CN110962127B - 一种用于机械臂末端位姿辅助标定装置及其标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于机械臂末端位姿辅助标定装置及标定方法，用于工业机器人末端位姿的快速标定。所述辅助标定装置包括法兰盘、连接杆、标定正多面体。标定方法包括：将和所述标定正多面体各面边长相同的标靶纸贴至标定正多面体上，通过操作机械臂在任意两个坐标轴方向上分别移动、旋转一段距离和一定角度，获取至少三个标靶在机械臂载体坐标系下以及相机坐标系下的平移量和转动量参数以及所述装置安装尺寸信息；利用所述获取的位置信息及安装尺寸参数，计算得到当前该机械臂末端在相机坐标系下的包括位置坐标和姿态的位姿信息。通过本发明的方法能够快速准确的对工业机械臂进行标定，更易集成到工业环境中、可实时的完成标定过程。
Description
技术领域
本发明涉及工程机械领域，具体而言，涉及一种用于机械臂末端位姿辅助标定装置及标定方法。
背景技术
工业机器人成为工业4.0阶段，传统制造业迈向智能制造的“神助手”。近些年来，为满足实际加工场景下的产品需求，基于视觉引导定位的工业机器人越来越多的被应用到实际的机械加工中去。相较于传统的加工方法，使用视觉引导定位的工业机器人的加工生产，为产品生产线带来了更加便利、高效的加工环境，大大的提高了产品的加工效率。
视觉定位引导工业机器人进行高精密的加工生产，首要前提是要将机器人末端和视觉引导定位设备进行标定，得到机器人末端工具坐标系和视觉引导定位设备之间的姿态转换矩阵，以完成视觉设备对机械臂的引导定位。传统的机械臂末端位姿标定方法是控制视觉设备保持不动，驱动机械臂移动若干位置，采集这些位置的空间坐标信息，进而对机械臂末端进行标定，由于实际工程环境中基于视觉的引导定位需要实时的跟踪机械臂并对其进行引导定位，考虑到视觉设备的可视范围，因此需要保证视觉设备处于活动状态，由于传统的标定方法具有对机械臂操作要求较高，难度较大，受人为因素影响较大且标定一次花费时间较长等特性，因此并不具有普适性。所以，针对实际工程环境需求，目前迫切的需要一种机械臂末端位姿辅助标定装置以及方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种机械臂末端位姿辅助标定装置及方法，用于工业机器人末端位姿的快速标定。对辅助标定装置的形状结构以及机械臂末端位姿标定方法进行了设计，使得机器人末端可快速的进行标定，得到视觉设备与机械臂末端之间的姿态变换矩阵。通过本发明的方法能够快速准确的对工业机械臂进行标定，不需要借助传统的标定工具，更易集成到工业环境中、可实时的完成标定过程，改善工程质量，同时利用该辅助标定装置可以实现对机械臂末端的实时跟踪，为工业机器人智能化制造提供可靠的技术支持。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
本实施例的一种用于机械臂末端位姿辅助标定装置，其特征是：包括法兰盘、标定正多面体以及连接杆，法兰盘一侧盘面的盘心与工业机械臂末端执行器固定连接，标定正多面体的数量有多个，标定正多面体通过连接杆固定在法兰盘的周面外侧，标定正多面体与连接杆连接的一面除外，其余面每个面均贴附有标靶纸，每个标靶纸的编码都不相同，标靶纸位于工业机械臂末端标定视觉设备的可视范围内。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的标靶纸的长宽与标定正多面体相应面的长宽相适应，标靶纸正好覆盖标定正多面体的一个面。
上述的法兰盘的周面上等弧度固定有数量与标定正多面体相同的固定块，连接杆两端分别通过紧固螺栓与固定块以及标定正多面体的一个面固定连接，标定正多面体等弧度布设在法兰盘的周面外侧。
