CN111383283B - 机器人的工具坐标系的标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人的工具坐标系的标定方法及系统，标定方法包括：获取工具对应的测量起始点并获取其对应的第一图像；控制机器人的第一目标旋转轴旋转获取第二图像；控制机器人的第二目标旋转轴旋转获取第三图像；确定工具对应的初始工具坐标系和第一工具坐标系；获取第一目标旋转轴的第一轴数据和第二目标旋转轴的第二轴数据，获取法兰盘的法兰盘坐标系对应的目标矩阵来标定初始工具坐标系的坐标原点在法兰盘坐标系下的目标位置数据，标定初始工具坐标系在法兰盘坐标系下的轴方向数据。本发明中能够自动标定工具坐标系，不需要人工介入，从而提高了现有的对工具坐标系的标定精度，且整个标定过程都是单轴运动，并不受运动精度的影响。

Description

机器人的工具坐标系的标定方法及系统

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，特别涉及一种机器人的工具坐标系的标定方法及系统。

背景技术

在现有的机器人应用中，主要通过示教方式编制机器人程序(即依赖于示教/复现的运行方式)，对于工具坐标的设置精度的要求并不高，仅仅需要保证每次工具的安装位置没有超过某一设定偏差阈值即可。随着机器人在自动化领域的扩展应用，尤其是基于CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)免示教的方式的机器人应用对于机器人工具坐标的设置要求越来越高。

现有的对工具坐标系的标定方式为：使机器人处于不同的工具姿态，再用工具四次到达指定的点以标定工具坐标系的坐标原点的XYZ坐标，通过以示教机器人到不同的位置以描述工具坐标系的三个轴方向ABC，该标定方式存在如下缺陷：

1)对于工具坐标系的标定完全依赖于人工对点操作，从而导致效率低且对工具坐标系的标定精度低等问题；同时，也会将机器人本体精度误差引入到测量的结果中，从而导致对工具坐标系的标定精度低等问题；

2)由于不存在实际的轴对象，因此在大部分情况下依赖于人工的经验确定工具坐标系中的轴方向ABC，从而导致工具坐标系的标定精度低的问题；

3)当工具不存在可用于对点的尖端时，不能进行工具坐标系的对点操作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中工具坐标系的标定方式完全基于人工对点操作、确定工具坐标系中的轴方向ABC，容易导致对工具坐标系的标定精度低等缺陷，目的在于提供一种机器人的工具坐标系的标定方法及系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供一种机器人的工具坐标系的标定方法，所述标定方法包括：

获取机器人上的工具对应的测量起始点；

采用成像系统获取所述工具在所述测量起始点处的第一图像；

控制所述机器人的第一目标旋转轴旋转，并在旋转后采用所述成像系统获取所述工具对应的第二图像；

控制所述工具恢复至所述测量起始点处，继续控制所述机器人的第二目标旋转轴旋转，并在旋转后采用所述成像系统获取所述工具对应的第三图像；

其中，所述第一目标旋转轴的末端固设有法兰盘，所述工具固设在所述法兰盘上；所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴连接且正交；

获取所述第一图像中的用于表征所述工具的特征点的第一位置数据，并根据所述第一位置数据确定所述工具对应的初始工具坐标系；

获取所述第二图像和所述第三图像中的用于表征所述工具的所述特征点的第二位置数据，并根据所述第二位置数据确定所述工具对应的第一工具坐标系；

其中，每次旋转操作后获取的所述第二图像均对应一个所述第一工具坐标系，每次旋转操作后获取的所述第三图像均对应一个所述第一工具坐标系；

根据所述第一工具坐标系获取所述第一目标旋转轴的第一轴数据和所述第二目标旋转轴的第二轴数据；

根据所述第一轴数据、所述第二轴数据以及所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴的交点数据，获取所述法兰盘的法兰盘坐标系对应的目标矩阵；

根据所述目标矩阵标定所述初始工具坐标系的坐标原点在所述法兰盘坐标系下的目标位置数据；

根据所述目标矩阵标定所述初始工具坐标系在所述法兰盘坐标系下的轴方向数据。

较佳地，根据所述第一工具坐标系获取所述第一目标旋转轴的第一轴数据和所述第二目标旋转轴的第二轴数据的步骤包括：

将每次旋转操作后获取的所述第二图像对应的所述第一工具坐标系转换至所述初始工具坐标系下，并获取对应的第一坐标系转换系数值，多个所述第一坐标系转换系数值构成第一工具坐标系序列；

将每次旋转操作后获取的所述第三图像对应的所述第一工具坐标系转换至所述初始工具坐标系下，并获取对应的第二坐标系转换系数值，多个所述第二坐标系转换系数值构成第二工具坐标系序列；

对所述第一工具坐标系序列进行拟合处理，获取所述第一目标旋转轴的所述第一轴数据；

对所述第二工具坐标系序列进行拟合处理，获取所述第二目标旋转轴的所述第二轴数据。

较佳地，所述根据所述第一轴数据、所述第二轴数据以及所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴的交点数据，获取所述法兰盘的法兰盘坐标系对应的目标矩阵的步骤包括：

