CN109773686A - 一种用于机器人装配的点激光线标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机器人装配的点激光线标定方法及系统，其方法包括：沿着预设运动轨迹对在扫描范围内的标定球进行点激光线扫描，得到标定球的多个球面点坐标，并将各个球面点坐标分别转换为从机器人末端法兰盘坐标系到机器人基坐标系的各个齐次变换矩阵；将标定球的半径分别与各个齐次变换矩阵建立标定方程组，对应得到多组标定方程组；对多组标定方程组进行求解，得到点激光线的标定参数。本发明提供的用于机器人装配的点激光线标定方法及系统，提高了标定参数的准确度，降低了标定成本，具有算法简单、效率高、标定精度高等优点。

Description

一种用于机器人装配的点激光线标定方法及系统

技术领域

本发明涉及机器人视觉技术领域，尤其涉及一种用于机器人装配的点激光线标定方法及系统。

背景技术

为了保证在机器人装配过程中装配体的准直性，将机器人视觉技术已经广泛应用于体机器人装配，机器人末端装配过程传感器，传感器可以有效保证装配体在机器人中的准确位姿。

目前，传感器主要为力传感器和激光传感器，力传感器采集力数据，通过力控算法计算力数据，激光传感器采集位移数据，通过位移算法计算位移数据，以标定装配体在机器人上的位姿。

但是，力传感器的成本过高，激光传感器在机器人末端的位姿不准确，会直接降低影响机器人装配过程的法向准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中机器人装配过程中存在标定装配组件的成本高和准确性低的不足，提供一种用于机器人装配的点激光线标定方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

依据本发明的第一方面，提供了一种用于机器人装配的点激光线标定方法，包括：

沿着预设运动轨迹对在扫描范围内的标定球进行点激光线扫描，得到所述标定球的多个球面点坐标，并将各个所述球面点坐标分别转换为从机器人末端法兰盘坐标系到机器人基坐标系的各个齐次变换矩阵；

将所述标定球的半径分别与各个所述齐次变换矩阵建立标定方程组，对应得到多组所述标定方程组；

对多组所述标定方程组进行求解，得到所述点激光线的标定参数。

依据本发明的第二方面，提供了一种用于机器人装配的点激光线标定系统，包括机器人、点激光传感器和标定球；

所述点激光传感器，用于当所述机器人带动所述点激光传感器按照预设运动轨迹运动时，沿着所述预设运动轨迹对在扫描范围内的标定球进行点激光线扫描，得到所述标定球的多个球面点坐标；

所述机器人，用于当所述机器人带动所述点激光传感器按照预设运动轨迹运动时，将各个所述球面点坐标分别转换为从机器人末端法兰盘坐标系到机器人基坐标系的各个齐次变换矩阵；

所述机器人，还用于将所述标定球的半径分别与各个所述齐次变换矩阵建立标定方程组，对应得到多组所述标定方程组，并对多组所述标定方程组进行求解，得到所述点激光线的标定参数。

相比于现有技术，本发明的一种用于机器人装配的点激光线标定方法及系统，在机器人末端法兰盘按照预设运动轨迹带动点激光传感器的过程中，点激光传感器和机器人同步采集多个球面点坐标和将各个球面点坐标转换为齐次变换矩阵，相比于在点激光传感器采集多个球面点坐标之后机器人再确定齐次变换矩阵，可以缩短以上数据的获取时间，提升了获取数据的实时性；对多组标定方程组进行求解，可以得到较为优化的标定参数，提高了标定参数的准确度，相比于力传感器，点激光传感器降低了标定成本，标定参数能够标定点激光线的坐标和方向，具有算法简单、效率高和标定精度高等优点，适用于各种类型的机器人装配标定场合。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于机器人装配的点激光线标定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于机器人装配的点激光线标定系统的结构示意图。

附图中，各标号所表示的部件列表如下：

1-工作台，2-机器人，3-点激光传感器，4-标定球，5-机器人末端法兰盘，6-装配体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

如图1所示，本发明实施例的一种用于机器人装配的点激光线标定方法的流程示意图，该方法包括：

沿着预设运动轨迹对在扫描范围内的标定球进行点激光线扫描，得到标定球的多个球面点坐标，并将各个球面点坐标分别转换为从机器人末端法兰盘坐标系到机器人基坐标系的各个齐次变换矩阵。

