CN109719722A - 一种精确标定机器人末端与视觉系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种精确标定机器人末端与视觉系统的方法；a、选取两个参考点，b、获取两个参考点在基坐标系下的坐标；c、调整步骤d中工业机器人的位置，记录两个参考点在激光器内的激光坐标系下的坐标；记录两个参考点在基坐标系下的坐标；e、变换工业机器人姿态，记录两个参考点在激光器内的激光坐标系下的坐标；记录两个参考点在基坐标系下的坐标；f、变换工业机器人姿态，记录两个参考点在激光器内的激光坐标系下的坐标；记录两个参考点在基坐标系下的坐标。优点，本方法，得出激光视觉坐标系和机器人坐标系的相对关系，实现被测量物体在激光视觉的坐标到机器人的坐标的转换，提高系统的整体作业效率，具有良好的应用效果。

Description

一种精确标定机器人末端与视觉系统的方法
技术领域
本发明涉及一种精确标定机器人末端与视觉系统的方法。
背景技术
激光传感器是一种利用激光技术进行测量的传感器，作为一种新型的测量仪器，它能实现无接触远距离测量，具有速度快、精度高、量程大、抗干扰能力强的优点。
激光传感器又分为点激光和线激光，而点激光因其测量原理只能获取被测量处的距离信息，一维信息难以应对复杂的计算，局限性很大。在点激光下的标定方法不能实现三维坐标的转换，不能实现精确的标定。因此，找到一种能获取激光视觉和机器人之间的位置关系的标定方法是需要解决的技术问题。
发明内容
本专利解决的技术问题是，点激光因其测量原理只能获取被测量处的距离信息，一维信息难以应对复杂的计算，局限性很大，在点激光下的标定方法不能实现三维坐标的转换，不能实现精确的标定的技术问题。
本专利提出一种能获取激光视觉和机器人之间的位置关系的标定方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种精确标定机器人末端与视觉系统的方法，包括如下步骤：
a、准备工作，在工业机器人安装焊枪和激光器；准备两块金属板，将两块金属板上下叠放设置，并采用焊枪焊接；
b、在步骤a中的两块金属板的焊缝处选取两个参考点，分别定义为A1和A2；
c、将步骤a中的工业机器人调整姿态，使机器人末端垂直于金属板表面向下；
d、将步骤c中的机器人末端分别依次运动到参考点A1和参考点A2，获取参考点A1和参考点A2在基坐标系下的坐标，记为和根据激光坐标系和机器人坐标系之间的关系可得，如下公式：
其中，和为参考点A1和参考点A2在基坐标系下的坐标，和为机器人末端在基坐标系下进行欧拉变换所得到的矩阵，为机器人末端与激光器内激光坐标系之间的变换矩阵即需要求解的对象，和为参考点A1和参考点A2在激光器内激光坐标系下的坐标；
e、调整步骤d中工业机器人的位置，使激光器的激光分别依次照射在参考点A1和参考点A2上，分别记录参考点A1和参考点A2在激光器内的激光坐标系下的坐标，记为和
同时记录下在激光器的激光次照射在参考点A1时机器人末端在基坐标系下的坐标和在激光器的激光次照射在参考点A2时机器人末端在基坐标系下的坐标，分别记为和
对坐标进行欧拉变换，后坐标记为对进行欧拉变换，后坐标记为
将和代入公式(1)，得
将和代入公式(2)，得
f、变换步骤e中工业机器人姿态，使激光器的激光分别依次照射在参考点A1和参考点A2上，分别记录参考点A1和参考点A2在激光器内的激光坐标系下的坐标，记为和
同时记录下在激光器的激光次照射在参考点A1时机器人末端在基坐标系下的坐标和在激光器的激光次照射在参考点A2时机器人末端在基坐标系下的坐标，分别记为和
对坐标进行欧拉变换，后坐标记为对进行欧拉变换，后坐标记为
将和代入公式(1)，得
将和代入公式(2)，得
j、变换步骤f中工业机器人姿态，使激光器的激光分别依次照射在参考点A1和参考点A2上，分别记录参考点A1和参考点A2在激光器内的激光坐标系下的坐标，记为和
同时记录下在激光器的激光次照射在参考点A1时机器人末端在基坐标系下的坐标和在激光器的激光次照射在参考点A2时机器人末端在基坐标系下的坐标，分别记为和