根据所述第一轴数据、所述第二轴数据以及所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴的交点数据，采用右手定则建立所述法兰盘坐标系；

获取所述法兰盘坐标系对应的传递矩阵；

对所述传递矩阵进行求逆计算，以得到所述目标矩阵。

较佳地，所述根据所述目标矩阵标定所述初始工具坐标系的坐标原点在所述法兰盘坐标系下的目标位置数据的步骤包括：

获取所述目标矩阵中的坐标原点数据；

标定所述坐标原点数据为所述初始工具坐标系的坐标原点在所述法兰盘坐标系下的目标位置数据；和/或，

所述根据所述目标矩阵标定所述初始工具坐标系在所述法兰盘坐标系下的轴方向数据的步骤包括：

获取所述目标矩阵中的第一矩阵；

其中，所述第一矩阵用于表征所述初始工具坐标系绕所述法兰盘坐标系中的三个轴分别旋转的角度值；

根据所述角度值计算得到所述初始工具坐标系在所述法兰盘坐标系下的所述轴方向数据。

较佳地，所述控制所述机器人的第一目标旋转轴旋转的步骤包括：

控制所述机器人的所述第一目标旋转轴按照第一设定旋转增量进行旋转；

判断所述第一目标旋转轴的旋转范围是否超过第一设定阈值，若是，则停止对所述第一目标旋转轴的旋转操作；和/或，

所述控制所述机器人的第二目标旋转轴旋转的步骤包括：

控制所述机器人的第二目标旋转轴按照第一设定旋转增量进行旋转；

判断所述第二目标旋转轴的旋转范围是否超过第二设定阈值，若是，则停止对所述第二目标旋转轴的旋转操作。

较佳地，所述获取机器人上的工具对应的测量起始点的步骤之前还包括：

复位所述第二目标旋转轴的初始角度位置；和/或，

所述获取机器人上的工具对应的测量起始点的步骤包括：

标定所述成像系统的内参数；

根据所述内参数移动所述机器人的位置，直至所述机器人移动至所述测量起始点；和/或，

所述成像系统包括相机；和/或，

所述机器人包括六轴机器人，所述第一目标旋转轴为所述六轴机器人的第六关节，所述第二目标旋转轴为所述六轴机器人的第五关节。

本发明还提供一种机器人的工具坐标系的标定系统，所述标定系统包括起始点获取模块、第一图像获取模块、第二图像获取模块、第三图像获取模块、初始坐标系获取模块、第一坐标系获取模块、轴数据获取模块、目标矩阵获取模块、位置数据标定模块和轴方向数据标定模块；

所述起始点获取模块用于获取机器人上的工具对应的测量起始点；

所述第一图像获取模块用于采用成像系统获取所述工具在所述测量起始点处的第一图像；

所述第二图像获取模块用于控制所述机器人的第一目标旋转轴旋转，并在旋转后采用所述成像系统获取所述工具对应的第二图像；

所述第三图像获取模块用于控制所述工具恢复至所述测量起始点处，继续控制所述机器人的第二目标旋转轴旋转，并在旋转后采用所述成像系统获取所述工具对应的第三图像；

其中，所述第一目标旋转轴的末端固设有法兰盘，所述工具固设在所述法兰盘上；所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴连接且正交；

所述初始坐标系获取模块用于获取所述第一图像中的用于表征所述工具的特征点的第一位置数据，并根据所述第一位置数据确定所述工具对应的初始工具坐标系；

所述第一坐标系获取模块用于获取所述第二图像和所述第三图像中的用于表征所述工具的所述特征点的第二位置数据，并根据所述第二位置数据确定所述工具对应的第一工具坐标系；

其中，每次旋转操作后获取的所述第二图像均对应一个所述第一工具坐标系，每次旋转操作后获取的所述第三图像均对应一个所述第一工具坐标系；

所述轴数据获取模块用于根据所述第一工具坐标系获取所述第一目标旋转轴的第一轴数据和所述第二目标旋转轴的第二轴数据；

所述目标矩阵获取模块用于根据所述第一轴数据、所述第二轴数据以及所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴的交点数据，获取所述法兰盘的法兰盘坐标系对应的目标矩阵；

所述位置数据标定模块用于根据所述目标矩阵标定所述初始工具坐标系的坐标原点在所述法兰盘坐标系下的目标位置数据；

所述轴方向数据标定模块用于根据所述目标矩阵标定所述初始工具坐标系在所述法兰盘坐标系下的轴方向数据。

较佳地，所述轴数据获取模块包括第一序列获取单元、第二序列获取单元、第一轴数据获取单元和第二轴数据获取单元；

所述第一序列获取单元用于将每次旋转操作后获取的所述第二图像对应的所述第一工具坐标系转换至所述初始工具坐标系下，并获取对应的第一坐标系转换系数值，多个所述第一坐标系转换系数值构成第一工具坐标系序列；

所述第二序列获取单元用于将每次旋转操作后获取的所述第三图像对应的所述第一工具坐标系转换至所述初始工具坐标系下，并获取对应的第二坐标系转换系数值，多个所述第二坐标系转换系数值构成第二工具坐标系序列；

