CN111272098A - 一种激光传感器安装位置的标定方法和标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光传感器安装位置的标定方法和标定装置，标定方法具体为，获取定位针位于固定点时机械臂末端在世界坐标系U0中的坐标记录为起始坐标P0，重复平移定位针，获取多组在世界坐标系中的偏移点坐标PT以及多组在传感器坐标系U2中的固定点坐标PC，将多组偏移点坐标PT进行坐标转换，转换到工具坐标系U1中得到多组转换坐标P_u1，根据多组转换坐标P_u1和固定点坐标PC，计算工具坐标系U1与传感器坐标系U2之间的转移矩阵，进而获得二者的位置偏差和姿态偏差。标定装置包括标示板、安装架和定位针。本发明可通过示教点位计算出激光传感器安装位置的位置和姿态偏差，对安装工件无高精度要求，操作简单有效、计算结果准确。

Description

一种激光传感器安装位置的标定方法和标定装置

技术领域

本发明涉及激光传感器标定技术领域，具体涉及一种激光传感器安装位置的标定方法和标定装置。

背景技术

激光传感器是一种通过感应激光扫描平面内的物体的轮廓尺寸的传感器，当配套机械臂使用时，通常安装在机械臂的末端，可以实现动态的物体轮廓扫描。激光传感器安装于机械臂末端时，二者之间存在安装误差，且无法用常规的一般方法来测量两者之间的位置和姿态偏差，但是两者之间的姿态和位置关系是机械臂工作的一个重要参数，如忽略该偏差，会给机械臂的执行精度造成影响。现有技术中通常采用提高安装工件的加工精度来缩小该偏差，进而减小该偏差对于机械臂运行的影响，但是这种方法的成本高，且仍无法有效的消除该偏差所带来的影响。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的之一在于提供一种激光传感器安装位置的标定方法，目的之二在于提供一种应用上述标定方法的标定装置。本发明可通过示教点位计算出激光传感器安装位置的位置和姿态偏差，对安装工件无高精度要求，操作简单有效、计算结果准确。

本发明所述的一种激光传感器安装位置的标定方法，包括以下步骤：

S01、将定位针与激光传感器安装于机械臂末端；

S02、以所述机械臂的基座中心为坐标原点建立世界坐标系U0，以所述定位针的末端尖点为坐标原点建立工具坐标系U1，以所述激光传感器的中心点为坐标原点建立传感器坐标系U2；

S03、在工作台面上安装标示板，在所述标示板上设一垂直于所述标示板板面的标示线，将所述标示线与所述标示板板面的垂点标记为固定点P；

S04、移动所述机械臂末端，将所述定位针的针尖移动至所述固定点P处，将此时所述机械臂末端在所述世界坐标系U0中的坐标记录为起始坐标P0；

S05、平移所述机械臂末端，将所述定位针平移至所述固定点P的旁侧，并使所述激光传感器出射的激光线与所述标示线重合，将此时所述机械臂末端在所述世界坐标系U0中的坐标记录为第一偏移点坐标PT1，将此时所述激光传感器所检测的所述固定点P在所述传感器坐标系U2中的坐标记录为第一固定点坐标PC1；

S06、重复n次所述步骤S05，将所述机械臂末端依次平移至不同的位置，依次得到第二偏移点坐标PT2、第三偏移点坐标PT3...和第n+1偏移点坐标PTn+1；同时依次得到第二固定点坐标PC2、第三固定点坐标PC3...和第n+1固定点坐标PCn+1；

S07、根据所述起始坐标P0、第一偏移点坐标PT1、第二偏移点坐标PT2、第三偏移点坐标PT3...和第n+1偏移点坐标PTn+1，将所述世界坐标系U0下的所述第一偏移点坐标PT1、第二偏移点坐标PT2、第三偏移点坐标PT3...和第n+1偏移点坐标PTn+1进行坐标转换，转换到所述工具坐标系U1中，分别得到第一转换坐标P1_u1、第二转换坐标P2_u1、第三转换坐标P3_u1...和第n+1转换坐标Pn+1_u1；