标定正多面体有八个，标定正多面体为空心正方体，相应的标靶纸的数量为四十个，标靶纸为正方形纸。
上述的工业机械臂末端标定视觉设备为相机。
机械臂末端位姿标定方法，包括以下步骤：
步骤一、标靶放置步骤：将和标定正多面体各面边长相同的标靶纸贴至标定正多面体上，保证标靶纸平面整齐、无破损，法兰盘一侧盘面的盘心固定在工业机械臂末端执行器的末端，用于工业机械臂末端标定的相机能拍到标靶纸；
步骤二、参数获取步骤：限定至少三个标靶纸上中心点为标靶，选定三个标靶，获取其在相机坐标系下的位置信息，以其中一个选定标靶为原点建立初始标靶坐标系，通过操作工业机械臂在始标靶坐标系中任意两个坐标轴方向上分别移动、旋转一段距离和一定角度，获取这三个选定标靶在机械臂末端工具坐标系下和相机坐标系下的平移量和转动量参数以及法兰盘厚度信息；
步骤三、机械臂末端位姿标定步骤：利用所述获取的位置信息及安装尺寸参数，计算得到当前机械臂末端在相机坐标系下的包括位置坐标和姿态的位姿信息。
步骤二中，参数获取步骤的具体方法如下：利用相机获取三个标靶的空间坐标信息，以第一标靶为原点，即为点P，X轴正向为该第一标靶和第二标靶所形成向量的方向向量，Y轴正向为X轴与第三标靶所形成的方向向量的外积，Z轴正向为X轴与Y轴的外积，根据标靶在相机坐标系下的位置信息，计算出初始标靶坐标系与相机坐标系之间的姿态转换矩阵
将标靶中心点空间坐标投影到相机坐标系
建立第二标靶坐标系：驱动机械臂向工具坐标系X轴正方向移动一段距离，点P投影到相机坐标系后得到
进而计算出第二标靶坐标系X轴的方向向量，驱动机械臂向工具坐标系Y轴正方向移动，点 P投影到相机坐标系后得到
进而计算出第二标靶坐标系Y轴的方向向量，利用第二标靶坐标系X、Y轴的方向向量，确定第二标靶坐标系Z轴的方向向量，然后计算出第二标靶坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵
选择空间中任意一点Pi作为所述第二标靶坐标系的原点，按照计算得到的坐标轴朝向建立第二标靶坐标系，平移向量为
进一步的，通过点P在第二标靶坐标系、相机坐标系内的位置信息，得到第二标靶坐标系相对于相机坐标系的转换矩阵
以及第二标靶坐标系相对于初始靶标坐标系的转换矩阵
将
投影到第二标靶坐标系，
驱动机械臂绕工具坐标系Z轴转动，点P投影到相机坐标系后得到
仿照初始标靶坐标系建立过程重建标靶坐标系，得到第一重建后的标靶坐标系和相机坐标系的姿态转换矩阵
根据得到的姿态转换矩阵将
投影到第二标靶坐标系，得到
驱动机械臂绕工具坐标系Y轴转动，点P投影到相机坐标系后得到
仿照初始标靶坐标系建立过程重建标靶坐标系，得到第二重建后的标靶坐标系和相机坐标系的姿态转换矩阵
根据得到的姿态转换矩阵将
投影到第二标靶坐标系
步骤三中，机械臂末端位姿标定步骤具体方法如下：计算
以及
之间的相对位姿，利用驱动机械臂绕工具坐标系Z轴旋转以及绕工具坐标系Y轴旋转所分别产生的转换矩阵约束，得到法兰盘盘心坐标系相对于第二标靶坐标系的姿态转换矩阵
进一步的，得到初始靶标坐标系相对于法兰盘盘心坐标系的姿态转换矩阵
利用法兰盘的厚度信息，得到法兰盘盘心坐标系相对于机械臂末端坐标系的姿态转换矩阵
因此，相机坐标系相对于机械臂末端坐标系的姿态转换矩阵
完成机械臂末端位姿的标定。
本发明的用于机械臂末端位姿辅助标定装置及其标定方法，将和所述标定正多面体各面边长相同的标靶纸贴至标定正多面体上，通过操作机械臂在任意两个坐标轴方向上分别移动、旋转一段距离和一定角度，获取至少三个标靶在机械臂末端工具坐标系下和相机坐标系下的平移量和转动量参数以及所述装置安装尺寸信息；确定所述标靶标记点所构成的坐标系(初始标靶坐标系)相对于相机坐标系的姿态转换矩阵