所述第一轴数据获取单元用于对所述第一工具坐标系序列进行拟合处理，获取所述第一目标旋转轴的所述第一轴数据；

所述第二轴数据获取单元用于对所述第二工具坐标系序列进行拟合处理，获取所述第二目标旋转轴的所述第二轴数据。

较佳地，所述目标矩阵获取模块包括坐标系建立单元、传递矩阵获取单元和目标矩阵获取单元；

所述坐标系建立单元用于根据所述第一轴数据、所述第二轴数据以及所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴的交点数据，采用右手定则建立所述法兰盘坐标系；

所述传递矩阵获取单元用于获取所述法兰盘坐标系对应的传递矩阵；

所述目标矩阵获取单元用于对所述传递矩阵进行求逆计算，以得到所述目标矩阵。

较佳地，所述位置数据标定模块包括坐标原点数据获取单元和第一标定单元；

所述坐标原点数据获取单元用于获取所述目标矩阵中的坐标原点数据；

所述第一标定单元用于标定所述坐标原点数据为所述初始工具坐标系的坐标原点在所述法兰盘坐标系下的目标位置数据；和/或，

所述轴方向数据标定模块包括第一矩阵获取单元和第二标定单元；

所述第一矩阵获取单元用于获取所述目标矩阵中的第一矩阵；

其中，所述第一矩阵用于表征所述初始工具坐标系绕所述法兰盘坐标系中的三个轴分别旋转的角度值；

所述第二标定单元用于根据所述角度值计算得到所述初始工具坐标系在所述法兰盘坐标系下的所述轴方向数据。

较佳地，所述第二图像获取模块包括第一控制旋转单元和第一判断单元；

所述第一控制旋转单元用于控制所述机器人的所述第一目标旋转轴按照第一设定旋转增量进行旋转；

所述第一判断单元用于判断所述第一目标旋转轴的旋转范围是否超过第一设定阈值，若是，则停止对所述第一目标旋转轴的旋转操作；和/或，

所述第三图像获取模块包括第二控制旋转单元和第二判断单元；

所述第二控制旋转单元用于控制所述机器人的第二目标旋转轴按照第一设定旋转增量进行旋转；

所述第二判断单元用于判断所述第二目标旋转轴的旋转范围是否超过第二设定阈值，若是，则停止对所述第二目标旋转轴的旋转操作。

较佳地，所述标定系统还包括复位模块；

所述复位模块用于复位所述第二目标旋转轴的初始角度位置；和/或，

所述起始点获取模块包括内参数标定单元和位置控制单元；

所述内参数标定单元用于标定所述成像系统的内参数；

所述位置控制单元用于根据所述内参数移动所述机器人的位置，直至所述机器人移动至所述测量起始点；和/或，

所述成像系统包括相机；和/或，

所述机器人包括六轴机器人，所述第一目标旋转轴为所述六轴机器人的第六关节，所述第二目标旋转轴为所述六轴机器人的第五关节。

本发明的积极进步效果在于：

本发明中能够自动标定工具坐标系，不需要人工介入，从而提高了现有的对工具坐标系的标定精度，且整个标定过程都是单轴运动，并不受运动精度的影响。

附图说明

图1为本发明实施例1的机器人的工具坐标系的标定方法的流程图。

图2为本发明实施例2的机器人的工具坐标系的标定方法的流程图。

图3为本发明实施例3的机器人的工具坐标系的标定系统的模块示意图。

图4为本发明实施例4的机器人的工具坐标系的标定系统的模块示意图。

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

本实施例中的机器人为六轴机器人。

如图1所示，本实施例的机器人的工具坐标系的标定方法包括：

S100、复位第二目标旋转轴的初始角度位置。

复位后使得六轴机器人的第五关节为0度，具体复位过程可以通过示教器手动控制实现，也可以通过机器人执行编写的程序达到。

S101、获取机器人上的工具对应的测量起始点；

其中，工具包括安装在法兰盘上的用于实现抓取操作气动夹子等。

S102、采用成像系统获取工具在测量起始点处的第一图像，即采用成像系统(即相机)拍摄机器人的工具的初始状态。

具体地，机器人的初始状态由其六关节的值构成，所以可以用一个六维空间来描述机器人的状态{j1,j2,j3,j4,j5,j6}，其中六维空间的某个确定的值就是空间中的一个点。