S08、根据所述传感器坐标系U2下的坐标点集：第一固定点坐标PC1、第二固定点坐标PC2、第三固定点坐标PC3...和第n+1固定点坐标PCn+1，所述工具坐标系U1下的坐标点集：第一转换坐标P1_u1、第二转换坐标P2_u1、第三转换坐标P3_u1...和第n+1转换坐标Pn+1_u1，求解所述工具坐标系U1与所述传感器坐标系U2之间的转移矩阵，获得所述传感器坐标系U2相对于所述工具坐标系U1的位置偏差和姿态偏差。

优选地，所述步骤S07中，通过矩阵变换法进行坐标转换，将所述世界坐标系U0下的各个偏移点坐标转换到所述工具坐标系U1中。

优选地，所述步骤S08中，通过迭代最近点(ICP)算法求解所述工具坐标系U1与所述传感器坐标系U2之间的转移矩阵。

优选地，所述步骤S06中，n＝3。

优选地，所述步骤S05中，将所述定位针平移至所述固定点P的左侧，所述步骤S06中，将所述定位针依次平移至所述固定点P的左上侧、右侧和右上侧。

一种应用上述激光传感器安装位置的标定方法的标定装置，包括标示板、安装架和定位针，所述安装架包括连接部、第一安装部和第二安装部，所述连接部用于与机械臂末端相连接，所述定位针与所述第一安装部相连接，所述第二安装部用于安装激光传感器；所述标示板安装于工作台面上，所述标示板的板面上设有一与所述标示板的板面相垂直的标示线。

优选地，所述标示线为金属线。

优选地，所述标示板上设有与所述标示线相适配的插孔，所述标示线插设于所述插孔内。

优选地，所述第一安装部设有与所述定位针相适配的安装孔，所述安装孔内设有内螺纹，所述定位针的上端设有与所述内螺纹相适配的外螺纹，所述定位针与所述安装孔螺纹连接。

优选地，所述定位针平行于激光传感器的出射方向。

本发明所述的一种激光传感器安装位置的标定方法和标定装置，其优点在于，本发明所述的标定方法，通过依次示教若干个点位，获得示教点位的坐标后进行坐标转换，然后根据工具坐标系U1和传感器坐标系U2下的点集计算出两坐标系之间的位置偏差和姿态偏差，根据坐标系变换原理，工具坐标系U1与传感器坐标系U2之间的位置偏差和姿态偏差即等于激光传感器与安装位置(即机械臂末端)的位置偏差和姿态偏差。本发明的标定方法可通过几个示教点位快速计算出激光传感器与安装位置的姿态偏差和位置偏差，该偏差参数可减小甚至消除由激光传感器安装误差对机械臂执行精度所造成影响，保证机械臂的执行精度。并且本发明的标定方法对安装工件无高精度要求，可大大降低安装工件的加工成本，对于安装在不同精度、不同规格以及不同形状安装工件上的激光传感器都能有效的计算偏差，适用性广泛。本发明所述的应用上述标定方法的标定装置，具有结构简单，加工要求和加工成本低，安装和使用方便的优点。

附图说明

图1是本发明所述一种激光传感器安装位置的标定方法的步骤流程图；

图2是本发明所述一种激光传感器安装位置的标定装置的结构示意图。

附图标记说明：1-机械臂，2-安装架，21-连接部，22-第一安装部，23-第二安装部，3-定位针，4-激光传感器，5-工作台面，6-标示板，7-标示线，P-固定点，U0世界坐标系，U1-工具坐标系，U2-传感器坐标系。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的一种激光传感器安装位置的标定方法，以六轴机械臂(以下简称机械臂)末端的激光传感器4安装位置标定过程为例，机械臂1安装于地面上，在机械臂1的工作半径之内的地面上设有一工作台面5。本实施例所述的标定方法，具体包括如下步骤：