以及所述初始标靶坐标系相对于所述辅助标定装置法兰盘中心坐标系的姿态转换矩阵
根据安装尺寸参数，确定法兰盘中心坐标系相对于机械臂末端工具坐标系的姿态转换矩阵
依据姿态转换矩阵
从而得到机械臂末端相对于相机坐标系的姿态转换矩阵，完成标定过程。
本发明的一种机械臂末端位姿标定方法具有以下优点：
(1)相较于传统的机械臂末端位姿标定方法，本发明的机械臂末端位姿标定方法标定效率高，可以在短时间内快速对机械臂末端进行标定，自动化水平程度高。
(2)标定步骤简单，无需专业的技术人员来操作机器，操作难度低。
(3)成本低，无需过多高精密的测量仪器。
附图说明
图1是本发明实施例的机械臂末端位姿辅助标定装置立体结构分解示意图。
图2是本发明实施例的机械臂末端位姿辅助标定装置立体结构示意图。
图3是本发明实施例的机械臂末端位姿标定方法流程示意图。
图4是本发明实施例的机械臂末端位姿辅助标定装置安装示意图。
附图标记为：法兰盘1、标定正多面体2、连接杆3、紧固螺栓4、固定块5。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本实施例的一种用于机械臂末端位姿辅助标定装置，其特征是：包括法兰盘1、标定正多面体2以及连接杆3，法兰盘1一侧盘面的盘心与工业机械臂末端执行器固定连接，标定正多面体2的数量有多个，标定正多面体2通过连接杆3固定在法兰盘1的周面外侧，标定正多面体2与连接杆3连接的一面除外，其余面每个面均贴附有标靶纸，每个标靶纸的编码都不相同，标靶纸位于工业机械臂末端标定视觉设备的可视范围内。
标靶纸的长宽与标定正多面体2相应面的长宽相适应，标靶纸正好覆盖标定正多面体2 的一个面。
法兰盘1的周面上等弧度固定有数量与标定正多面体2相同的固定块5，连接杆3两端分别通过紧固螺栓4与固定块5以及标定正多面体2的一个面固定连接，标定正多面体2等弧度布设在法兰盘1的周面外侧。
标定正多面体2有八个，标定正多面体2为空心正方体，相应的标靶纸的数量为四十个，标靶纸为正方形纸。
工业机械臂末端标定视觉设备为相机。
机械臂末端位姿标定方法，包括以下步骤：
步骤一、标靶放置步骤：将和标定正多面体2各面边长相同的标靶纸贴至标定正多面体上，保证标靶纸平面整齐、无破损，法兰盘1一侧盘面的盘心固定在工业机械臂末端执行器的末端，用于工业机械臂末端标定的相机能拍到标靶纸；
步骤二、参数获取步骤：限定至少三个标靶纸上中心点为标靶，选定三个标靶，获取其在相机坐标系下的位置信息，以其中一个选定标靶为原点建立初始标靶坐标系，通过操作工业机械臂在始标靶坐标系中任意两个坐标轴方向上分别移动、旋转一段距离和一定角度，获取这三个选定标靶在机械臂末端工具坐标系下和相机坐标系下的平移量和转动量参数以及法兰盘1厚度信息；
步骤三、机械臂末端位姿标定步骤：利用所述获取的位置信息及安装尺寸参数，计算得到当前机械臂末端在相机坐标系下的包括位置坐标和姿态的位姿信息。
机械臂末端位姿标定步骤中，需要建立以法兰盘盘心为原点，机械臂工具坐标系的三个坐标轴方向为坐标轴方向的法兰盘盘心坐标系。具体的，驱动机械臂往工具坐标系任意两个坐标轴方向移动，通过相机坐标系下的所述标靶中心点的空间坐标得到两个方向上的方向向量，进而计算得到法兰盘盘心坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵。进一步的，建立初始标靶坐标系，得到其与相机坐标系之间的姿态转换矩阵。进一步的，选择一个任意空间点，以该点为坐标系原点，得到第二标靶坐标系。进一步的，驱动机械臂绕工具坐标系任意两个轴旋转，重建初始标靶坐标系以及计算重建后的初始标靶坐标系和相机坐标系之间的姿态转换矩阵，根据姿态转换矩阵，将所有对应的标靶中心点投影到第二标靶坐标系。进一步的，计算两次转动之间的旋转矩阵，根据旋转矩阵的约束关系计算法兰盘盘心坐标系与第二标靶坐标系之间的转换矩阵，得到法兰盘盘心坐标系。利用法兰盘厚度信息，法兰盘盘心坐标系能得到机械臂末端坐标系，进而得到机械臂末端坐标系和相机坐标系的转换关系，完成标定。