S103、控制机器人的第一目标旋转轴旋转，并在旋转后采用成像系统获取工具对应的第二图像；

S104、控制工具恢复至测量起始点处，继续控制机器人的第二目标旋转轴旋转，并在旋转后采用成像系统获取工具对应的第三图像；

其中，第一目标旋转轴的末端固设有法兰盘，工具固设在法兰盘上；第一目标旋转轴和第二目标旋转轴连接且正交；

第一目标旋转轴为六轴机器人的第六关节，第二目标旋转轴为六轴机器人的第五关节。

S105、获取第一图像中的用于表征工具的特征点的第一位置数据，并根据第一位置数据确定工具对应的初始工具坐标系；

S106、获取第二图像和第三图像中的用于表征工具的特征点的第二位置数据，并根据第二位置数据确定工具对应的第一工具坐标系；

其中，每次旋转操作后获取的第二图像均对应一个第一工具坐标系，每次旋转操作后获取的第三图像均对应一个第一工具坐标系；

另外，确定工具上能够显著观察的至少三个不共线的点作为特征点，包括矩形角点或圆形圆心点等，这些特征点在工具坐标系中具有确定的坐标值。

S107、根据第一工具坐标系获取第一目标旋转轴的第一轴数据和第二目标旋转轴的第二轴数据；

S108、根据第一轴数据、第二轴数据以及第一目标旋转轴和第二目标旋转轴的交点数据，获取法兰盘的法兰盘坐标系对应的目标矩阵；

S109、根据目标矩阵标定初始工具坐标系的坐标原点在法兰盘坐标系下的目标位置数据；

S1010、根据目标矩阵标定初始工具坐标系在法兰盘坐标系下的轴方向数据。

本实施例中，通过成像系统分别获取机器人的工具在测量起始点处以及旋转后工具对应的图像，获取测量起始点处对应的初始工具坐标系和旋转后图像对应的第一坐标系，然后得到机器人的第六关节的旋转后和第五关节的旋转轴，进而构建法兰盘坐标系及其对应的目标矩阵，来标定初始工具坐标系的坐标原点在法兰盘坐标系下的目标位置数据，以及初始工具坐标系在法兰盘坐标系下的轴方向数据，整个过程自动标定工具坐标系，不需要人工介入，从而提高了对工具坐标系的标定精度，且标定过程都是单轴运动，并不依赖于运动精度，因此排除了机器人运动精度的问题。

实施例2

如图2所示，本实施例的机器人的工具坐标系的标定方法是对实施例1的进一步改进，具体地：

步骤S101包括：

S1011、标定成像系统的内参数；

其中，内参数包括相机内的方位元素和镜头光学畸变系数等，例如共线性、径向畸变、偏心畸变、像平面内仿射性畸变等参数，以及相距、芯片感光点密度等光学几何尺寸均会对相机的成像点造成影响，通过标定完成像系统的内参数来保证计算空间坐标的准确性。

S1012、根据内参数移动机器人的位置，直至机器人移动至测量起始点。

步骤S103包括：

控制机器人的第一目标旋转轴按照第一设定旋转增量进行旋转；

判断第一目标旋转轴的旋转范围是否超过第一设定阈值，若是，则停止对第一目标旋转轴的旋转操作；

例如，控制机器人的第六关节按照增量宽度为3度左右进行旋转，且旋转范围为正负60度。

步骤S104包括：

控制机器人的第二目标旋转轴按照第一设定旋转增量进行旋转；

判断第二目标旋转轴的旋转范围是否超过第二设定阈值，若是，则停止对第二目标旋转轴的旋转操作。

例如，控制机器人的第五关节按照增量宽度为3度左右进行旋转，且旋转范围为正负60度。

步骤S107包括：

将每次旋转操作后获取的第二图像对应的第一工具坐标系转换至初始工具坐标系下，并获取对应的第一坐标系转换系数值，多个第一坐标系转换系数值构成第一工具坐标系序列；

将每次旋转操作后获取的第三图像对应的第一工具坐标系转换至初始工具坐标系下，并获取对应的第二坐标系转换系数值，多个第二坐标系转换系数值构成第二工具坐标系序列；

其中，可以通过4*4阶的矩阵乘法将第一工具坐标系转换至初始工具坐标系下。对第一工具坐标系序列进行拟合处理，获取第一目标旋转轴的第一轴数据；

对第二工具坐标系序列进行拟合处理，获取第二目标旋转轴的第二轴数据。

步骤S108包括：

S1081、根据第一轴数据、第二轴数据以及第一目标旋转轴和第二目标旋转轴的交点数据，采用右手定则建立法兰盘坐标系；

S1082、获取法兰盘坐标系对应的传递矩阵，其中传递矩阵一般为4*4的传递矩阵；

S1083、对传递矩阵进行求逆计算，以得到目标矩阵。

步骤S109包括：

S1091、获取目标矩阵中的坐标原点数据；

S1092、标定坐标原点数据为初始工具坐标系的坐标原点在法兰盘坐标系下的目标位置数据。

步骤S1010包括：

S10101、获取目标矩阵中的第一矩阵；

其中，第一矩阵用于表征初始工具坐标系绕法兰盘坐标系中的三个轴分别旋转的角度值；

S10102、根据角度值计算得到初始工具坐标系在法兰盘坐标系下的轴方向数据。

具体地，第一矩阵为4*4的目标矩阵的前三行三列形成的3*3矩阵，用于表示初始工具坐标系绕法兰盘坐标系中的三个轴分别旋转的角度值A、B、C，计算得到工具的轴方向的欧拉角，即得到初始工具坐标系在法兰盘坐标系下的轴方向数据。