将标定球的半径分别与各个齐次变换矩阵建立标定方程组，对应得到多组标定方程组，并对多组标定方程组进行求解，得到点激光线的标定参数。

优选地，各个标定方程组均包括坐标变换方程和距离方程，将标定球的半径分别与各个齐次变换矩阵建立标定方程组具体包括：设定点激光线上的激光参考点以及激光参考点在机器人末端法兰盘坐标系中的参考三维坐标。

将参考三维坐标分别与各个齐次变换矩阵建立从激光参考点到机器人基坐标系的坐标变换方程。

将半径分别与各个坐标变换方程中的变换坐标建立距离方程，距离方程用于表示从对应的变换坐标到标定球的球心之间的距离。

其中，一个坐标变换方程和对应的一个距离方程，组成一组标定方程组。

例如：将参考三维坐标[x₀ y₀ z₀]^T与齐次变换矩阵A建立从激光参考点到机器人基坐标系的坐标变换方程A，将半径R与坐标变换方程A中的变换坐标建立距离方程A，坐标变换方程A和距离方程A组成一组标定方程组A；将参考三维坐标[x₀ y₀ z₀]^T与齐次变换矩阵B建立从激光参考点到机器人基坐标系的坐标变换方程B，将半径R与坐标变换方程B中的变换坐标建立距离方程B，坐标变换方程B和距离方程B组成一组标定方程组B。

优选地，坐标变换方程表示为：

其中，

ⁱp_b表示第i个变换坐标的坐标向量，ⁱp₀表示预设运动轨迹中的第i个轨迹点到激光参考点的位置向量，点激光传感器在第i个轨迹点对标定球扫描，得到第i个球面点坐标，其中，激光参考点是指：位于点激光传感器发射的点激光线上的任意一点。

将以上公式联立，得到：

其中，和分别表示在第i个变换坐标中的一维坐标，表示第i个齐次变换矩阵，x₀、y₀和z₀分别表示激光参考点到机器人末端法兰盘坐标系中的一维坐标，l表示在预设运动轨迹中的第i个轨迹点到激光参考点的参考长度，n_x、n_y和n_z分别表示单位矢量在三维方向上的一个分量，其中，单位矢量以n_x ²+n_y ²+n_z ²＝1表示，x₀、y₀和z₀在机器人基坐标系中。

优选地，距离方程表示为：

其中，d_i表示从第i个变换坐标到标定球中的球心之间的距离，x_c、y_c和z_c分别表示标定球中的球心所对应的一维坐标。

优选地，对多组标定方程组进行求解，得到点激光线的标定参数具体包括：采用非线性最小二乘方程对多组标定方程组进行求解，得到点激光线的标定参数。

非线性最小二乘方程表示为：

其中，f(x₀,y₀,z₀,n_x,n_y,x_c,y_c,z_c)表示非线性最小二乘函数，R表示半径，n表示多个距离方程的总个数。

在一些具体实例中，机器人包括机器人示教器和机器人末端法兰盘，点激光器装配在机器人末端法兰盘；机器人末端法兰盘带动点激光器按照预设运动轨迹运动，预设运动轨迹可以是先按照标定球的径向运动，接着按照标定球从上到下的方向运动；当机器人末端法兰盘带动点激光器按照预设运动轨迹运动时，点激光传感器按照径向和从上到下的运动轨迹对标定球进行激光点线扫描，在运动轨迹中的每个轨迹点处，分别得到一个球面点坐标，同时，并从机器人示教器读取一个齐次变换矩阵，该齐次变换矩阵是将球面点坐标从机器人末端法兰转换到机器人基坐标系得到的矩阵，组合该球面点坐标和该齐次变换矩阵，得到一组采集数据。

机器人可以选定820个轨迹点，对应得到820组采集数据，利用820组采集数据求解得到前述标定参数。

前述标定参数包括：x₀,y₀,z₀,n_x,n_y,x_c,y_c,z_c，该八个标定参数以数据组形式表示为：[61.236 -15.643 139.778 0.016 0.020 -119.193 -305.573 106.620]，非线性最小二乘方程可以求解出最优的八个标定参数，提高了多个标定参数的求解效率和精确度。

优选地，在机器人末端法兰盘按照预设运动轨迹带动点激光传感器之前，还包括：建立机器人末端法兰盘坐标系为{o_b-x_by_bz_b}和机器人基坐标系{o_t-x_ty_tz_t}。

