CN110625600B - 一种机器人末端工件坐标系标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人末端工件坐标系标定方法，包括粗标定：示教机器人夹持工件移动，获得实际工件坐标系相对于理论坐标系的变换关系，并对理论工件坐标系进行补偿，得到实际工件坐标系相对于基坐标系的变换关系；精标定：以粗标定结果作为基准，机器人夹持工件运动，使理论坐标系的特征点依次与探针触碰，获得特征点的位置信息，更新循环次数、平均误差和旋转误差，并与设定的循环次数、平移误差阈值和旋转误差阈值比较，直至到达预定精度停止。本发明的标定方法,通过手动示教机器人实现机器人末端工件的粗标定，并通过算法实现机器人末端工件的精标定，显著提升机器人末端工件的标定精度，降低了环境与人为操作误差。

Description

一种机器人末端工件坐标系标定方法

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，更具体地，涉及一种机器人末端工件坐标系标定方法。

背景技术

机器人加工是基于其末端夹持工件的工件坐标系与加工工具的工具坐标系的相对位姿关系进行加工定位、姿态优化以及轨迹规划的过程。工件坐标系的标定即是标定机器人末端夹持的工件，计算工件坐标系相对于机器人基座标系的位姿关系。

传统的机器人工件坐标系标定方法通过手动示教引导机器人夹持工件运动到指定位置进而建立工件坐标系，存在操作繁琐、实际工件坐标系与理论工件坐标系不匹配，标定精度低等问题，难以满足叶片型面高精度加工需求。

专利文献CN201610425001.X和专利文献CN201820860818.4通过设计专用标定装置对标定过程加以辅助，虽然能够满足标定精度，但难以适用于叶片等复杂曲面类工件标定需求。专利文献CN201810374769.8和专利文献CN201710704853.7虽提出了通用性较好的标定方法，但操作复杂，手动示教误差大等问题依然存在。本发明通过简单的坐标转换算法与标定辅助装置实现了操作简单、标定精度高且适用于复杂工件的标定方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种机器人末端工件坐标系标定方法,通过手动示教机器人实现机器人末端工件的粗标定，并通过算法实现机器人末端工件的精标定，显著提升机器人末端工件的标定精度，降低了环境与人为操作误差。

为了实现上述目的，本发明提供一种机器人末端工件坐标系标定方法，包括基于机器人示教的粗标定和精标定；其中，

S100所述粗标定包括：示教机器人夹持工件移动，获得实际工件坐标系相对于理论坐标系的变换关系，并对理论工件坐标系进行补偿，得到实际工件坐标系相对于基坐标系的变换关系，完成粗机器人末端工件的粗标定；

S200所述精标定包括：以粗标定结果作为基准，机器人夹持工件运动，使理论坐标系的特征点依次与探针触碰，获得特征点的位置信息，更新循环次数、平均误差和旋转误差，并与设定的循环次数、平移误差阈值和旋转误差阈值比较，直至到达预定精度停止，实现机器人末端工件的精标定。

进一步地，步骤S100中所述粗标定具体包括如下步骤：

S101：创建理论工件坐标系{W}；

S102：在理论工件坐标系{W}下选取工件表面n个不共平面特征点，记其在{W}下的位置信息分别为^Wp₁,…,^Wp_n；

S103：在实际操作平台下示教机器人夹持工件移动，使其与理论模型相对应的特征点与高精度探针触碰，分别得到在实际工件坐标系{M}下特征点位置信息为^Mp₁,…,^Mp_n；

S104、通过坐标转换关系与最小二乘算法得到实际工件坐标系{M}相对于理论工件坐标系{W}的变换关系^WT_M；

S105、将^WT_M补偿至理论工件坐标系{W}，得到实际工件坐标系{M}相对于基座标系{B}的变换关系^BT_M，完成机器人末端工件坐标系的粗标定。

进一步地，步骤S104中所述坐标转换关系为：

^Wp_i＝^WT_M·^Mp_i i＝1,...,n

其中，^Wt_M表示理论工件坐标系{W}到实际工件坐标系{M}的平移变换向量，^Wp_i和^Mp_i分别表示理论工件坐标系{W}和实际工件坐标系{M}下的特征点位置信息。