本实施例中，通过成像系统分别获取机器人的工具在测量起始点处以及旋转后工具对应的图像，获取测量起始点处对应的初始工具坐标系和旋转后图像对应的第一坐标系，然后将第一坐标系转换至初始工具坐标系获取对应的工具坐标系序列，根据该工具坐标系序列分别得到机器人的第六关节的旋转后和第五关节的旋转轴，进而构建法兰盘坐标系及其对应的目标矩阵，来标定初始工具坐标系的坐标原点在法兰盘坐标系下的目标位置数据，以及初始工具坐标系在法兰盘坐标系下的轴方向数据，整个过程自动标定工具坐标系，不需要人工介入，从而提高了对工具坐标系的标定精度，且标定过程都是单轴运动，并不依赖于运动精度，因此排除了机器人运动精度的问题。

实施例3

如图3所示，本实施例的机器人的工具坐标系的标定系统包括起始点获取模块1、第一图像获取模块2、第二图像获取模块3、第三图像获取模块4、初始坐标系获取模块5、第一坐标系获取模块6、轴数据获取模块7、目标矩阵获取模块8、位置数据标定模块9、轴方向数据标定模块10和复位模块11。

复位模块11用于复位第二目标旋转轴的初始角度位置。

复位后使得六轴机器人的第五关节为0度，具体复位过程可以通过示教器手动控制实现，也可以通过机器人执行编写的程序达到。

起始点获取模块1用于获取机器人上的工具对应的测量起始点；

其中，工具包括安装在法兰盘上的用于实现抓取操作气动夹子等。

第一图像获取模块2用于采用成像系统获取工具在测量起始点处的第一图像，即采用成像系统(即相机)拍摄机器人的工具的初始状态。

具体地，机器人的初始状态由其六关节的值构成，所以可以用一个六维空间来描述机器人的状态{j1,j2,j3,j4,j5,j6}，其中六维空间的某个确定的值就是空间中的一个点。

第二图像获取模块3用于控制机器人的第一目标旋转轴旋转，并在旋转后采用成像系统获取工具对应的第二图像；

第三图像获取模块4用于控制工具恢复至测量起始点处，继续控制机器人的第二目标旋转轴旋转，并在旋转后采用成像系统获取工具对应的第三图像；

其中，第一目标旋转轴的末端固设有法兰盘，工具固设在法兰盘上；第一目标旋转轴和第二目标旋转轴连接且正交；

第一目标旋转轴为六轴机器人的第六关节，第二目标旋转轴为六轴机器人的第五关节。

初始坐标系获取模块5用于获取第一图像中的用于表征工具的特征点的第一位置数据，并根据第一位置数据确定工具对应的初始工具坐标系；

第一坐标系获取模块6用于获取第二图像和第三图像中的用于表征工具的特征点的第二位置数据，并根据第二位置数据确定工具对应的第一工具坐标系；

其中，每次旋转操作后获取的第二图像均对应一个第一工具坐标系，每次旋转操作后获取的第三图像均对应一个第一工具坐标系；

另外，确定工具上能够显著观察的至少三个不共线的点作为特征点，包括矩形角点或圆形圆心点等，这些特征点在工具坐标系中具有确定的坐标值。

轴数据获取模块7用于根据第一工具坐标系获取第一目标旋转轴的第一轴数据和第二目标旋转轴的第二轴数据；

目标矩阵获取模块8用于根据第一轴数据、第二轴数据以及第一目标旋转轴和第二目标旋转轴的交点数据，获取法兰盘的法兰盘坐标系对应的目标矩阵；

位置数据标定模块9用于根据目标矩阵标定初始工具坐标系的坐标原点在法兰盘坐标系下的目标位置数据；

轴方向数据标定模块10用于根据目标矩阵标定初始工具坐标系在法兰盘坐标系下的轴方向数据。

本实施例中，通过成像系统分别获取机器人的工具在测量起始点处以及旋转后工具对应的图像，获取测量起始点处对应的初始工具坐标系和旋转后图像对应的第一坐标系，然后得到机器人的第六关节的旋转后和第五关节的旋转轴，进而构建法兰盘坐标系及其对应的目标矩阵，来标定初始工具坐标系的坐标原点在法兰盘坐标系下的目标位置数据，以及初始工具坐标系在法兰盘坐标系下的轴方向数据，整个过程自动标定工具坐标系，不需要人工介入，从而提高了对工具坐标系的标定精度，且标定过程都是单轴运动，并不依赖于运动精度，因此排除了机器人运动精度的问题。

实施例4

如图4所示，本实施例的机器人的工具坐标系的标定系统是对实施例3的进一步改进，具体地：

起始点获取模块1包括内参数标定单元12和位置控制单元13。

内参数标定单元12用于标定成像系统的内参数；

其中，内参数包括相机内的方位元素和镜头光学畸变系数等，例如共线性、径向畸变、偏心畸变、像平面内仿射性畸变等参数，以及相距、芯片感光点密度等光学几何尺寸均会对相机的成像点造成影响，通过标定完成像系统的内参数来保证计算空间坐标的准确性。