具体的方法如下：
参数获取步骤的具体方法如下：利用相机获取三个标靶的空间坐标信息，以第一标靶为原点，即为点P，X轴正向为该第一标靶和第二标靶所形成向量的方向向量，Y轴正向为X轴与第三标靶所形成的方向向量的外积，Z轴正向为X轴与Y轴的外积，根据标靶在相机坐标系下的位置信息，计算出初始标靶坐标系与相机坐标系之间的姿态转换矩阵
将标靶中心点空间坐标投影到相机坐标系
建立第二标靶坐标系：驱动机械臂向工具坐标系X轴正方向移动一段距离，点P投影到相机坐标系后得到
进而计算出第二标靶坐标系X轴的方向向量，驱动机械臂向工具坐标系Y轴正方向移动，点P投影到相机坐标系后得到
进而计算出第二标靶坐标系Y轴的方向向量，利用第二标靶坐标系X、 Y轴的方向向量，确定第二标靶坐标系Z轴的方向向量，然后计算出第二标靶坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵
选择空间中任意一点Pi作为所述第二标靶坐标系的原点，按照计算得到的坐标轴朝向建立第二标靶坐标系，平移向量为
进一步的，通过点P在第二标靶坐标系、相机坐标系内的位置信息，得到第二标靶坐标系相对于相机坐标系的转换矩阵
以及第二标靶坐标系相对于初始靶标坐标系的转换矩阵
将
投影到第二标靶坐标系，
驱动机械臂绕工具坐标系Z轴转动，点P投影到相机坐标系后得到
仿照初始标靶坐标系建立过程重建标靶坐标系，得到第一重建后的标靶坐标系和相机坐标系的姿态转换矩阵
根据得到的姿态转换矩阵将
投影到第二标靶坐标系，得到
驱动机械臂绕工具坐标系Y轴转动，点P投影到相机坐标系后得到
仿照初始标靶坐标系建立过程重建标靶坐标系，得到第二重建后的标靶坐标系和相机坐标系的姿态转换矩阵
根据得到的姿态转换矩阵将
投影到第二标靶坐标系
机械臂末端位姿标定步骤具体方法如下：计算
以及
之间的相对位姿，利用驱动机械臂绕工具坐标系Z轴旋转以及绕工具坐标系Y轴旋转所分别产生的转换矩阵约束，得到法兰盘盘心坐标系相对于第二标靶坐标系的姿态转换矩阵
进一步的，得到初始靶标坐标系相对于法兰盘盘心坐标系的姿态转换矩阵
利用法兰盘的厚度信息，得到法兰盘盘心坐标系相对于机械臂末端坐标系的姿态转换矩阵
因此，相机坐标系相对于机械臂末端坐标系的姿态转换矩阵
完成机械臂末端位姿的标定。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.机械臂末端位姿标定方法，具有用于机械臂末端位姿辅助标定装置，其特征是：用于机械臂末端位姿辅助标定装置包括法兰盘(1)、标定正多面体(2)以及连接杆(3)，所述的法兰盘(1)一侧盘面的盘心与工业机械臂末端执行器固定连接，标定正多面体(2)的数量有多个，标定正多面体(2)通过连接杆(3)固定在法兰盘(1)的周面外侧，所述的标定正多面体(2)与连接杆(3)连接的一面除外，其余面每个面均贴附有标靶纸，每个标靶纸的编码都不相同，所述的标靶纸位于工业机械臂末端标定视觉设备的可视范围内；机械臂末端位姿标定的具体方法包括以下步骤：步骤一、标靶放置步骤：将和标定正多面体(2)各面边长相同的标靶纸贴至标定正多面体上，保证标靶纸平面整齐、无破损，法兰盘(1)一侧盘面的盘心固定在工业机械臂末端执行器的末端，用于工业机械臂末端标定的相机能拍到标靶纸；
步骤二、参数获取步骤：限定至少三个标靶纸上中心点为标靶，选定三个标靶，获取其在相机坐标系下的位置信息，以其中一个选定标靶为原点建立初始标靶坐标系，通过操作工业机械臂在始标靶坐标系中任意两个坐标轴方向上分别移动、旋转一段距离和一定角度，获取这三个选定标靶在机械臂末端工具坐标系下和相机坐标系下的平移量和转动量参数以及法兰盘(1)厚度信息；