进一步地，步骤S104中通过最小二乘法得到实际工件坐标系{M}相对于理论工件坐标系{W}的旋转变换矩阵

为：

其中，^WR_M表示理论工件坐标系{W}到实际工件坐标系{M}的旋转变换矩阵，^Wq_i、^Mq_i分别表示^Wp_i和^Mp_i旋转变化，^Wq_i＝^WR_M·^Mq_i i＝1,...,n。

进一步地，步骤S104中，实际工件坐标系{M}相对于理论工件坐标系{W}的平移变换向量

为：

进一步地，步骤S105中，基坐标系到实际工件坐标系粗标定结果下的坐标转换关系为：

其中，^BT_W表示基坐标系到理论工件坐标系粗标定结果下的坐标转换关系。

进一步地，步骤S200中所述精标定具体包括如下步骤：

S201：设定循环次数N、平移误差阈值ΔT与旋转误差阈值ΔR；

S202：机器人夹持工件运动，使得特征点依次与探针触碰并记录特征点位置信息；

S203、计算得到新的平移变换向量

与基坐标系到实际工件坐标系粗标定结果下的坐标转换关系^BT_M；

S204、更新当前循环次数j、平移误差δ_T与旋转误差δ_R；

S205、判断j≥N或者δ_T≤ΔT与δ_R≤ΔR是否成立，是则结束标定，否则循环继续，实现机器人末端工件坐标系的精标定。

进一步地，步骤S204中，所述平移误差δ_T与旋转误差δ_R计算方法如下：

其中，x_i,y_i,z_i表示平移变换向量

沿x,y,z轴方向的分量，

和^WR_M,0分别表示粗标定求得的平移变换向量和旋转变换矩阵。

进一步地，步骤S203中，所述的

和^BT_M第一次循环基于粗标定结果，第一次循环以后基于前一次的循环结果进行更新。

进一步地，步骤S202中，所述的特征点为粗标定时选取的特征点，标定完所有特征点一次记作一次循环。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的标定方法,通过手动示教机器人实现机器人末端工件的粗标定，并通过算法实现机器人末端工件的精标定，显著提升机器人末端工件的标定精度，降低了环境与人为操作误差。

2.本发明的标定方法,示教机器人夹持工件移动，获得实际工件坐标系相对于理论坐标系的变换关系，并对理论工件坐标系进行补偿，得到实际工件坐标系相对于基坐标系的变换关系，完成粗标定，极大降低标定复杂程度，使工件标定变得操作性强。

3.本发明的标定方法,以粗标定结果作为标定基准，机器人夹持工件使理论坐标系的特征点依次与探针触碰，获得特征点的位置信息，更新循环次数、平均误差和旋转误差，并与设定的循环次数、平移误差阈值和旋转误差阈值比较，实现精标定，减少了标定辅助装置，降低工件坐标系标定成本。

4.本发明的标定方法,通过理论工件坐标系和实际工件坐标系中工件上的n个特征点位置信息计算出位姿变换矩阵的方法，特征点选取多有利于提升标定精度。

附图说明

图1为本发明实施例机器人末端工件坐标系标定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例机器人末端工件坐标系标定方法中粗标定流程示意图；