位置控制单元13用于根据内参数移动机器人的位置，直至机器人移动至测量起始点。

第二图像获取模块3包括第一控制旋转单元14和第一判断单元15。

第一控制旋转单元14用于控制机器人的第一目标旋转轴按照第一设定旋转增量进行旋转；

第一判断单元15用于判断第一目标旋转轴的旋转范围是否超过第一设定阈值，若是，则停止对第一目标旋转轴的旋转操作；

例如，控制机器人的第六关节按照增量宽度为3度左右进行旋转，且旋转范围为正负60度。

第三图像获取模块4包括第二控制旋转单元16和第二判断单元17。

第二控制旋转单元16用于控制机器人的第二目标旋转轴按照第一设定旋转增量进行旋转；

第二判断单元17用于判断第二目标旋转轴的旋转范围是否超过第二设定阈值，若是，则停止对第二目标旋转轴的旋转操作。

例如，控制机器人的第五关节按照增量宽度为3度左右进行旋转，且旋转范围为正负60度。

轴数据获取模块7包括第一序列获取单元18、第二序列获取单元19、第一轴数据获取单元20和第二轴数据获取单元21。

第一序列获取单元18用于将每次旋转操作后获取的第二图像对应的第一工具坐标系转换至初始工具坐标系下，并获取对应的第一坐标系转换系数值，多个第一坐标系转换系数值构成第一工具坐标系序列；

第二序列获取单元19用于将每次旋转操作后获取的第三图像对应的第一工具坐标系转换至初始工具坐标系下，并获取对应的第二坐标系转换系数值，多个第二坐标系转换系数值构成第二工具坐标系序列；

其中，可以通过4*4阶的矩阵乘法将第一工具坐标系转换至初始工具坐标系下。

第一轴数据获取单元20用于对第一工具坐标系序列进行拟合处理，获取第一目标旋转轴的第一轴数据；

第二轴数据获取单元21用于对第二工具坐标系序列进行拟合处理，获取第二目标旋转轴的第二轴数据。

目标矩阵获取模块8包括坐标系建立单元22、传递矩阵获取单元23和目标矩阵获取单元24。

坐标系建立单元22用于根据第一轴数据、第二轴数据以及第一目标旋转轴和第二目标旋转轴的交点数据，采用右手定则建立法兰盘坐标系；

传递矩阵获取单元23用于获取法兰盘坐标系对应的传递矩阵，其中传递矩阵一般为4*4的传递矩阵；

目标矩阵获取单元24用于对传递矩阵进行求逆计算，以得到目标矩阵。

位置数据标定模块9包括坐标原点数据获取单元25和第一标定单元26。

坐标原点数据获取单元25用于获取目标矩阵中的坐标原点数据；

第一标定单元26用于标定坐标原点数据为初始工具坐标系的坐标原点在法兰盘坐标系下的目标位置数据；

轴方向数据标定模块10包括第一矩阵获取单元27和第二标定单元28。

第一矩阵获取单元27用于获取目标矩阵中的第一矩阵；

其中，第一矩阵用于表征初始工具坐标系绕法兰盘坐标系中的三个轴分别旋转的角度值；

第二标定单元28用于根据角度值计算得到初始工具坐标系在法兰盘坐标系下的轴方向数据。

具体地，第一矩阵为4*4的目标矩阵的前三行三列形成的3*3矩阵，用于表示初始工具坐标系绕法兰盘坐标系中的三个轴分别旋转的角度值A、B、C，计算得到工具的轴方向的欧拉角，即得到初始工具坐标系在法兰盘坐标系下的轴方向数据。

本实施例中，通过成像系统分别获取机器人的工具在测量起始点处以及旋转后工具对应的图像，获取测量起始点处对应的初始工具坐标系和旋转后图像对应的第一坐标系，然后将第一坐标系转换至初始工具坐标系获取对应的工具坐标系序列，根据该工具坐标系序列分别得到机器人的第六关节的旋转后和第五关节的旋转轴，进而构建法兰盘坐标系及其对应的目标矩阵，来标定初始工具坐标系的坐标原点在法兰盘坐标系下的目标位置数据，以及初始工具坐标系在法兰盘坐标系下的轴方向数据，整个过程自动标定工具坐标系，不需要人工介入，从而提高了对工具坐标系的标定精度，且标定过程都是单轴运动，并不依赖于运动精度，因此排除了机器人运动精度的问题。

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，这些仅是举例说明，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作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种机器人的工具坐标系的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括：

获取机器人上的工具对应的测量起始点；

采用成像系统获取所述工具在所述测量起始点处的第一图像；

控制所述机器人的第一目标旋转轴旋转，并在旋转后采用所述成像系统获取所述工具对应的第二图像；

控制所述工具恢复至所述测量起始点处，继续控制所述机器人的第二目标旋转轴旋转，并在旋转后采用所述成像系统获取所述工具对应的第三图像；

其中，所述第一目标旋转轴的末端固设有法兰盘，所述工具固设在所述法兰盘上；所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴连接且正交；

获取所述第一图像中的用于表征所述工具的特征点的第一位置数据，并根据所述第一位置数据确定所述工具对应的初始工具坐标系；

获取所述第二图像和所述第三图像中的用于表征所述工具的所述特征点的第二位置数据，并根据所述第二位置数据确定所述工具对应的第一工具坐标系；

其中，每次旋转操作后获取的所述第二图像均对应一个所述第一工具坐标系，每次旋转操作后获取的所述第三图像均对应一个所述第一工具坐标系；

根据所述第一工具坐标系获取所述第一目标旋转轴的第一轴数据和所述第二目标旋转轴的第二轴数据；

根据所述第一轴数据、所述第二轴数据以及所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴的交点数据，获取所述法兰盘的法兰盘坐标系对应的目标矩阵；