在机器人末端法兰盘按照预设运动轨迹带动点激光传感器的过程中，点激光传感器和机器人同步采集多个球面点坐标和将各个球面点坐标转换为齐次变换矩阵，相比于在点激光传感器采集多个球面点坐标之后机器人再确定齐次变换矩阵，可以缩短以上数据的获取时间，提升了获取数据的实时性；对多组标定方程组进行求解，可以得到较为优化的标定参数，提高了标定参数的准确度，相比于力传感器，点激光传感器降低了标定成本，标定参数能够标定点激光线的坐标和方向，具有算法简单、效率高和标定精度高等优点，适用于各种类型的机器人装配标定场合，具有较高的实用价值。

实施例二

如图2所示，本发明实施例的一种用于机器人装配的点激光线标定系统的结构示意图，图2中，在工作台1上固定有机器人2、标定球4和装配体6，机器人末端法兰盘5装配有点激光传感器3，标定球4设置在点激光传感器3的扫描范围内。

点激光传感器3，用于当机器人2带动点激光传感器3按照预设运动轨迹运动时，按照预设运动轨迹对在扫描范围内的标定球4进行点激光线扫描，得到标定球4的多个球面点坐标。

机器人2，用于当机器人2带动点激光传感器3按照预设运动轨迹运动时，将各个球面点坐标分别转换为从机器人末端法兰盘坐标系到机器人基坐标系的各个齐次变换矩阵。

机器人2，还用于将标定球的半径分别与各个齐次变换矩阵建立标定方程组，对应得到多组标定方程组，并对多组标定方程组进行求解，得到点激光线的标定参数。

优选地，各个标定方程组均包括坐标变换方程和距离方程，机器人2具体用于：设定点激光线上的激光参考点以及激光参考点在机器人末端法兰盘坐标系中的参考三维坐标。

将参考三维坐标分别与各个齐次变换矩阵建立从激光参考点到机器人基坐标系的坐标变换方程。

将半径分别与各个坐标变换方程中的变换坐标建立距离方程，距离方程用于表示从对应的变换坐标到标定球的球心之间的距离。

其中，一个坐标变换方程和对应的一个距离方程，组成一组标定方程组。

优选地，坐标变换方程表示为：

其中，和分别表示在第i个变换坐标中的一维坐标，表示第i个齐次变换矩阵，x₀、y₀和z₀分别表示激光参考点到机器人末端法兰盘坐标系中的一维坐标，l表示在预设运动轨迹中的第i个轨迹点到激光参考点的参考长度，n_x、n_y和n_z分别表示单位矢量在三维方向上的一个分量，其中，单位矢量以n_x ²+n_y ²+n_z ²＝1表示。

距离方程表示为：

其中，d_i表示从第i个球面点坐标到标定球中的球心之间的距离，x_c、y_c和z_c分别表示标定球中的球心所对应的一维坐标。

优选地，机器人具体用于：采用非线性最小二乘方程对多组标定方程组进行求解，得到所述点激光线的标定参数。

非线性最小二乘方程表示为：

其中，f(x₀,y₀,z₀,n_x,n_y,x_c,y_c,z_c)表示非线性最小二乘函数，R表示半径，n表示多个距离方程的总个数。

优选地，机器人2，还用于在机器人2带动点激光传感器3按照预设运动轨迹运动之前，建立机器人末端法兰盘坐标系为{o_b-x_by_bz_b}和机器人基坐标系为{o_t-x_ty_tz_t}。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于机器人装配的点激光线标定方法，其特征在于，包括：

沿着预设运动轨迹对在扫描范围内的标定球进行点激光线扫描，得到所述标定球的多个球面点坐标，并将各个所述球面点坐标分别转换为从机器人末端法兰盘坐标系到机器人基坐标系的各个齐次变换矩阵；

将所述标定球的半径分别与各个所述齐次变换矩阵建立标定方程组，对应得到多组所述标定方程组；

对多组所述标定方程组进行求解，得到所述点激光线的标定参数。

2.根据权利要求1所述的用于机器人装配的点激光线标定方法，其特征在于，各个所述标定方程组均包括坐标变换方程和距离方程，将所述标定球的半径分别与各个所述齐次变换矩阵建立标定方程组具体包括：