步骤三、机械臂末端位姿标定步骤：利用所述获取的位置信息及安装尺寸参数，计算得到当前机械臂末端在相机坐标系下的包括位置坐标和姿态的位姿信息。
2.根据权利要求1所述的机械臂末端位姿标定方法，其特征是：所述的标靶纸的长宽与标定正多面体(2)相应面的长宽相适应，标靶纸正好覆盖标定正多面体(2)的一个面。
3.根据权利要求1所述的机械臂末端位姿标定方法，其特征是：所述的法兰盘(1)的周面上等弧度固定有数量与标定正多面体(2)相同的固定块(5)，所述的连接杆(3)两端分别通过紧固螺栓(4)与固定块(5)以及标定正多面体(2)的一个面固定连接，所述的标定正多面体(2)等弧度布设在法兰盘(1)的周面外侧。
4.根据权利要求1所述的机械臂末端位姿标定方法，其特征是：所述的标定正多面体(2)有八个，标定正多面体(2)为空心正方体，相应的标靶纸的数量为四十个，标靶纸为正方形纸。
5.根据权利要求1所述的机械臂末端位姿标定方法，其特征是：工业机械臂末端标定视觉设备为相机。
6.根据权利要求1所述的机械臂末端位姿标定方法，其特征是：步骤二中，参数获取步骤的具体方法如下：利用相机获取三个标靶的空间坐标信息，以第一标靶为原点，即为点P，X轴正向为该第一标靶和第二标靶所形成向量的方向向量，Y轴正向为X轴与第三标靶所形成的方向向量的外积，Z轴正向为X轴与Y轴的外积，根据标靶在相机坐标系下的位置信息，计算出初始标靶坐标系与相机坐标系之间的姿态转换矩阵
将标靶中心点空间坐标投影到相机坐标系
建立第二标靶坐标系：驱动机械臂向工具坐标系X轴正方向移动一段距离，点P投影到相机坐标系后得到
进而计算出第二标靶坐标系X轴的方向向量，驱动机械臂向工具坐标系Y轴正方向移动，点P投影到相机坐标系后得到
进而计算出第二标靶坐标系Y轴的方向向量，利用第二标靶坐标系X、Y轴的方向向量，确定第二标靶坐标系Z轴的方向向量，然后计算出第二标靶坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵
选择空间中任意一点Pi作为所述第二标靶坐标系的原点，按照计算得到的坐标轴朝向建立第二标靶坐标系，平移向量为
进一步的，通过点P在第二标靶坐标系、相机坐标系内的位置信息，得到第二标靶坐标系相对于相机坐标系的转换矩阵
以及第二标靶坐标系相对于初始靶标坐标系的转换矩阵
将
投影到第二标靶坐标系，
驱动机械臂绕工具坐标系Z轴转动，点P投影到相机坐标系后得到
仿照初始标靶坐标系建立过程重建标靶坐标系，得到第一重建后的标靶坐标系和相机坐标系的姿态转换矩阵
根据得到的姿态转换矩阵将
投影到第二标靶坐标系，得到
驱动机械臂绕工具坐标系Y轴转动，点P投影到相机坐标系后得到
仿照初始标靶坐标系建立过程重建标靶坐标系，得到第二重建后的标靶坐标系和相机坐标系的姿态转换矩阵
根据得到的姿态转换矩阵将
投影到第二标靶坐标系
7.根据权利要求6所述的机械臂末端位姿标定方法，其特征是：步骤三中，机械臂末端位姿标定步骤具体方法如下：计算
以及
之间的相对位姿，利用驱动机械臂绕工具坐标系Z轴旋转以及绕工具坐标系Y轴旋转所分别产生的转换矩阵约束，得到法兰盘盘心坐标系相对于第二标靶坐标系的姿态转换矩阵
进一步的，得到初始靶标坐标系相对于法兰盘盘心坐标系的姿态转换矩阵
利用法兰盘的厚度信息，得到法兰盘盘心坐标系相对于机械臂末端坐标系的姿态转换矩阵
因此，相机坐标系相对于机械臂末端坐标系的姿态转换矩阵
完成机械臂末端位姿的标定。
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