根据所述目标矩阵标定所述初始工具坐标系的坐标原点在所述法兰盘坐标系下的目标位置数据；

根据所述目标矩阵标定所述初始工具坐标系在所述法兰盘坐标系下的轴方向数据。

2.如权利要求1所述的机器人的工具坐标系的标定方法，其特征在于，根据所述第一工具坐标系获取所述第一目标旋转轴的第一轴数据和所述第二目标旋转轴的第二轴数据的步骤包括：

将每次旋转操作后获取的所述第二图像对应的所述第一工具坐标系转换至所述初始工具坐标系下，并获取对应的第一坐标系转换系数值，多个所述第一坐标系转换系数值构成第一工具坐标系序列；

将每次旋转操作后获取的所述第三图像对应的所述第一工具坐标系转换至所述初始工具坐标系下，并获取对应的第二坐标系转换系数值，多个所述第二坐标系转换系数值构成第二工具坐标系序列；

对所述第一工具坐标系序列进行拟合处理，获取所述第一目标旋转轴的所述第一轴数据；

对所述第二工具坐标系序列进行拟合处理，获取所述第二目标旋转轴的所述第二轴数据。

3.如权利要求1所述的机器人的工具坐标系的标定方法，其特征在于，所述根据所述第一轴数据、所述第二轴数据以及所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴的交点数据，获取所述法兰盘的法兰盘坐标系对应的目标矩阵的步骤包括：

根据所述第一轴数据、所述第二轴数据以及所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴的交点数据，采用右手定则建立所述法兰盘坐标系；

获取所述法兰盘坐标系对应的传递矩阵；

对所述传递矩阵进行求逆计算，以得到所述目标矩阵。

4.如权利要求1所述的机器人的工具坐标系的标定方法，其特征在于，所述根据所述目标矩阵标定所述初始工具坐标系的坐标原点在所述法兰盘坐标系下的目标位置数据的步骤包括：

获取所述目标矩阵中的坐标原点数据；

标定所述坐标原点数据为所述初始工具坐标系的坐标原点在所述法兰盘坐标系下的目标位置数据；和/或，

所述根据所述目标矩阵标定所述初始工具坐标系在所述法兰盘坐标系下的轴方向数据的步骤包括：

获取所述目标矩阵中的第一矩阵；

其中，所述第一矩阵用于表征所述初始工具坐标系绕所述法兰盘坐标系中的三个轴分别旋转的角度值；

根据所述角度值计算得到所述初始工具坐标系在所述法兰盘坐标系下的所述轴方向数据。

5.如权利要求1所述的机器人的工具坐标系的标定方法，其特征在于，所述控制所述机器人的第一目标旋转轴旋转的步骤包括：

控制所述机器人的所述第一目标旋转轴按照第一设定旋转增量进行旋转；

判断所述第一目标旋转轴的旋转范围是否超过第一设定阈值，若是，则停止对所述第一目标旋转轴的旋转操作；和/或，

所述控制所述机器人的第二目标旋转轴旋转的步骤包括：

控制所述机器人的第二目标旋转轴按照第一设定旋转增量进行旋转；

判断所述第二目标旋转轴的旋转范围是否超过第二设定阈值，若是，则停止对所述第二目标旋转轴的旋转操作。

6.如权利要求1所述的机器人的工具坐标系的标定方法，其特征在于，所述获取机器人上的工具对应的测量起始点的步骤之前还包括：

复位所述第二目标旋转轴的初始角度位置；和/或，

所述获取机器人上的工具对应的测量起始点的步骤包括：

标定所述成像系统的内参数；

根据所述内参数移动所述机器人的位置，直至所述机器人移动至所述测量起始点；和/或，

所述成像系统包括相机；和/或，

所述机器人包括六轴机器人，所述第一目标旋转轴为所述六轴机器人的第六关节，所述第二目标旋转轴为所述六轴机器人的第五关节。

7.一种机器人的工具坐标系的标定系统，其特征在于，所述标定系统包括起始点获取模块、第一图像获取模块、第二图像获取模块、第三图像获取模块、初始坐标系获取模块、第一坐标系获取模块、轴数据获取模块、目标矩阵获取模块、位置数据标定模块和轴方向数据标定模块；

所述起始点获取模块用于获取机器人上的工具对应的测量起始点；

所述第一图像获取模块用于采用成像系统获取所述工具在所述测量起始点处的第一图像；

所述第二图像获取模块用于控制所述机器人的第一目标旋转轴旋转，并在旋转后采用所述成像系统获取所述工具对应的第二图像；

所述第三图像获取模块用于控制所述工具恢复至所述测量起始点处，继续控制所述机器人的第二目标旋转轴旋转，并在旋转后采用所述成像系统获取所述工具对应的第三图像；

其中，所述第一目标旋转轴的末端固设有法兰盘，所述工具固设在所述法兰盘上；所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴连接且正交；

