体地说，本发明涉及一种机器人手眼标定方法。

背景技术

目前机器人手眼标定方法主要有求解齐次方程AX＝XB，其中X是未知的手眼变换，A和B是机器人末端执行器的运动和相机，在手眼标定过程中，精度较低且容易受到工业机器人参数误差的影响。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种机器人手眼标定方法，目的是提高标定结果精度。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：机器人手眼标定方法，包括步骤：

S1、设置激光跟踪仪和四面体，工业机器人上设置对四面体进行测量的激光扫描仪；

S2、计算转换矩阵

S3、计算转换矩阵

S4、计算转换矩阵

所述步骤S1中，工业机器人上设置线性滑台，所述激光扫描仪设置于线性滑台上。

所述步骤S2中，将与所述激光跟踪仪相配合的反射器设置于工业机器人末端，分别旋转工业机器人的第五关节轴和第六关节轴，设第五关节轴的旋转轴为L₁，设第六关节轴的旋转轴为L₂，以公共垂直线的中点q₁作为第五关节轴坐标系O₅的原点，

n₃是单位向量n₁和n₂的叉积，n'₂是单位向量n₁和n₃的叉积。

所述步骤S3包括：

S301、旋转工业机器人的第六关节轴；

S302、获取四面体的三面点云；

S303、拟合三面点云来获得三个平面S₁、S₂、S₃，将三个平面S₁、S₂、S₃的交点q₂设置为四面体的坐标系O_T的原点，将四面体坐标系O_T的x、y、z轴分别设置为n₄、n₅、n₆；

S304、计算转换矩阵

其中，n₄是平面S₁的单位法向量，L₃为平面S₁和平面S₂的交线，n₅是与L₃平行的单位向量，n₆为n₄和n₅的叉积。

所述步骤S4包括：

S401、获取四面体的三个平面的数据并且表示为S’₁、S’₂、S’₃，

S402、计算转换矩阵

其中，n'₄是平面S'₁的单位法

向量，n'₅是平面S’₁和S’₂交线的单位向量，n′₆为n'₄和n'₅的叉积，q'₂是平面S’₁、S’₂和S’₃的交点；

S403、转换第六关节轴的坐标系，获得

其中，θ是第六关节轴的旋转角度。

所述步骤S403中，d₆＝200mm。

本发明的机器人手眼标定方法，利用激光跟踪仪和精心设计的四面体对机器人进行手眼标定，避免手眼标定受工业机器人参数误差的影响，测量精度更高，标定结果准确可靠。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是手眼标定实验方案图；

图2是机器人-激光扫描仪系统的结构示意图；

图3是手眼标定示意图；

图4是步骤S2中建立的原理图；

图5是获取四面体的三面点云示意图；

图6是激光跟踪仪采集的校准数据示意图；

图中标记为：1、工业机器人；2、线性滑台；3、激光扫描仪；4、四面体；5、激光跟踪仪。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1和图2所示，本发明提供了一种机器人手眼标定方法，包括步骤：

S1、设置激光跟踪仪和四面体，工业机器人上设置对四面体进行测量的激光扫描仪；

S2、计算转换矩阵

是第五关节轴坐标系O₅与激光跟踪仪坐标系之间的转换；

S3、计算转换矩阵

是四面体坐标系与激光扫描仪坐标系之间的转换；

S4、计算转换矩阵

是四面体坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的转换。

具体地说，如图1和图2所示，工业机器人为六自由度机器人，末端执行器作为工业机器人的第六关节轴，末端执行器是由伺服电机驱动。工业机器人的一个机械臂以能够旋转的方式与末端执行器连接，形成工业机器人的第五关节轴，第五关节轴的轴线与第六关节轴的轴线相垂直。

在上述步骤S1中，工业机器人上设置线性滑台，激光扫描仪设置于线性滑台上，线性滑台安装在工业机器人的末端执行器上，线性滑台用于控制激光扫描仪进行线性移动。工业机器人运动至要测量的四面体处，通过激光扫描仪对四面体进行测量，为了提高激光扫描仪的测量范围，线性滑台进行线性移动，从而带动激光扫描仪进行测量。