S01、将定位针3与激光传感器4安装于机械臂1的末端，具体的，通过示教器手动控制机械臂1，将机械臂1调节至末端朝上的姿态，将定位针3与激光传感器4共同安装在一个安装架2上，将安装架2通过螺栓稳固的安装在机械臂1的末端。

S02、以所述机械臂1的基座中心为坐标原点建立世界坐标系U0，以所述定位针3的末端尖点为坐标原点建立工具坐标系U1，以所述激光传感器4的中心点为坐标原点建立传感器坐标系U2；其中，世界坐标系U0即为机械臂1的基准坐标系，在示教器中可实时读取机械臂1末端在世界坐标系U0中的坐标。

S03、在工作台面5上安装标示板6，在所述标示板6上设一垂直于所述标示板6板面的标示线7，将所述标示线7与所述标示板6板面的垂点标记为固定点P。具体的，标示板6为一方形的金属板，通过螺栓连接的方式水平安装在工作台面5上，标示板6的中部设有一垂直于标示板6板面的标示线7，将标示线7与标示板6板面的垂点标记为固定点P。

S04、通过示教器控制机械臂1移动，将定位针3的针尖移动至固定点P处，通过示教器读取此时机械臂1末端在世界坐标系U0中的坐标，将该坐标记录为起始坐标P0。

S05、记录完成后，通过示教器平移机械臂1末端，将定位针3平移至固定点P的旁侧，调整机械臂1的姿态，使激光传感器4出射的激光线与标示线7重合。通过示教器读取此时机械臂1末端在世界坐标系U0中的坐标，记录为第一偏移点坐标PT1，读取激光传感器4的检测数据，将激光传感器4所检测的固定点P在传感器坐标系U2中的坐标记录为第一固定点坐标PC1。

S06、重复n次所述步骤S05，将所述机械臂1末端依次平移至不同的位置，依次得到第二偏移点坐标PT2、第三偏移点坐标PT3...和第n+1偏移点坐标PTn+1；同时依次得到第二固定点坐标PC2、第三固定点坐标PC3...和第n+1固定点坐标PCn+1。具体的，在第一次平移之后，通过示教器控制机械臂1再次平移，并如步骤S05所述，当机械臂1停止平移后，读取此时机械臂1末端在世界坐标系U0中的坐标记录为第二偏移点PT2，读取激光传感器4的检测数据，将固定点P在传感器坐标系U2中的坐标记录为第二固定点坐标PC2。重复上述流程直至获得n+1组偏移点坐标和固定点坐标。

S07、根据所述起始坐标P0、第一偏移点坐标PT1、第二偏移点坐标PT2、第三偏移点坐标PT3...和第n+1偏移点坐标PTn+1，将所述世界坐标系U0下的所述第一偏移点坐标PT1、第二偏移点坐标PT2、第三偏移点坐标PT3...和第n+1偏移点坐标PTn+1进行坐标转换，转换到所述工具坐标系U1中，分别得到第一转换坐标P1_u1、第二转换坐标P2_u1、第三转换坐标P3_u1...和第n+1转换坐标Pn+1_u1；

S08、根据所述传感器坐标系U2下的坐标点集：第一固定点坐标PC1、第二固定点坐标PC2、第三固定点坐标PC3...和第n+1固定点坐标PCn+1，所述工具坐标系U1下的坐标点集：第一转换坐标P1_u1、第二转换坐标P2_u1、第三转换坐标P3_u1...和第n+1转换坐标Pn+1_u1，求解所述工具坐标系U1与所述传感器坐标系U2之间的转移矩阵，获得所述传感器坐标系U2相对于所述工具坐标系U1的位置偏差和姿态偏差，根据坐标系变换原理，工具坐标系U1与传感器坐标系U2之间的位置偏差和姿态偏差即等于激光传感器与安装位置(即机械臂末端)的位置偏差和姿态偏差。

