CN110640746B

CN110640746B - 机器人的坐标系标定及定位方法、系统、设备、介质

Info

Publication number: CN110640746B
Application number: CN201911081005.0A
Authority: CN
Inventors: 李丹; 潘昕荻; 周朝政; 付亚波
Original assignee: Shanghai Electric Group Corp
Current assignee: Shanghai Electric Group Corp
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2039-11-07
Also published as: CN110640746A

Abstract

本发明公开了一种机器人的坐标系标定及定位方法、系统、设备、介质，所述坐标系标定方法包括：分别获取多个位姿下法兰的法兰坐标系与基座的基座坐标系的第一转换矩阵；获取第一靶球的第一靶球坐标系与第二靶球的第二靶球坐标系的第二转换矩阵；获取末端工具的末端点在法兰坐标系下的第一位置数据以及末端点在第一靶球坐标系下的第二位置数据；根据第一位置数据、第二位置数据、第一转换矩阵和第二转换矩阵计算得到基座坐标系与第二靶球坐标系的第三转换矩阵。本发明通过靶球的设定，使得标定过程简单，易操作，标定完成后，通过机械臂基座上的第二靶球实现机器人空间定位，提高了定位精度且增大了机械臂的活动空间。

Description

机器人的坐标系标定及定位方法、系统、设备、介质

技术领域

本发明属于机器人视觉标定技术领域，特别涉及一种机器人的坐标系标定及定位方法、系统、设备、介质。

背景技术

随着机器人在各个行业的广泛运用，业界对机器人运动时在空间上的重复定位精度和绝对定位精度有严格的要求，现今机器人的重复定位精度比较高，而绝对定位精度却很低。机器人的绝对定位精度由两方面决定：一是机器人工具坐标系的标定，工具坐标系的标定是安装的工具末端坐标系相对于工业机器人连杆端部坐标系的位置和姿态参数的辨识过程。二是机器人在目标空间位置的定位精度，机器人的定位过程一般涉及到空间位置矩阵的转换，即需要在目标空间位置和机器人空间位置之间建立空间矩阵，建立空间矩阵后，机器人通过移动到达由空间矩阵确定的目标所在位置，从而完成后续的工作。

而现有绝对定位过程中，需要手动测量约束装置中心点与测量装置的距离，引入人为测量误差，而且增加标定的操作步骤；同时对测量工具要求较高，而工具本身的加工装配带来的误差将影响标定结果，而且对使用环境及操作者的专业水平要求较高，计算复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中机器人绝对定位的标定精度不够且标定过程较复杂的缺陷，提供一种机器人的坐标系标定及定位方法、系统、设备、介质。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种机器人的坐标系标定方法，所述机器人的机械臂末端的法兰上设有末端工具，在所述末端工具和所述机器人的基座上分别设置第一靶球和第二靶球，所述坐标系标定方法包括：

分别获取多个位姿下所述法兰的法兰坐标系与所述基座的基座坐标系的第一转换矩阵；

获取所述第一靶球的第一靶球坐标系与所述第二靶球的第二靶球坐标系的第二转换矩阵；

获取所述末端工具的末端点在所述法兰坐标系下的第一位置数据以及所述末端点在所述第一靶球坐标系下的第二位置数据；

根据所述第一位置数据、所述第二位置数据、所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵计算得到所述基座坐标系与所述第二靶球坐标系的第三转换矩阵。