如图2所示，机器人-激光扫描仪系统由一台工业机器人、一台线性滑台和一台激光扫描仪组成，线性滑台和线激光扫描的组合视为3D扫描系统。

在上述步骤S2中，将与激光跟踪仪相配合的反射器设置于工业机器人上，分别旋转工业机器人的第五关节轴和第六关节轴，设第五关节轴的旋转轴为L₁，设第六关节轴的旋转轴为L₂，以公共垂直线的中点q₁作为第五关节轴坐标系O₅的原点，

n₃是单位向量n₁和n₂的叉积，n'₂是单位向量n₁和n₃的叉积。

具体地说，在上述步骤S2中，将反射器(激光跟踪器的附件)放置在工业机器人的末端执行器上，分别旋转工业机器人的第五关节轴和第六个关节轴，并测量旋转所得圆弧C₁和C₂的大小，C₁是第五关节轴旋转所得圆弧，C₂是第六关节轴旋转所得圆弧。随后，分别通过C₁和C₂计算出第五关节轴的旋转轴L₁和第六关节轴的旋转轴L₂的位置。假定单位向量n₁和n₂分别平行于旋转轴L₁和L₂，n₃是单位向量n₁和n₂的叉积。转换矩阵

可以由n₁,n₂,n₃确定，并且n₁,n₂,n₃的交点设置为第五关节轴坐标系O₅的原点。由于工业机器人的运动参数的误差，可能导致旋转轴L₁和L₂处于不同的平面或不垂直，如图4所示。为了获得更高精度的转换矩阵

以公共垂直线的中点q₁作为第五关节轴坐标系O₅的原点，并且利用n₁和n₃的叉积所得的n'₂替换n₂。因此，得到转换矩阵

的计算如下：

上述步骤S3包括：

S301、旋转工业机器人的第六关节轴；

S302、获取四面体的三面点云；

S303、拟合三面点云来获得三个平面S₁、S₂、S₃，将三个平面S₁、S₂、S₃的交点q₂设置为四面体的坐标系O_T的原点，将四面体坐标系O_T的x、y、z轴分别设置为n₄、n₅、n₆；

S304、计算转换矩阵

其中，n₄是平面S₁的单位法向量，L₃为平面S₁和平面S₂的交线，n₅是与L₃平行的单位向量，n₆为n₄和n₅的叉积。

具体地说，在上述步骤S3中，将四面体放置在机器人-激光扫描仪系统的工作空间中，并保持机器人的前五个关节轴与步骤S1相同，只是旋转第六关节轴。然后用3D扫描系统获取精心设计的四面体三面点云并且将第六关节轴旋转的角度记为θ。如图5所示，通过拟合三面点云来获得三个平面S₁、S₂、S₃，S₁、S₂、S₃的交点q₂设置为四面体坐标系O_T的原点。假定n₄是S₁的单位法向量，L₃为平面S₁和S₂的交线，n₅是与L₃平行的单位向量，n₆为n₄和n₅的叉积，四面体坐标系O_T的x、y、z轴分别设置为n₄、n₅、n₆。因此转换矩阵

被定义为：

上述步骤S4包括：

S401、获取四面体的三个平面的数据并且表示为S’₁、S’₂、S’₃，

S402、计算转换矩阵

其中，n'₄是平面S’₁的单位法向量，n'₅是平面S’₁和S’₂交线的单位向量，n′₆为n'₄和n'₅的叉积，q'₂是平面S’₁、S’₂和S’₃的交点；

S403、转换第六关节轴的坐标系，获得

其中，θ是第六关节轴的旋转角度。

具体地说，在上述步骤S4中，如图6所示，保持四面体与步骤S3相同，用激光跟踪仪和T-Probe(T-probe是激光跟踪仪的测量辅助件件)分别获取四面体的三个平面的数据并且表示为S’₁、S’₂、S’₃。转换矩阵