本发明所述的标定方法，通过依次示教若干个点位，获得示教点位的坐标后进行坐标转换，然后根据工具坐标系U1和传感器坐标系U2下的点集计算出两坐标系之间的位置偏差和姿态偏差，进而得到激光传感器4与安装位置的位置偏差和姿态偏差。本发明的标定方法可通过几个示教点位快速计算出激光传感器4与安装位置的姿态偏差和位置偏差，该偏差参数可减小甚至消除由激光传感器4安装误差对机械臂1执行精度所造成影响，保证机械臂1的执行精度。并且本发明的标定方法对安装工件无高精度要求，可大大降低安装工件的加工成本，对于安装在不同精度、不同规格以及不同形状安装工件上的激光传感器4都能有效的计算偏差，适用性广泛。

本实施例中，具体的，上述步骤S07中，通过矩阵变换法进行坐标转换，将所述世界坐标系U0下的各个偏移点坐标转换到所述工具坐标系U1中。矩阵变换法是一种常用的坐标系变换方法，可将一个坐标系中的坐标准确的变换到另一坐标系中。

本实施例中，上述步骤S08中，通过迭代最近点(ICP)算法求解所述工具坐标系U1与所述传感器坐标系U2之间的转移矩阵。迭代最近点(ICP)算法在已知两个坐标系中分别具有两组含有若干个坐标点的点集时，可准确的计算出量坐标系之间的转移矩阵。

本实施例中，上述步骤S06中，n＝3。即，共将机械臂1末端平移至四个不同的偏移点，共获得四组偏移点坐标和固定点坐标。通过四组偏移点坐标和固定点坐标，可以准确的进行坐标转换和转移矩阵计算。具体的，所述步骤S05中，将所述定位针3平移至所述固定点P的左侧，所述步骤S06中，将所述定位针3依次平移至所述固定点P的左上侧、右侧和右上侧。四个偏移点依次位于固定点P的左侧、左上侧、右侧和右上侧，可以使得计算结果准确，并且操作机械臂1平移方便。

本实施例还提供了一种应用上述标定方法的标定装置，具体如图2所示，包括标示板6、安装架2和定位针3，所述安装架2包括连接部21、第一安装部22和第二安装部23，所述连接部21用于与机械臂1末端相连接，所述定位针3与所述第一安装部22相连接，所述第二安装部23用于安装激光传感器4；所述标示板6安装于工作台面5上，所述标示板6的板面上设有一与所述标示板6的板面相垂直的标示线7。本发明所述的应用上述标定方法的标定装置，具有结构简单，加工要求和加工成本低，安装和使用方便的优点。

本实施例中，标示线7具体为金属线，金属线硬度高，不易变形，且容易观察其与激光线的相对位置，判断两者是否重合。

标示板6上设有与标示线7相适配的插孔，标示线7插设于插孔内。上述结构可方便标示线7的拆装。

所述第一安装部22设有与所述定位针3相适配的安装孔，所述安装孔内设有内螺纹，所述定位针3的上端设有与所述内螺纹相适配的外螺纹，所述定位针3与所述安装孔螺纹连接。上述结构可使定位针3安装稳固，拆装方便。

所述定位针3平行于激光传感器4的出射方向，这样可方便激光传感器4出射激光与标示线7的对齐过程。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括在“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90°或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光传感器安装位置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01、将定位针与激光传感器安装于机械臂末端；

S02、以所述机械臂的基座中心为坐标原点建立世界坐标系U0，以所述定位针的末端尖点为坐标原点建立工具坐标系U1，以所述激光传感器的中心点为坐标原点建立传感器坐标系U2；