设定所述点激光线上的激光参考点以及所述激光参考点在所述机器人末端法兰盘坐标系中的参考三维坐标；

将所述参考三维坐标分别与各个所述齐次变换矩阵建立从所述激光参考点到所述机器人基坐标系的所述坐标变换方程；

将所述半径分别与各个所述坐标变换方程中的变换坐标建立所述距离方程，所述距离方程用于表示从对应的所述变换坐标到所述标定球的球心之间的距离；

其中，一个所述坐标变换方程和对应的一个所述距离方程，组成一组所述标定方程组。

3.根据权利要求1所述的用于机器人装配的点激光线标定方法，其特征在于，各个所述标定方程组均包括坐标变换方程和距离方程，所述坐标变换方程表示为：

其中，和分别表示在第i个变换坐标中的一维坐标，表示第i个所述齐次变换矩阵，x₀、y₀和z₀分别表示激光参考点到所述机器人末端法兰盘坐标系中的一维坐标，l表示在所述预设运动轨迹中的第i个轨迹点到所述激光参考点的参考长度，n_x、n_y和n_z分别表示单位矢量在三维方向上的一个分量。

4.根据权利要求3所述的用于机器人装配的点激光线标定方法，其特征在于，所述距离方程表示为：

其中，d_i表示从第i个所述变换坐标到所述标定球中的球心之间的距离，x_c、y_c和z_c分别表示所述标定球的球心所对应的一维坐标。

5.根据权利要求4所述的用于机器人装配的点激光线标定方法，其特征在于，对多组所述标定方程组进行求解，得到所述点激光线的标定参数具体包括：采用非线性最小二乘方程对多组所述标定方程组进行求解，得到所述点激光线的标定参数；

所述非线性最小二乘方程表示为：

其中，f(x₀,y₀,z₀,n_x,n_y,x_c,y_c,z_c)表示非线性最小二乘函数，R表示所述半径，n表示多个所述距离方程的总个数。

6.根据权利要求1-5任一项所述的用于机器人装配的点激光线标定方法，其特征在于，在所述机器人末端法兰盘按照预设运动轨迹带动点激光传感器之前，还包括：

建立所述机器人末端法兰盘坐标系为{o_b-x_by_bz_b}和所述机器人基坐标系为{o_t-x_ty_tz_t}。

7.一种用于机器人装配的点激光线标定系统，其特征在于，包括机器人、点激光传感器和标定球；

所述点激光传感器，用于当所述机器人带动所述点激光传感器按照预设运动轨迹运动时，沿着所述预设运动轨迹对在扫描范围内的标定球进行点激光线扫描，得到所述标定球的多个球面点坐标；

所述机器人，用于当所述机器人带动所述点激光传感器按照预设运动轨迹运动时，将各个所述球面点坐标分别转换为从机器人末端法兰盘坐标系到机器人基坐标系的各个齐次变换矩阵；

所述机器人，还用于将所述标定球的半径分别与各个所述齐次变换矩阵建立标定方程组，对应得到多组所述标定方程组，并对多组所述标定方程组进行求解，得到所述点激光线的标定参数。

8.根据权利要求7所述的用于机器人装配的点激光线标定系统，其特征在于，各个所述标定方程组均包括坐标变换方程和距离方程，所述机器人具体用于：

设定所述点激光线上的激光参考点以及所述激光参考点在所述机器人末端法兰盘坐标系中的参考三维坐标；

将所述参考三维坐标分别与各个所述齐次变换矩阵建立从所述激光参考点到所述机器人基坐标系的所述坐标变换方程；

将所述半径分别与各个所述坐标变换方程中的变换坐标建立所述距离方程，所述距离方程用于表示从对应的所述变换坐标到所述标定球的球心之间的距离；

其中，一个所述坐标变换方程和对应的一个所述距离方程，组成一组所述标定方程组。

9.根据权利要求8所述的用于机器人装配的点激光线标定系统，其特征在于，所述坐标变换方程表示为：

其中，和分别表示在第i个所述变换坐标中的一维坐标，表示第i个所述齐次变换矩阵，x₀、y₀和z₀分别表示所述激光参考点到所述机器人末端法兰盘坐标系中的一维坐标，l表示在所述预设运动轨迹中的第i个轨迹点到所述激光参考点的参考长度，n_x、n_y和n_z分别表示单位矢量在三维方向上的一个分量；

所述距离方程表示为：

其中，d_i表示从第i个所述变换坐标到所述标定球中的球心之间的距离，x_c、y_c和z_c分别表示所述标定球中的球心所对应的一维坐标。

10.根据权利要求9所述的用于机器人装配的点激光线标定系统，其特征在于，所述机器人具体用于：采用非线性最小二乘方程对多组所述标定方程组进行求解，得到所述点激光线的标定参数；

所述非线性最小二乘方程表示为：

其中，f(x₀,y₀,z₀,n_x,n_y,x_c,y_c,z_c)表示非线性最小二乘函数，R表示所述半径，n表示多个所述距离方程的总个数。