CN111791229B - 机器人运动学参数标定方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

机器人运动学参数标定方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种机器人运动学参数标定方法、装置、计算机设备及存储介质，涉及机器人标定技术领域。该机器人运动学参数标定方法包括：服务器获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量，确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定每个轴的运动学参数。本申请实施例中，根据机器人的相邻轴之间的几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数，不受机器人的每个轴的加工精度和装配精度的影响，因此可以提高运动学参数的精度。

Description

机器人运动学参数标定方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本申请涉及机器人标定技术领域，特别是涉及一种机器人运动学参数标定方法、装置、计算机设备及存储介质。
背景技术
为了提高工业生产效率，越来越多的生产企业采用工业机器人替代工人，其中，SCARA(英文：Selective Compliance Assembly Robot Arm；中文：选择性柔顺装配机械臂)机器人是工业中普遍使用的机器人。SCARA机器人包括3个旋转轴和1个移动轴，其中，3个旋转轴的轴线相互平行，在平面内进行定位和定向，移动轴用于完成末端件在垂直于平面的方向上运动。在标定时，可以将第三个旋转轴与移动轴看作一个旋转轴进行标定。
现有技术中，对SCARA机器人进行标定的方法一般是：分别在机器人末端法兰和机器人底座上安装标定工件，通过标定工件的配合实现确定机器人的每个轴的运动学参数。
然而，上述方法中，受到标定工件的加工精度以及装配精度的影响，得到的运动学参数的精度不高。
发明内容
基于此，有必要针对上述方法中存在的运动学参数的精度不高的问题，提供一种机器人运动学参数标定方法、装置、计算机设备及存储介质。
一种机器人运动学参数标定方法，该方法包括：
获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，测量数据集包括目标机器人的轴在按照预设程序运动过程中的空间位置；
根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量；
确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数。
在本申请的一个实施例中，根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量，包括：
对于每个轴的测量数据集，根据轴的测量数据集拟合得到轴的旋转轴线；
获取末端法兰位置重复定位数据集，根据末端法兰位置重复定位数据集确定靶球零点；
根据靶球零点和每个轴的旋转轴线确定目标机器人的基坐标系和每个轴在基坐标系中的坐标向量。
在本申请的一个实施例中，根据靶球零点和每个轴的旋转轴线确定目标机器人的基坐标系和每个轴在基坐标系中的坐标向量，包括：
对于每个轴，根据靶球零点和每个轴的旋转轴线确定每个轴的原点；
根据每个轴的原点，根据原点指向相邻轴的原点的单位向量确定轴的X向量，根据原点沿旋转轴线向上的单位向量确定轴的Z向量；
根据每个轴的原点、X向量和Z向量确定每个轴在基坐标系中的坐标向量。
在本申请的一个实施例中，机器人包括第一轴、第二轴和第三轴，根据每个轴对应的旋转平面和旋转轴线确定目标机器人的基坐标系和每个轴在基坐标系中的坐标向量，包括：
对于第三轴，根据第二轴的原点和第二轴的Y向量确定过第二轴的原点且垂直于第二轴的Y向量的第一平面；
根据第三轴的原点和第三轴的Z向量确定过第三轴的原点且垂直于第三轴的Z向量的第二平面；
根据第一平面和第二平面的交线确定第三轴的X向量；
根据第三轴的原点、X向量和Z向量结合空间向量右手系法则确定第三轴的Y向量。
在本申请的一个实施例中，几何映射关系包括第一几何映射关系，运动学参数包括扭角参数，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数，包括：
对于第i个轴，获取第i个轴的Yi向量和Zi向量，获取第i-1个轴的Xi-1向量；
基于第一几何映射关系，根据第i个轴的Yi向量和Zi向量，以及第i-1个轴的Xi-1向量确定第i个轴的扭角参数；
其中，第一几何映射关系为：第i个轴的Zi向量绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度后垂直于第i-1个轴的Xi-1向量。
在本申请的一个实施例中，几何映射关系包括第二几何映射关系，运动学参数包括关节转角，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定每个轴的运动学参数，包括：
对于第i个轴，使第i个轴的Zi向量绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度，得到中间向量ZQ；
基于第二几何映射关系，根据第i-1个轴的Xi-1向量、中间向量ZQ、第i个轴的Yi向量、扭角参数以及第i个轴的Xi向量确定第i个轴的关节转角；