图3为本发明实施例机器人末端工件坐标系标定方法中工件特征点选取与坐标转换原理示意图；

图4为本发明实施例机器人末端工件坐标系标定方法中精标定流程示意图。

具体实施方式

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供一种适用于机器人加工系统中机器人末端工件坐标系标定方法，可将其分为粗标定(手动示教标定)与精标定(自动标定)两部分。其中，粗标定具体包括：示教机器人夹持工件移动，获得实际工件坐标系相对于理论坐标系的变换关系，并对理论工件坐标系进行补偿，得到实际工件坐标系相对于基坐标系的变换关系，完成粗标定；精标定包括：以粗标定结果作为标定基准，机器人夹持工件使理论坐标系的特征点依次与探针触碰，获得特征点的位置信息，更新循环次数、平均误差和旋转误差，并与设定的循环次数、平移误差阈值和旋转误差阈值比较，实现精标定。

具体而言，如图2所示，粗标定具体包括如下步骤：

S101、在上位机软件中创建理论工件坐标系{W}；

S102、在理论工件坐标系{W}下选取工件表面n(n≥3)个不共平面特征点，记其在{W}下的位置信息分别为^Wp₁,…,^Wp_n；

S103、在实际操作平台下示教机器人夹持工件移动，使其与理论模型相对应的特征点与高精度探针触碰分别得到在实际工件坐标系{M}下特征点位置信息为^Mp₁,…,^Mp_n；

S104、通过坐标转换关系与最小二乘算法可得到实际工件坐标系{M}相对于理论工件坐标系{W}的变换关系^WT_M；

S105、将^WT_M补偿至理论工件坐标系{W}，得到实际工件坐标系{M}相对于基座标系{B}的变换关系^BT_M，完成机器人末端工件坐标系的粗标定。

进一步地，步骤S101所述理论工件坐标系创建方法一般在机器人编程软件中直接创建，且能够直接得到{W}相对于{B}的变化关系^BT_W。

步骤S104坐标转换关系如式(1)所示：

^Wp_i＝^WT_M·^Mp_i i＝1,...,n (1)

按上述坐标关系计算方法，求解^WT_M的最小二乘算法如下：

式(1)用刚体齐次变换法可表示为：

其中，^WR_M表示{W}到{M}的旋转变换矩阵，^Wt_M表示{W}到{M}的平移变换向量。

对步骤S102和S103所得特征点去中心化：

由于^Wp₁,…,^Wp_n和^Mp₁,…,^Mp_n中心相等，^Wp_i与^Mp_i仅存在旋转变化，即

^Wq_i＝^WR_M·^Mq_i i＝1,...,n (4)