较佳地，所述获取所述第一靶球的第一靶球坐标系与所述第二靶球的第二靶球坐标系的第二转换矩阵的步骤具体包括：

在定位系统下，获取所述第一靶球在定位坐标系中的第三位置数据和所述第二靶球在定位坐标系中的第四位置数据；

根据所述第三位置数据和所述第四位置数据得到所述第二转换矩阵。

较佳地，所述坐标系标定方法根据以下公式计算所述第三转换矩阵，具体包括：

其中，

为待求解的第三转换矩阵，/>

为第一转换矩阵，/>

为第二转换矩阵，P_O为末端点的第一位置数据，P′_O为末端点的第二位置数据。

一种机器人的定位方法，所述定位方法利用如上所述的机器人的坐标系标定方法实现，具体包括：

根据所述坐标系标定方法得到基座坐标系与第二靶球坐标系的第三转换矩阵；

获取当前位姿下所述法兰的法兰坐标系与所述基座的基座坐标系的当前第一转换矩阵；

获取第二靶球坐标系与定位坐标系的第四转换矩阵；

获取末端工具的末端点在法兰坐标系下的当前位置数据；

根据所述当前第一转换矩阵、所述第三转换矩阵、所述第四转换矩阵和所述当前位置数据计算得到所述末端点在定位坐标系中的标定位置数据。

较佳地，所述获取第二靶球坐标系与定位坐标系的第四转换矩阵的步骤具体包括：

获取所述第二靶球在定位坐标系中的第四位置数据；

根据所述第四位置数据得到所述第四转换矩阵。

较佳地，所述定位方法根据以下公式计算所述标定位置数据，具体包括：

其中，

为末端点的标定位置数据，/>

为第四转换矩阵，/>

为第三转换矩阵，

为当前第一转换矩阵，/>

为末端点的当前位置数据。

一种机器人的坐标系标定系统，所述机器人的机械臂末端的法兰上设有末端工具，在所述末端工具和所述机器人的基座上分别设置第一靶球和第二靶球，所述坐标系标定系统包括第一转换矩阵获取模块、第二转换矩阵获取模块、位置数据获取模块和第三转换矩阵计算模块；

所述第一转换矩阵获取模块用于分别获取多个位姿下所述法兰的法兰坐标系与所述基座的基座坐标系的第一转换矩阵；

所述第二转换矩阵获取模块用于获取所述第一靶球的第一靶球坐标系与所述第二靶球的第二靶球坐标系的第二转换矩阵；

所述位置数据获取模块用于获取所述末端工具的末端点在所述法兰坐标系下的第一位置数据以及所述末端点在所述第一靶球坐标系下的第二位置数据；

所述第三转换矩阵计算模块用于根据所述第一位置数据、所述第二位置数据、所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵计算得到所述基座坐标系与所述第二靶球坐标系的第三转换矩阵。

较佳地，所述第二转换矩阵获取模块包括第一位置数据获取单元；

所述第一位置数据获取单元用于在定位系统下获取所述第一靶球在定位坐标系中的第三位置数据和所述第二靶球在定位坐标系中的第四位置数据；

所述第二转换矩阵获取模块用于根据所述第三位置数据和所述第四位置数据得到所述第二转换矩阵。

较佳地，所述坐标系标定系统根据以下公式计算所述第三转换矩阵，具体包括：

其中，

为待求解的第三转换矩阵，/>

为第一转换矩阵，/>

一种机器人的定位系统，所述定位系统包括第四转换矩阵获取模块、当前位置获取模块、标定位置计算模块和如上所述的机器人的坐标系标定系统；

所述坐标系标定系统用于获取基座坐标系与第二靶球坐标系的第三转换矩阵；

所述第一转换矩阵获取模块还用于获取当前位姿下所述法兰的法兰坐标系与所述基座的基座坐标系的当前第一转换矩阵；

所述第四转换矩阵获取模块用于获取第二靶球坐标系与定位坐标系的第四转换矩阵；

所述当前位置获取模块用于获取末端工具的末端点在法兰坐标系下的当前位置数据；

所述标定位置计算模块用于根据所述当前第一转换矩阵、所述第三转换矩阵、所述第四转换矩阵和所述当前位置数据计算得到所述末端点在定位坐标系中的标定位置数据。

较佳地，所述第四转换矩阵获取模块包括第二位置数据获取单元；

所述第二位置数据获取单元用于获取所述第二靶球在定位坐标系中的第四位置数据；

所述第四转换矩阵获取模块用于根据所述第四位置数据得到所述第四转换矩阵。

较佳地，所述定位系统根据以下公式计算所述标定位置数据，具体包括：

其中，

为末端点的标定位置数据，/>

为第四转换矩阵，/>

为第三转换矩阵，

为当前第一转换矩阵，/>

为末端点的当前位置数据。

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的机器人的坐标系标定方法；

和/或，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的机器人的定位方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述的机器人的坐标系标定方法的步骤；

和/或，所述程序被处理器执行时实现上述的机器人的定位方法的步骤。

本发明的积极进步效果在于：本申请的机器人的坐标系标定方法，通过靶球的设定，使得标定过程简单，易操作，降低对操作者的技术要求，标定完成后，机器人通过机械臂基座上的第二靶球实现机器人空间定位，提高了定位精度，且第二靶球设在基座上一定程度上也增大了机械臂的活动空间。