其中，第二几何映射关系为：第i-1个轴的Xi-1向量绕中间向量ZQ旋转关节转角所指示的角度后，再绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度，得到第i个轴的Xi向量。
在本申请的一个实施例中，几何映射关系包括第三几何映射关系，运动学参数包括夹角，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定每个轴的运动学参数，包括：
对于第i个轴，获取第i-1个轴的Xi-1向量、Zi-1向量；
基于第三几何映射关系，根据第i-1个轴的Xi-1向量、Zi-1向量和中间向量ZQ确定第i个轴的夹角；
其中，第三几何映射关系为：第i-1个轴的Zi-1向量绕第i-1个轴的Xi-1向量转动夹角所指示的角度后得到中间向量ZQ。
一种机器人运动学参数标定装置，该装置包括：
获取模块，用于获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，测量数据集包括目标机器人的轴在按照预设程序运动过程中的空间位置；
确定模块，用于根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量；
参数标定模块，用于确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该计算机程序被该处理器执行时实现以下步骤：
获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，测量数据集包括目标机器人的轴在按照预设程序运动过程中的空间位置；
根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量；
确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，测量数据集包括目标机器人的轴在按照预设程序运动过程中的空间位置；
根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量；
确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
上述机器人运动学参数标定方法、装置、计算机设备及存储介质，可以提高运动学参数的精度。该机器人运动学参数标定方法包括：服务器获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量，确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定每个轴的运动学参数。本申请实施例中，根据机器人的相邻轴之间的几何映射关系确定每个轴的运动学参数，不受机器人的每个轴的加工精度和装配精度的影响，因此可以提高运动学参数的精度。
附图说明
图1为本申请实施例提供的机器人运动学参数标定方法的实施环境的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种机器人运动学参数标定方法的流程图；
图3为本申请实施例提供的确定每个轴的坐标向量的方法的流程图；
图4为本申请实施例提供的机器人的每个轴的旋转平面和旋转轴线的示意图；
图5为本申请实施例提供的根据第一平面与第二平面映射X34/Flange向量的示意图；
图6为本申请实施例提供的相邻轴之间的几何映射过程的示意图；
图7为本申请实施例提供的几何映射关系示意图；
图8为本申请实施例提供的一种机器人运动学参数标定装置的框图；
图9为本申请实施例提供的一种计算机设备的模块图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
工业机器人具有结构形式简单，运动可靠，动作速度快，定位精度高的优点，被广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域。
其中，SCARA(英文：Selective Compliance Assembly Robot Arm；中文：选择性柔顺装配机械臂)机器人是工业中经常使用的机器人。SCARA机器人包括3个旋转轴和1个移动轴，其中，3个旋转轴的轴线相互平行，在平面内进行定位和定向，移动轴用于完成末端件在垂直于平面的方向上运动。其中，由于机器人的轴在安装的过程中，第三个旋转轴与移动轴并联且同轴线，在实际运动红，可以同时实现移动和旋转，因此可以将第三个旋转轴与移动轴作为一个轴进行参数标定。
现有技术中，对SCARA机器人进行标定的方法一般是：分别在机器人末端法兰和机器人底座上安装标定工件，通过标定工件的配合实现确定机器人的每个轴的运动学参数。然而，受到标定工件的加工精度以及装配精度的影响，得到的运动学参数的精度不高。
现有技术中，利用齐次变换矩阵计算运动学参数，然而，该方法采用齐次变换矩阵对应的公式进行解析的过程中，仅利用了齐次变换矩阵中的局部数据信息，因此精度损失比较大。
而本申请方案是基于机器人的多个平移轴之间的空间几何关系，通过超定方程解算，将所有影响相邻两个轴之间的连杆的运动学参数的影响因素均考虑在内，因此，相比于现有技术，运动学参数的精度更高。