对坐标进行欧拉变换，后坐标记为对进行欧拉变换，后坐标记为
将和代入公式(1)，得
将和代入公式(2)，得
h、根据步骤e、步骤f和步骤j的标定过程可得到：
由于参考点A1和A2的运算方法一致，这里只列出参考点A1的运算方法，将式(3)(5)(7)整理如下：
其中记为B1，记为B2，记为B3，(9)(10)(11)可整理如下：
将式(12)(13)(14)联立并运算得出
对本发明技术方案的优选，激光器中的激光为线激光。采用线激光，其测量信息比较多，能获取被测量处的三维坐标信息，能够用于坐标转换的计算。
本发明的有益效果是：
1、本发明中的标定方法通过获取被测量处在激光视觉坐标系和机器人坐标系下的位置信息，计算得出激光视觉坐标系和机器人坐标系的相对关系，实现被测量物体在激光视觉的坐标到机器人的坐标的转换，提高系统的整体作业效率，具有良好的应用效果。
2、本发明中的标定方法对标定板要求不高，容易实现，采用2组标定点更能保证标定精度。在计算激光视觉坐标系和机器人坐标系的相对关系的转换矩阵中，计算方法简单，易于实现。
附图说明
图1是工业机器人的机器人末端触碰参考点以获取参考点在基坐标系下的坐标的示意图。
图2是激光照射参考点以获取参考点在激光坐标系下的坐标的示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-2和具体实施方式做进一步的描述。
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。
一种精确标定机器人末端与视觉系统的方法，包括如下步骤：
a、准备工作，在工业机器人安装焊枪和激光器；准备两块金属板，将两块金属板上下叠放设置，并采用焊枪焊接。如图1所示。
b、在步骤a中的两块金属板的焊缝处选取两个参考点，分别定义为A1和A2；如图1所示。
c、将步骤a中的工业机器人调整姿态，使机器人末端垂直于金属板表面向下。
d、将步骤c中的机器人末端分别依次运动到参考点A1和参考点A2，获取参考点A1和参考点A2在基坐标系下的坐标，记为和根据激光坐标系和机器人坐标系之间的关系可得，如下公式：
其中，和为参考点A1和参考点A2在基坐标系下的坐标，和为机器人末端在基坐标系下进行欧拉变换所得到的矩阵，为机器人末端与激光器内激光坐标系之间的变换矩阵即需要求解的对象，和为参考点A1和参考点A2在激光器内激光坐标系下的坐标；如图2所示。
e、调整步骤d中工业机器人的位置，使激光器的激光分别依次照射在参考点A1和参考点A2上，分别记录参考点A1和参考点A2在激光器内的激光坐标系下的坐标，记为和
同时记录下在激光器的激光次照射在参考点A1时机器人末端在基坐标系下的坐标和在激光器的激光次照射在参考点A2时机器人末端在基坐标系下的坐标，分别记为和
对坐标进行欧拉变换，后坐标记为对进行欧拉变换，后坐标记为
将和代入公式(1)，得
将和代入公式(2)，得
f、变换步骤e中工业机器人姿态，使激光器的激光分别依次照射在参考点A1和参考点A2上，分别记录参考点A1和参考点A2在激光器内的激光坐标系下的坐标，记为和
同时记录下在激光器的激光次照射在参考点A1时机器人末端在基坐标系下的坐标和在激光器的激光次照射在参考点A2时机器人末端在基坐标系下的坐标，分别记为和
对坐标进行欧拉变换，后坐标记为对进行欧拉变换，后坐标记为
将和代入公式(1)，得
将和代入公式(2)，得
j、变换步骤f中工业机器人姿态，使激光器的激光分别依次照射在参考点A1和参考点A2上，分别记录参考点A1和参考点A2在激光器内的激光坐标系下的坐标，记为和
同时记录下在激光器的激光次照射在参考点A1时机器人末端在基坐标系下的坐标和在激光器的激光次照射在参考点A2时机器人末端在基坐标系下的坐标，分别记为和
对坐标进行欧拉变换，后坐标记为对进行欧拉变换，后坐标记为
将和代入公式(1)，得
将和代入公式(2)，得
h、根据步骤e、步骤f和步骤j的标定过程可得到：