附图说明

图1为本发明实施例1的机器人的坐标系标定方法的流程图。

图2为本发明实施例1的机器人的坐标系标定方法中步骤12的流程图。

图3为本发明实施例2的机器人的定位方法的流程图。

图4为本发明实施例2的机器人的定位方法中步骤23的流程图。

图5为本发明实施例3的机器人的坐标系标定系统的模块示意图。

图6为本发明实施例4的机器人的定位系统的模块示意图。

图7为本发明实施例5的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

一种机器人的坐标系标定方法，如图1所示，所述机器人的机械臂末端的法兰上设有末端工具，在所述末端工具和所述机器人的基座上分别设置第一靶球和第二靶球，所述坐标系标定方法包括：

步骤11、分别获取多个位姿下法兰的法兰坐标系与基座的基座坐标系的第一转换矩阵；需要说明的是，第一转换矩阵是可以从机器人系统中直接读取的，且其跟随机械臂的不同位姿有所变化。

步骤12、获取第一靶球的第一靶球坐标系与第二靶球的第二靶球坐标系的第二转换矩阵；

步骤13、获取末端工具的末端点在法兰坐标系下的第一位置数据以及末端点在第一靶球坐标系下的第二位置数据；需说明的是，末端工具一旦设置好之后，其末端点在法兰坐标系下的第一位置数据是一固定值，其可以通过现有技术中机器人自身具有的四点标定法获得，也可以通过其他的标定算法获取，本申请不作特别限定。

步骤14、根据第一位置数据、第二位置数据、第一转换矩阵和第二转换矩阵计算得到基座坐标系与第二靶球坐标系的第三转换矩阵。

其中，如图2所示，步骤12具体包括：

步骤121、在定位系统下，获取第一靶球在定位坐标系中的第三位置数据和第二靶球在定位坐标系中的第四位置数据；

步骤122、根据第三位置数据和第四位置数据得到第二转换矩阵。

实施例中，所述坐标系标定方法根据以下公式计算所述第三转换矩阵，具体包括：

其中，

为待求解的第三转换矩阵，/>

为第一转换矩阵，/>

本实施例中，通过靶球的设定，使得标定过程简单，易操作，降低对操作者的技术要求。

实施例2

一种机器人的定位方法，如图3所示，所述定位方法利用如实施例1所述的机器人的坐标系标定方法实现，具体包括：

步骤21、根据坐标系标定方法得到基座坐标系与第二靶球坐标系的第三转换矩阵；

步骤22、获取当前位姿下法兰的法兰坐标系与基座的基座坐标系的当前第一转换矩阵；

步骤23、获取第二靶球坐标系与定位坐标系的第四转换矩阵；

步骤24、获取末端工具的末端点在法兰坐标系下的当前位置数据；需要说明的是，一旦末端工具设置完毕，该当前位置数据为一固定值，其可以通过现有技术中机器人自身具有的四点标定法获得，也可以通过其他的标定算法获取，本申请不作特别限定。另外，若本实施例中末端工具与实施例1中的为同一个，则该当前位置数据与实施例1中的第一位置数据相同，若不同，则该当前位置数据需重新获取。

步骤25、根据当前第一转换矩阵、第三转换矩阵、第四转换矩阵和当前位置数据计算得到末端点在定位坐标系中的标定位置数据。

需要说明的是，在机器人的定位方法中，将第一靶球移除，仅保留第二靶球。

其中，如图4所示，步骤23具体包括：

步骤231、获取第二靶球在定位坐标系中的第四位置数据；

步骤232、根据第四位置数据得到第四转换矩阵。

本实施例中，所述定位方法根据以下公式计算所述标定位置数据，具体包括：

其中，

为末端点的标定位置数据，/>

为第四转换矩阵，/>

为第三转换矩阵，

为当前第一转换矩阵，/>

为末端点的当前位置数据。

本实施例中，在机器人的坐标系标定完成后，通过机械臂基座上的第二靶球实现机器人空间定位，提高了定位精度，且第二靶球设在基座上一定程度上也增大了机械臂的活动空间。

实施例3

一种机器人的坐标系标定系统，如图5所示，所述机器人的机械臂末端的法兰上设有末端工具，在所述末端工具和所述机器人的基座上分别设置第一靶球和第二靶球，所述坐标系标定系统包括第一转换矩阵获取模块1、第二转换矩阵获取模块2、位置数据获取模块3和第三转换矩阵计算模块4；

所述第一转换矩阵获取模块1用于分别获取多个位姿下所述法兰的法兰坐标系与所述基座的基座坐标系的第一转换矩阵；需要说明的是，第一转换矩阵是可以从机器人系统中直接读取的，且其跟随机械臂的不同位姿有所变化。