本申请实施例提供的机器人运动学参数标定方法包括：获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量，确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定每个轴的运动学参数。本申请实施例中，根据机器人的相邻轴之间的几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数，不受机器人的每个轴的加工精度和装配精度的影响，因此可以提高运动学参数的精度。
下面，将对本申请实施例提供的机器人运动学参数标定方法所涉及到的实施环境进行简要说明。
图1为本申请实施例提供的机器人运动学参数标定方法所涉及到的一种实施环境的示意图，如图1所示，该实施环境可以包括服务器101、工业机器人102和激光跟踪仪103，其中，服务器101与激光跟踪仪103可以通过有线网络或无线网络进行通信。
本申请实施例中，工业机器人102可以按照预定的旋转程序控制机器人的各个轴依次做旋转运动，其中，工业机器人102的末端法兰上安装有靶球，靶球可以反射激光。在旋转运动过程中，激光跟踪仪103可以根据靶球反射的激光确定靶球的位置，并根据靶球的位置确定每个轴的空间位置，从而测量得到每个轴的测量数据集。
激光跟踪仪103可以把每个轴的测量数据集发送给服务器101，服务器101可以获取工业机器人102的每个轴的测量数据集，并根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量；确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定每个轴的运动学参数。
请参考图2，其示出了本申请实施例提供的一种机器人运动学参数标定方法的流程图，该机器人运动学参数标定方法可以应用于图1所示实施环境中的服务器中，如图2所示，该机器人运动学参数标定方法可以包括以下步骤：
步骤201，服务器获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集。
测量数据集包括目标机器人的轴在按照预设程序运动过程中的空间位置。
本申请实施例中，激光跟踪仪测量目标机器人的每个轴的测量数据集的过程可以包括以下内容：
在目标机器人的末端法兰上安装靶球，控制目标机器人的第一轴作旋转运动，同时，利用激光跟踪仪测量末端位置点，得到多个第一轴的末端的空间位置，组成第一轴的测量数据集。
第一轴回到零位后，控制第二轴做旋转运动，同时，利用激光跟踪仪测量末端位置点，得到多个第二轴的末端的空间位置，组成第二轴的测量数据集。
第一轴和第二轴回到零位后，控制机器人的第三轴做旋转运动，同时利用激光跟踪仪测量末端位置点，得到多个第三轴的末端的空间位置，组成第三轴的测量数据集。
步骤202，服务器根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量。
本申请实施例中，如图3所示，服务器确定每个轴的坐标向量的过程可以包括以下步骤：
步骤301，对于每个轴的测量数据集，服务器根据该轴的测量数据集拟合得到该轴的旋转轴线。
本申请实施例中，对于每个轴的测量数据集，服务器可以采用最小二乘法和牛顿迭代法拟合得到每个轴的旋转平面和旋转平面的中心点，过该中心点做垂直于该旋转平面的轴线，即得到该轴的旋转轴线。
如图4所示，第一轴的测量数据集可以拟合得到第一轴的旋转平面A1，并基于旋转平面A1得到第一轴的旋转轴线Z1；第二轴的测量数据集可以拟合得到第二轴的旋转平面A2，并基于旋转平面A2得到第二轴的旋转轴线Z2；第三轴的测量数据集可以拟合得到第三轴的旋转圆柱A34，并基于旋转平面A34得到第三轴的旋转轴线Z34。
需要说明的是，本申请实施例中，将机器人的第三个旋转轴和与第三个旋转轴连接的移动轴合起来称为第三轴。
步骤302，服务器获取末端法兰位置重复定位数据集，根据末端法兰位置重复定位数据集确定靶球零点
Figure BDA0002500541850000081
本申请实施例中，服务器还可以获取末端法兰位置重复定位数据集，并根据末端法兰位置重复定位数据集可以对靶球进行重复定位，确定靶球中心重复定位零点
Figure BDA0002500541850000082
即靶球零点。
步骤303，服务器根据靶球零点和每个轴的旋转轴线确定目标机器人的基坐标系和每个轴在基坐标系中的坐标向量。
本申请实施例中服务器确定目标机器人的基坐标系和每个轴在基坐标系中的坐标向量的过程可以包括步骤A1-步骤A3：
步骤A1，对于每个轴，根据靶球零点和每个轴的旋转轴线确定每个轴的原点。具体的：
进一步的，服务器可以过靶球零点
Figure BDA0002500541850000083
向第三轴的旋转轴线Z34作垂线，得到垂足为
Figure BDA0002500541850000084
垂足为
Figure BDA0002500541850000085
为第三轴的原点位置；
服务器可以确定过
Figure BDA0002500541850000086
向第二轴的旋转轴线Z2作垂线，得到垂足
Figure BDA0002500541850000087
垂足
Figure BDA0002500541850000088
为第二轴的原点位置；
服务器可以确定过
Figure BDA0002500541850000089
向第一轴的旋转轴线ZBase/1作垂线，得到垂足
Figure BDA00025005418500000810
其中，
Figure BDA00025005418500000811