S03、在工作台面上安装标示板，在所述标示板上设一垂直于所述标示板板面的标示线，将所述标示线与所述标示板板面的垂点标记为固定点P；

S04、移动所述机械臂末端，将所述定位针的针尖移动至所述固定点P处，将此时所述机械臂末端在所述世界坐标系U0中的坐标记录为起始坐标P0；

S05、平移所述机械臂末端，将所述定位针平移至所述固定点P的旁侧，并使所述激光传感器出射的激光线与所述标示线重合，将此时所述机械臂末端在所述世界坐标系U0中的坐标记录为第一偏移点坐标PT1，将此时所述激光传感器所检测的所述固定点P在所述传感器坐标系U2中的坐标记录为第一固定点坐标PC1；

S06、重复n次所述步骤S05，将所述机械臂末端依次平移至不同的位置，依次得到第二偏移点坐标PT2、第三偏移点坐标PT3...和第n+1偏移点坐标PTn+1；同时依次得到第二固定点坐标PC2、第三固定点坐标PC3...和第n+1固定点坐标PCn+1；

S07、根据所述起始坐标P0、第一偏移点坐标PT1、第二偏移点坐标PT2、第三偏移点坐标PT3...和第n+1偏移点坐标PTn+1，将所述世界坐标系U0下的所述第一偏移点坐标PT1、第二偏移点坐标PT2、第三偏移点坐标PT3...和第n+1偏移点坐标PTn+1进行坐标转换，转换到所述工具坐标系U1中，分别得到第一转换坐标P1_u1、第二转换坐标P2_u1、第三转换坐标P3_u1...和第n+1转换坐标Pn+1_u1；

S08、根据所述传感器坐标系U2下的坐标点集：第一固定点坐标PC1、第二固定点坐标PC2、第三固定点坐标PC3...和第n+1固定点坐标PCn+1，所述工具坐标系U1下的坐标点集：第一转换坐标P1_u1、第二转换坐标P2_u1、第三转换坐标P3_u1...和第n+1转换坐标Pn+1_u1，求解所述工具坐标系U1与所述传感器坐标系U2之间的转移矩阵，获得所述传感器坐标系U2相对于所述工具坐标系U1的位置偏差和姿态偏差。

2.根据权利要求1所述激光传感器安装位置的标定方法，其特征在于，所述步骤S07中，通过矩阵变换法进行坐标转换，将所述世界坐标系U0下的各个偏移点坐标转换到所述工具坐标系U1中。

3.根据权利要求1所述激光传感器安装位置的标定方法，其特征在于，所述步骤S08中，通过迭代最近点(ICP)算法求解所述工具坐标系U1与所述传感器坐标系U2之间的转移矩阵。

4.根据权利要求1所述激光传感器安装位置的标定方法，其特征在于，所述步骤S06中，n＝3。

5.根据权利要求4所述激光传感器安装位置的标定方法，其特征在于，所述步骤S05中，将所述定位针平移至所述固定点P的左侧，所述步骤S06中，将所述定位针依次平移至所述固定点P的左上侧、右侧和右上侧。

6.一种应用权利要求1-5任一项所述激光传感器安装位置的标定方法的标定装置，其特征在于，包括标示板、安装架和定位针，所述安装架包括连接部、第一安装部和第二安装部，所述连接部用于与机械臂末端相连接，所述定位针与所述第一安装部相连接，所述第二安装部用于安装激光传感器；所述标示板安装于工作台面上，所述标示板的板面上设有一与所述标示板的板面相垂直的标示线。

7.根据权利要求6所述标定装置，其特征在于，所述标示线为金属线。

8.根据权利要求7所述标定装置，其特征在于，所述标示板上设有与所述标示线相适配的插孔，所述标示线插设于所述插孔内。

9.根据权利要求6所述标定装置，其特征在于，所述第一安装部设有与所述定位针相适配的安装孔，所述安装孔内设有内螺纹，所述定位针的上端设有与所述内螺纹相适配的外螺纹，所述定位针与所述安装孔螺纹连接。

10.根据权利要求6所述标定装置，其特征在于，所述定位针平行于激光传感器的出射方向。

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