选取的n个点可通过最小二乘算法计算得到较为精确的旋转变换矩阵

算法如下：

进而可通过式(5)求得平移变换向量：

结合式(5)和式(6)可得：

可得到基坐标系到实际工件坐标系粗标定结果下的坐标转换关系为：

如图4所示，所述精标定基于粗标定原理通过上位机编写机器人运动程序，实现自动循环标定，具体实现步骤如下：

S201、设定循环次数N、平移误差阈值ΔT与旋转误差阈值ΔR；

S202、机器人夹持工件运动，使得特征点依次与探针触碰并记录特征点位置信息；

S203、计算得到新的平移变换向量

与基坐标系到实际工件坐标系粗标定结果下的坐标转换关系^BT_M；

S204、更新当前循环次数j、平移误差δ_T与旋转误差δ_R；

S205、判断j≥N或δ_T≤ΔT与δ_R≤ΔR是否成立，是则结束标定，否则循环继续，实现机器人末端工件坐标系的精标定。

进一步地，步骤S202所述的特征点即为粗标定时选取的特征点，标定完所有特征点一次记作一次循环。

进一步地，步骤S203所述的

和^BT_M在第一次循环时是基于粗标定结果进行更新计算，第一次循环以后是基于前一次的循环结果进行更新。

进一步地，步骤S204所述的平移误差δ_T与旋转误差δ_R计算方法如下：

其中，x_i,y_i,z_i表示平移变换向量

沿x,y,z轴方向的分量，

和^WR_M,0分别表示粗标定求得的平移变换向量和旋转变换矩阵。

在本发明其中一个实施例中，以压气机叶片为例，说明本发明机器人末端工件坐标系标定的方法。图3为本发明实施例机器人末端工件坐标系标定方法中工件特征点选取与坐标转换原理示意图，如图4所示，{W}坐标系为理论工件坐标系，该坐标系可在上位机上直接设定。但由于实际装夹误差等导致实际工件坐标系{M}与理论工件坐标系存在一定的偏差，相当于{W}进行了一次平移旋转变换，其位姿转换关系记为^WT_M。本发明实施例提出一种通过理论工件坐标系{W}和实际工件坐标系{M}中工件上的n个特征点位置信息计算出位姿变换矩阵^WT_M的方法，本实例中取n＝6，实际n≥3即可，特征点选取多有利于提升标定精度。两坐标系中的特征点存在关系如式(10)所示：

其中，^Wp_i表示理论工件坐标系{W}种叶片上选取的特征点，^Mp_i表示实际工件坐标系{M}中叶片上相应的特征点，^WR_M表示{W}到{M}的旋转变换矩阵，^Wt_M表示{W}到{M}的平移变换向量。

对^Wp_i与^Mp_i进行去中心化处理：

由于^Wp_i与^Mp_i中心相等，则有：

^Wq_i＝^WR_M·^Mq_i i＝1,...,6 (12)

通过6个点可以进行最小二乘拟合得到较为精确的^WR_M，算法如下：

进而可通过式(13)求得平移变换向量：

结合式(13)和式(14)可得：

可得到基坐标系到实际工件坐标系的坐标转换关系为：

以ABB IRB 4400机器人为例，机器人末端工件坐标系标定方法包括如下步骤：

S101、通过上位机软件RobotStudio创建理论工件坐标系{W}；

S102、在RobotStudio中的理论工件坐标系{W}下选取工件表面6个不共平面特征点，记其在{W}下的位置信息分别为：^Wp₁,…,^Wp₆；

S103、在实际操作平台下示教机器人夹持工件移动，使其与理论模型相对应的特征点与高精度探针触碰分别得到在实际工件坐标系{M}下特征点位置信息为：^Mp₁,…,^Mp₆；

S104、通过上述位姿变换求解方法得到实际工件坐标系{M}相对于理论工件坐标系{W}的变换关系

S105、将

补偿至理论工件坐标系{W}，得到实际工件坐标系{M}相对于基座标系{B}的变换关系^BT_M，完成粗标定。

此外，基于粗标定结果^BT_M，在RobotStudio中对机器人自动夹持叶片使特征点与探针接触过程进行轨迹规划，实现自动循环标定，算法实现步骤如下：

S201、设定循环次数N＝5、平移误差阈值ΔT＝0.05与旋转误差阈值ΔR＝0.05；

S202、机器人夹持工件使特征点依次与探针触碰并记录特征点位置信息；

S203、计算得到新的

与^BT_M；

S204、更新当前循环次数j、平移误差δ_T与旋转误差δ_R；

S205、判断j≥N或δ_T≤ΔT与δ_R≤ΔR是否成立，是则结束标定，否则循环继续。

步骤S202所述的特征点即为粗标定时选取的特征点，标定完所有特征点一次记作一次循环。

步骤S203所述的

和^BT_M在第一次循环时是基于粗标定结果进行更新计算，第一次循环以后是基于前一次的循环结果进行更新。

步骤S204所述的平移误差δ_T与旋转误差δ_R计算方法如下：

其中，x_i,y_i,z_i表示平移变换向量

沿x,y,z轴方向的分量，

和^WR_M,0分别表示粗标定求得的平移变换向量和旋转变换矩阵。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机器人末端工件坐标系标定方法，其特征在于，包括基于机器人示教的粗标定和精标定；其中，

S100所述粗标定包括：示教机器人夹持工件移动，获得实际工件坐标系相对于理论工件坐标系的变换关系，并对理论工件坐标系进行补偿，得到实际工件坐标系相对于基坐标系的变换关系，完成机器人末端工件的粗标定；