被定义为：

其中，n'₄是平面S’₁的单位法向量，n'₅是平面S’₁和S’₂交线的单位向量。n′₆为n'₄和n'₅的叉积，q'₂是平面S’₁、S’₂和S’₃的交点。

如图3所示，获得以下等式：

其中，

是第五关节轴坐标系O₅与第六关节轴坐标系O₆之间的转换。根据机器人MDH模型，

计算如下：

其中，d₆,a₆,α₆是MDH模型的参数。本发明中的工业机器人的参数如下：d₆＝200mm,a₆＝0,α₆＝0。

因此，手眼变换是

其中，θ是步骤S3中第六关节轴的旋转角度。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.机器人手眼标定方法，其特征在于，包括步骤：

S1、设置激光跟踪仪和四面体，工业机器人上设置对四面体进行测量的激光扫描仪；

S2、计算转换矩阵

是第五关节轴坐标系O₅与激光跟踪仪坐标系之间的转换；

S3、计算转换矩阵

是四面体坐标系与激光扫描仪坐标系之间的转换；

S4、计算转换矩阵

是四面体坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的转换；

在步骤S2中，将反射器放置在工业机器人的末端执行器上，设第五关节轴的旋转轴为L₁，设第六关节轴的旋转轴为L₂，分别旋转工业机器人的第五关节轴和第六个关节轴，并测量旋转所得圆弧C₁和C₂的大小，C₁是第五关节轴旋转所得圆弧，C₂是第六关节轴旋转所得圆弧；随后，分别通过C₁和C₂计算出第五关节轴的旋转轴L₁和第六关节轴的旋转轴L₂的位置；假定单位向量n₁和n₂分别平行于旋转轴L₁和L₂，转换矩阵

由n₁,n₂,n₃确定，

n₃是单位向量n₁和n₂的叉积，n’₂是单位向量n₁和n₃的叉积；n₁,n₂,n₃的交点设置为第五关节轴坐标系O₅的原点，利用n₁和n₃的叉积所得的n’₂替换n₂；

步骤S3包括：

S301、旋转工业机器人的第六关节轴；

S302、获取四面体的三面点云；

S303、拟合三面点云来获得三个平面S₁、S₂、S₃，将三个平面S₁、S₂、S₃的交点q₂设置为四面体的坐标系O_T的原点，将四面体坐标系O_T的x、y、z轴分别设置为n₄、n₅、n₆；

S304、计算转换矩阵

其中，n₄是平面S₁的单位法向量，L₃为平面S₁和平面S₂的交线，n₅是与L₃平行的单位向量，n₆为n₄和n₅的叉积；

在步骤S3中，将四面体放置在机器人-激光扫描仪系统的工作空间中，并保持机器人的前五个关节轴与步骤S1相同，只是旋转第六关节轴；然后用3D扫描系统获取精心设计的四面体三面点云并且将第六关节轴旋转的角度记为θ；

步骤S4包括：

S401、保持四面体与步骤S3相同，用激光跟踪仪和T-Probe分别获取四面体的三个平面的数据并且表示为S’₁、S’₂、S’₃；

S402、计算转换矩阵

其中，n’₄是平面S’₁的单位法向量，n’₅是平面S’₁和S’₂交线的单位向量，n′₆为n’₄和n’₅的叉积，q’₂是平面S’₁、S’₂和S’₃的交点；

S403、转换第六关节轴的坐标系，获得

其中，θ是第六关节轴的旋转角度；

获得以下等式：

其中，

是第五关节轴坐标系O₅与第六关节轴坐标系O₆之间的转换；根据机器人MDH模型，

计算如下：

其中，d₆,a₆,α₆是MDH模型的参数；本发明中的工业机器人的参数如下：d₆＝200mm,a₆＝0,α₆＝0；

因此，手眼变换是

2.根据权利要求1所述的机器人手眼标定方法，其特征在于，所述步骤S1中，工业机器人上设置线性滑台，所述激光扫描仪设置于线性滑台上。

Images