为第一轴的原点位置，也为机器人的基坐标系中的原点位置。需要说明的是，第一轴为与机器人的基座连接的轴。
步骤A2，根据每个轴的原点，根据原点指向相邻轴的原点的单位向量确定轴的X向量，根据原点沿旋转轴线向上的单位向量确定轴的Z向量。
其中，第一轴的旋转轴线Z1也是机器人的基坐标系中的Z轴，因此Z1也可以标记为ZBase/1。第三轴的旋转轴线Z34可以是指末端法兰的轴线，因此Z34也可以标记为Z34/Flange。
本申请实施例中，可以根据第一轴的旋转轴线Z1确定第一轴对应的ZBase/1向量，根据第二轴的旋转轴线Z2确定第二轴对应的Z2向量，根据第三轴的旋转轴线Z34确定第三轴对应的Z34/Flange向量。
进一步的，服务器可以确定点
Figure BDA0002500541850000091
指向点
Figure BDA0002500541850000092
的单位向量即为XBase/1。
服务器可以确定点
Figure BDA0002500541850000093
指向
Figure BDA0002500541850000094
的单位向量即为X2。
服务器可以根据每个轴的原点、X向量和Z向量确定每个轴在基坐标系中的坐标向量。
根据点
Figure BDA0002500541850000095
ZBase/1向量和XBase/1向量结合空间向量右手系法则，可以确定出YBase/1向量，根据点
Figure BDA0002500541850000096
ZBase/1向量、XBase/1向量和YBase/1向量确定第一轴的坐标系。其中，第一轴的坐标系可以用机器人的基坐标系表示，基坐标系可以表示为
Figure BDA0002500541850000097
根据点
Figure BDA0002500541850000098
Z2向量和X2向量结合空间向量右手系法则，可以确定出Y2向量，根据点
Figure BDA0002500541850000099
Z2向量、X2向量和Y2向量可以确定出第二轴的坐标系，第二轴的坐标系可以表示为
Figure BDA00025005418500000910
由于第三轴包括移动轴和旋转轴，默认旋转轴和移动轴的轴心点均为
Figure BDA00025005418500000911
因此对于目标机器人的第三轴，本申请实施例提供一种新的确定X34向量的方法：
根据图4示出的第一轴的旋转平面A1、第二轴的旋转平面A2以及第三轴的旋转圆柱A34可以看出，第三轴的旋转圆柱A34与第二轴的旋转平面A2相交。本申请实施例中，如图5所示，可以看出，第一平面与第二平面的交线为第三轴的X34/Flange向量。
其中，确定第一平面的过程可以是：过第二轴的原点
Figure BDA00025005418500000912
垂直于第二轴的Y2向量确定第一平面，可以认为第一平面为第二轴坐标系中Z2向量和X2向量形成的平面。
确定第二平面的过程可以是：服务器可以确定过第三轴的原点
Figure BDA00025005418500000913
且垂直于所述第三轴的Z34/Flange向量的第二平面，可以认为第二平面为过第三轴的原点
Figure BDA0002500541850000101
且与旋转圆柱A34的柱面平行的平面。
根据第一平面和第二平面的交线确定第三轴的X34向量。
根据点
Figure BDA0002500541850000102
Z34/Flange向量和X34/Flange向量结合空间向量右手系法则，可以确定出Y34/Flange向量，根据点
Figure BDA0002500541850000103
Z34/Flange向量、X34/Flange向量和Y34/Flange向量确定第三轴的坐标系，第三轴的坐标系可以表示为
Figure BDA0002500541850000104
本申请实施例中，根据步骤202可以确定出机器人的基坐标系和机器人的每个轴坐标系。
步骤203，服务器确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数。
本申请实施例中，如图6和图7所示，相邻轴之间的几何映射关系可以通过图6表示出来。下面，本申请实施例对该几何映射关系进行详细说明：
假定相邻轴分别为第i-1个轴和第i个轴，第i-1个轴和第i个轴之间的连杆为L，以确定连杆L的运动学参数为例进行说明：
第i-1个轴对应的坐标系可以表示为：
Figure BDA0002500541850000105
第i个轴对应的坐标系可以表示为：
Figure BDA0002500541850000106
请参考图6和图7，第i-1个轴和第i个轴之间的几何映射过程如下：控制第i-1个轴延Xi-1向量平移ai-1可以得到第一中间坐标系
Figure BDA0002500541850000107
其中，ai-1表示连杆L的连杆长度，此处的连杆长度为将产品误差和装配误差全部考虑在内的实际连杆长度，该实际连杆长度与机器人的理论连杆长度不同。
控制第一中间坐标系
Figure BDA0002500541850000108
绕Xi-1旋转αi-1，可以得到第二中间坐标系
Figure BDA0002500541850000109
其中，αi-1表示Zi-1轴绕Xi轴转至与Zi轴平行时的转角，旋转方向按右手法则定。
控制第二中间坐标系
Figure BDA00025005418500001010
延ZQ方向平移di，可以得到第三中间坐标系