步骤S100中所述粗标定具体包括如下步骤：

S101：创建理论工件坐标系{W}；

S102：在理论工件坐标系{W}下选取工件表面n个不共平面特征点，记其在{W}下的位置信息分别为^Wp₁,…,^Wp_n；

S103：在实际操作平台下示教机器人夹持工件移动，使其与理论模型相对应的特征点与高精度探针触碰，分别得到在实际工件坐标系{M}下特征点位置信息为^Mp₁,…,^Mp_n；

S104、通过坐标转换关系与最小二乘算法得到实际工件坐标系{M}相对于理论工件坐标系{W}的变换关系

S105、将

补偿至理论工件坐标系{W}，得到实际工件坐标系{M}相对于基坐标系{B}的变换关系^BT_M，完成机器人末端工件的粗标定；

S200所述精标定包括：以粗标定结果作为基准，机器人夹持工件运动，使理论工件坐标系的特征点依次与探针触碰，获得特征点的位置信息，更新循环次数、平移误差和旋转误差，并与设定的循环次数、平移误差阈值和旋转误差阈值比较，直至到达预定精度停止，实现机器人末端工件的精标定；

步骤S200中所述精标定具体包括如下步骤：

S201：设定循环次数N、平移误差阈值ΔT与旋转误差阈值ΔR；

S202：机器人夹持工件运动，使得特征点依次与探针触碰并记录特征点位置信息；

S203、计算得到新的变换关系

与基坐标系到实际工件坐标系粗标定结果下的坐标转换关系^BT_M；

S204、更新当前循环次数j、平移误差δ_T与旋转误差δ_R；

S205、判断j≥N OR(δ_T≤ΔT ANDδ_R≤ΔR)是否成立，是则结束标定，否则循环继续，实现机器人末端工件坐标系的精标定。

2.根据权利要求1所述的一种机器人末端工件坐标系标定方法，其特征在于，步骤S104中所述坐标变换关系为：

其中，^Wp_i和^Mp_i分别表示理论工件坐标系{W}和实际工件坐标系{M}下的特征点位置信息。

3.根据权利要求2所述的一种机器人末端工件坐标系标定方法，其特征在于，步骤S104中通过最小二乘法得到实际工件坐标系{M}相对于理论工件坐标系{W}的旋转变换矩阵

为：

其中，^WR_M表示理论工件坐标系{W}到实际工件坐标系{M}的旋转变换矩阵，^Wq_i、^Mq_i分别表示^Wp_i和^Mp_i旋转变化，^Wq_i＝^WR_M·^Mq_ii＝1,...,n。

4.根据权利要求3所述的一种机器人末端工件坐标系标定方法，其特征在于，步骤S104中，实际工件坐标系{M}相对于理论工件坐标系{W}的平移变换向量

为：

5.根据权利要求4所述的一种机器人末端工件坐标系标定方法，其特征在于，步骤S105中，基坐标系到实际工件坐标系粗标定结果下的坐标转换关系为：

其中，^BT_W表示基坐标系到理论工件坐标系粗标定结果下的坐标转换关系。

6.根据权利要求5所述的一种机器人末端工件坐标系标定方法，其特征在于，步骤S204中，所述平移误差δ_T与旋转误差δ_R计算方法如下：

其中，x_i,y_i,z_i表示平移变换向量

沿x,y,z轴方向的分量，

表示迭代次数为i时的旋转变换矩阵，

表示迭代次数i＝1时的旋转变换矩阵。

7.根据权利要求5所述的一种机器人末端工件坐标系标定方法，其特征在于，步骤S203中，所述的

和^BT_M第一次循环基于粗标定结果，第一次循环以后基于前一次的循环结果进行更新。

8.根据权利要求5所述的一种机器人末端工件坐标系标定方法，其特征在于，步骤S202中，所述的特征点为粗标定时选取的特征点，标定完所有特征点一次记作一次循环。

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