所述初始坐标系获取模块用于获取所述第一图像中的用于表征所述工具的特征点的第一位置数据，并根据所述第一位置数据确定所述工具对应的初始工具坐标系；

所述第一坐标系获取模块用于获取所述第二图像和所述第三图像中的用于表征所述工具的所述特征点的第二位置数据，并根据所述第二位置数据确定所述工具对应的第一工具坐标系；

其中，每次旋转操作后获取的所述第二图像均对应一个所述第一工具坐标系，每次旋转操作后获取的所述第三图像均对应一个所述第一工具坐标系；

所述轴数据获取模块用于根据所述第一工具坐标系获取所述第一目标旋转轴的第一轴数据和所述第二目标旋转轴的第二轴数据；

所述目标矩阵获取模块用于根据所述第一轴数据、所述第二轴数据以及所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴的交点数据，获取所述法兰盘的法兰盘坐标系对应的目标矩阵；

所述位置数据标定模块用于根据所述目标矩阵标定所述初始工具坐标系的坐标原点在所述法兰盘坐标系下的目标位置数据；

所述轴方向数据标定模块用于根据所述目标矩阵标定所述初始工具坐标系在所述法兰盘坐标系下的轴方向数据。

8.如权利要求7所述的机器人的工具坐标系的标定系统，其特征在于，所述轴数据获取模块包括第一序列获取单元、第二序列获取单元、第一轴数据获取单元和第二轴数据获取单元；

所述第一序列获取单元用于将每次旋转操作后获取的所述第二图像对应的所述第一工具坐标系转换至所述初始工具坐标系下，并获取对应的第一坐标系转换系数值，多个所述第一坐标系转换系数值构成第一工具坐标系序列；

所述第二序列获取单元用于将每次旋转操作后获取的所述第三图像对应的所述第一工具坐标系转换至所述初始工具坐标系下，并获取对应的第二坐标系转换系数值，多个所述第二坐标系转换系数值构成第二工具坐标系序列；

所述第一轴数据获取单元用于对所述第一工具坐标系序列进行拟合处理，获取所述第一目标旋转轴的所述第一轴数据；

所述第二轴数据获取单元用于对所述第二工具坐标系序列进行拟合处理，获取所述第二目标旋转轴的所述第二轴数据。

9.如权利要求7所述的机器人的工具坐标系的标定系统，其特征在于，所述目标矩阵获取模块包括坐标系建立单元、传递矩阵获取单元和目标矩阵获取单元；

所述坐标系建立单元用于根据所述第一轴数据、所述第二轴数据以及所述第一目标旋转轴和所述第二目标旋转轴的交点数据，采用右手定则建立所述法兰盘坐标系；

所述传递矩阵获取单元用于获取所述法兰盘坐标系对应的传递矩阵；

所述目标矩阵获取单元用于对所述传递矩阵进行求逆计算，以得到所述目标矩阵。

10.如权利要求7所述的机器人的工具坐标系的标定系统，其特征在于，所述位置数据标定模块包括坐标原点数据获取单元和第一标定单元；

所述坐标原点数据获取单元用于获取所述目标矩阵中的坐标原点数据；

所述第一标定单元用于标定所述坐标原点数据为所述初始工具坐标系的坐标原点在所述法兰盘坐标系下的目标位置数据；和/或，

所述轴方向数据标定模块包括第一矩阵获取单元和第二标定单元；

所述第一矩阵获取单元用于获取所述目标矩阵中的第一矩阵；

其中，所述第一矩阵用于表征所述初始工具坐标系绕所述法兰盘坐标系中的三个轴分别旋转的角度值；

所述第二标定单元用于根据所述角度值计算得到所述初始工具坐标系在所述法兰盘坐标系下的所述轴方向数据。

11.如权利要求7所述的机器人的工具坐标系的标定系统，其特征在于，所述第二图像获取模块包括第一控制旋转单元和第一判断单元；

所述第一控制旋转单元用于控制所述机器人的所述第一目标旋转轴按照第一设定旋转增量进行旋转；

所述第一判断单元用于判断所述第一目标旋转轴的旋转范围是否超过第一设定阈值，若是，则停止对所述第一目标旋转轴的旋转操作；和/或，

所述第三图像获取模块包括第二控制旋转单元和第二判断单元；

所述第二控制旋转单元用于控制所述机器人的第二目标旋转轴按照第一设定旋转增量进行旋转；

所述第二判断单元用于判断所述第二目标旋转轴的旋转范围是否超过第二设定阈值，若是，则停止对所述第二目标旋转轴的旋转操作。

12.如权利要求7所述的机器人的工具坐标系的标定系统，其特征在于，所述标定系统还包括复位模块；

所述复位模块用于复位所述第二目标旋转轴的初始角度位置；和/或，

所述起始点获取模块包括内参数标定单元和位置控制单元；

所述内参数标定单元用于标定所述成像系统的内参数；

所述位置控制单元用于根据所述内参数移动所述机器人的位置，直至所述机器人移动至所述测量起始点；和/或，

所述成像系统包括相机；和/或，

所述机器人包括六轴机器人，所述第一目标旋转轴为所述六轴机器人的第六关节，所述第二目标旋转轴为所述六轴机器人的第五关节。

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