所述第二转换矩阵获取模块2用于获取所述第一靶球的第一靶球坐标系与所述第二靶球的第二靶球坐标系的第二转换矩阵；

所述位置数据获取模块3用于获取所述末端工具的末端点在所述法兰坐标系下的第一位置数据以及所述末端点在所述第一靶球坐标系下的第二位置数据；需说明的是，末端工具一旦设置好之后，其末端点在法兰坐标系下的第一位置数据是一固定值，其可以通过现有技术中机器人自身具有的四点标定法获得，也可以通过其他的标定算法获取，本申请不作特别限定。

所述第三转换矩阵计算模块4用于根据所述第一位置数据、所述第二位置数据、所述第一转换矩阵和所述第二转换矩阵计算得到所述基座坐标系与所述第二靶球坐标系的第三转换矩阵。

其中，参见图5，所述第二转换矩阵获取模块2包括第一位置数据获取单元201；

所述第一位置数据获取单元201用于在定位系统下获取所述第一靶球在定位坐标系中的第三位置数据和所述第二靶球在定位坐标系中的第四位置数据；

所述第二转换矩阵获取模块2用于根据所述第三位置数据和所述第四位置数据得到所述第二转换矩阵。

本实施例中，所述坐标系标定系统根据以下公式计算所述第三转换矩阵，具体包括：

其中，

为待求解的第三转换矩阵，/>

为第一转换矩阵，/>

实施例4

一种机器人的定位系统，如图6所示，所述定位系统包括第四转换矩阵获取模块5、当前位置获取模块6、标定位置计算模块7和如实施例3所述的机器人的坐标系标定系统；

所述第四转换矩阵获取模块5用于获取第二靶球坐标系与定位坐标系的第四转换矩阵；

所述当前位置获取模块6用于获取末端工具的末端点在法兰坐标系下的当前位置数据；需要说明的是，一旦末端工具设置完毕，该当前位置数据为一固定值，其可以通过现有技术中机器人自身具有的四点标定法获得，也可以通过其他的标定算法获取，本申请不作特别限定。另外，若本实施例中末端工具与实施例3中的为同一个，则该当前位置数据与实施例3中的第一位置数据相同，若不同，则该当前位置数据需重新获取。

所述标定位置计算模块7用于根据所述第一转换矩阵、所述第三转换矩阵、所述第四转换矩阵和所述当前位置数据计算得到所述末端点在定位坐标系中的标定位置数据。

其中，参见图6，所述第四转换矩阵获取模块5包括第二位置数据获取单元501；

所述第二位置数据获取单元501用于获取所述第二靶球在定位坐标系中的第四位置数据；

所述第四转换矩阵获取模块5用于根据所述第四位置数据得到所述第四转换矩阵。

本实施例中，所述定位系统根据以下公式计算所述标定位置数据，具体包括：

其中，

为末端点的标定位置数据，/>

为第四转换矩阵，/>

为第三转换矩阵，

为当前第一转换矩阵，/>

为末端点的当前位置数据。

实施例5

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1所述的机器人的坐标系标定方法或用于实现实施例2所述的机器人定位方法。

图7为本实施例提供的一种电子设备的结构示意图。图7示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性电子设备90的框图。图7显示的电子设备90仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图7所示，电子设备90可以以通用计算设备的形式表现，例如其可以为服务器设备。电子设备90的组件可以包括但不限于：至少一个处理器91、至少一个存储器92、连接不同系统组件(包括存储器92和处理器91)的总线93。

总线93包括数据总线、地址总线和控制总线。

存储器92可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)921和/或高速缓存存储器922，还可以进一步包括只读存储器(ROM)923。

存储器92还可以包括具有一组(至少一个)程序模块924的程序工具925，这样的程序模块924包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。

处理器91通过运行存储在存储器92中的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理。

电子设备90也可以与一个或多个外部设备94(例如键盘、指向设备等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口95进行。并且，电子设备90还可以通过网络适配器96与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器96通过总线93与电子设备90的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备90使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、RAID(磁盘阵列)系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电子设备的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本申请的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。

实施例6

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现实施例1所述的机器人的坐标系标定方法的步骤或用于实现实施例2所述的机器人的定位方法的步骤。

其中，可读存储介质可以采用的更具体可以包括但不限于：便携式盘、硬盘、随机存取存储器、只读存储器、可擦拭可编程只读存储器、光存储器件、磁存储器件或上述的任意合适的组合。

在可能的实施方式中，本发明还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行实现实施例1所述的机器人的坐标系标定方法的步骤或用于实现实施例2所述的机器人的定位方法的步骤。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。