由于参考点A1和A2的运算方法一致，这里只列出参考点A1的运算方法，将式(3)(5)(7)整理如下：
其中记为B1，记为B2，记为B3，(9)(10)(11)可整理如下：
将式(12)(13)(14)联立并运算得出
实施例：
根据精确标定机器人末端与视觉系统的方法对参考点1做实验，可得以下数据：
为 为 为 为 为 为 为 为 为 为
设需要求解的矩阵为
将上述的为 为 为和求解的矩阵为同时带入公式(3)中，得式(1)；
将上述的为 为 为和求解的矩阵为同时带入公式(5)中，得式(2)；
将上述的为 为 为和求解的矩阵为同时带入公式(7)中，得式(2)；
对式(1)(2)(3)式整理可得式(4)(5)(6)，如下所示：
对(4)(5)(6)式进行整理可得式(7)(8)(9)：
将式(7)(8)(9)联立可得：
根据变换矩阵的特性，将式(10)的其余位补上，得到4*4矩阵：
根据变换矩阵正交的特性，并将其单位化，可得：
即变换矩阵为
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (2)

1.一种精确标定机器人末端与视觉系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、准备工作，在工业机器人安装焊枪和激光器；准备两块金属板，将两块金属板上下叠放设置，并采用焊枪焊接；
b、在步骤a中的两块金属板的焊缝处选取两个参考点，分别定义为A1和A2；
c、将步骤a中的工业机器人调整姿态，使机器人末端垂直于金属板表面向下；
d、将步骤c中的机器人末端分别依次运动到参考点A1和参考点A2，获取参考点A1和参考点A2在基坐标系下的坐标，记为和根据激光坐标系和机器人坐标系之间的关系可得，如下公式：
其中，和为参考点A1和参考点A2在基坐标系下的坐标，和为机器人末端在基坐标系下进行欧拉变换所得到的矩阵，为机器人末端与激光器内激光坐标系之间的变换矩阵即需要求解的对象，和为参考点A1和参考点A2在激光器内激光坐标系下的坐标；
e、调整步骤d中工业机器人的位置，使激光器的激光分别依次照射在参考点A1和参考点A2上，分别记录参考点A1和参考点A2在激光器内的激光坐标系下的坐标，记为和
同时记录下在激光器的激光次照射在参考点A1时机器人末端在基坐标系下的坐标和在激光器的激光次照射在参考点A2时机器人末端在基坐标系下的坐标，分别记为和
对坐标进行欧拉变换，后坐标记为对进行欧拉变换，后坐标记为
将和代入公式(1)，得
将和代入公式(2)，得
f、变换步骤e中工业机器人姿态，使激光器的激光分别依次照射在参考点A1和参考点A2上，分别记录参考点A1和参考点A2在激光器内的激光坐标系下的坐标，记为和
同时记录下在激光器的激光次照射在参考点A1时机器人末端在基坐标系下的坐标和在激光器的激光次照射在参考点A2时机器人末端在基坐标系下的坐标，分别记为和
对坐标进行欧拉变换，后坐标记为对进行欧拉变换，后坐标记为
将和代入公式(1)，得
将和代入公式(2)，得
j、变换步骤f中工业机器人姿态，使激光器的激光分别依次照射在参考点A1和参考点A2上，分别记录参考点A1和参考点A2在激光器内的激光坐标系下的坐标，记为和
同时记录下在激光器的激光次照射在参考点A1时机器人末端在基坐标系下的坐标和在激光器的激光次照射在参考点A2时机器人末端在基坐标系下的坐标，分别记为和
对坐标进行欧拉变换，后坐标记为对进行欧拉变换，后坐标记为
将和代入公式(1)，得
将和代入公式(2)，得
h、根据步骤e、步骤f和步骤j的标定过程可得到：
由于参考点A1和A2的运算方法一致，这里只列出参考点A1的运算方法，将式(3)(5)(7)整理如下：
其中记为B1，记为B2，记为B3，(9)(10)(11)可整理如下：
将式(12)(13)(14)联立并运算得出
2.根据权利要求1所述的精确标定机器人末端与视觉系统的方法，其特征在于，激光器中的激光为线激光。
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