Figure BDA00025005418500001011
其中，di表示第i个轴相对第i-1个轴在轴线方向上的连杆偏距。
控制第三中间坐标系
Figure BDA00025005418500001012
绕ZQ旋转θi，可以得到第四中间坐标系
Figure BDA00025005418500001013
其中，θi表示Xi-1轴绕Zi-1轴转至与Xi轴平行时的转角，旋转方向按右手法则定。
控制第四中间坐标系
Figure BDA0002500541850000111
绕Yi扭转βi，可以得到第i个轴坐标系
Figure BDA0002500541850000112
本申请实施例中，服务器根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定相邻轴之间的连杆对应的运动学参数的过程可以包括以下内容：
第一部分，运动学参数包括扭角参数。
根据图7示出的内容可知，对于第三中间坐标系
Figure BDA0002500541850000113
其中Xi-1垂直于ZQ，而ZQ可以是第i个轴坐标系
Figure BDA0002500541850000114
绕Yi扭转-βi得到的。因此可知，相邻轴之间的第一几何映射关系为：第i个轴的Zi向量绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度后垂直于第i-1个轴的Xi-1向量。
可选的，本申请实施例中，扭角参数所指示的角度为-βi，旋转方向按照右手法则定。
本申请实施例中，在第一几何映射关系中，第i个轴的Yi向量和Zi向量以及第i-1个轴的Xi-1向量均为已知量，因此可以计算得到连杆L对应的扭角参数。
第二部分，运动学参数包括关节转角。
根据图7示出的内容可知，对于第四中间坐标系
Figure BDA0002500541850000115
其中，第i-1个轴的Xi-1向量绕ZQ向量旋转θi之后可以得到XK。并且，第i个轴的Xi向量绕Yi向量扭转-βi后可以得到XK。因此可知，相邻轴之间的第二几何映射关系为：第i-1个轴的Xi-1向量绕ZQ旋转θi之后，再绕第i个轴的Yi向量扭转βi后得到第i个轴的Xi向量。
其中，ZQ为第二中间坐标系中的Z轴向量，控制第i个轴的Zi向量绕第i个轴的Yi向量扭转-βi后得到ZQ向量。由此可知，本申请实施例中，第i-1个轴的Xi-1向量、ZQ向量、第i个轴的Yi向量、扭转参数以及第i个轴的Xi向量均为已知量，因此可以根据第二几何映射关系计算出连杆L对应的关节转角θi。
第三部分，运动学参数包括夹角，该夹角为Xi-1轴绕Zi-1轴转至与Xi轴平行时的转角，旋转方向按右手法则定。
根据图7示出的内容可知，对于第i-1个轴对应的坐标系
Figure BDA0002500541850000116
其中，第i-1个轴的Zi-1向量绕Xi-1向量旋转夹角对应的角度后可以得到中间向量ZQ。根据第一部分和第二部分可知，控制第i个轴的Zi向量绕第i个轴的Yi向量扭转-βi后得到ZQ向量。因此可知，相邻轴之间的第三几何映射关系为：第i-1个轴的Zi-1向量绕第i-1个轴的Xi-1向量转动夹角所指示的角度后得到中间向量ZQ。
其中，第i-1个轴的Zi-1向量、第i-1个轴的Xi-1向量以及中间向量ZQ均为已知量，因此可以根据第三几何映射关系计算出夹角。
第四部分，运动学参数包括连杆长度和连杆偏距。
本申请实施例中，可以通过测量确定出相邻轴之间的连杆长度，连杆长度可以是指第i个轴的原点
Figure BDA0002500541850000121
到第i-1个轴的原点
Figure BDA0002500541850000122
之间的长度。
本申请实施例中，可以通过测量确定出连杆L的连杆偏距。
综上所述，可以通过步骤203公开的内容确定出每个轴的五个运动学参数，并利用每个轴的运动学参数对机器人的相邻轴之间的连杆进行零位标定。
本申请实施例中，服务器获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量，确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定每个轴的运动学参数。本申请实施例中，根据机器人的相邻轴之间的几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数，不受机器人的每个轴的加工精度和装配精度的影响，因此可以提高运动学参数的精度。
请参考图8，其示出了本申请实施例提供的一种机器人运动学参数标定装置的框图，该机器人运动学参数标定装置可以配置在图1所示实施环境中的服务器中。如图8所示，该机器人运动学参数标定装置可以包括获取模块801，确定模块802和参数标定模块803，其中：
获取模块801，用于获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，测量数据集包括目标机器人的轴在按照预设程序运动过程中的空间位置；
确定模块802，用于根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量；
参数标定模块803，用于确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数。
在本申请的一个实施例中，确定模块802还用于对于每个轴的测量数据集，根据轴的测量数据集拟合得到轴的旋转轴线；获取末端法兰位置重复定位数据集，根据末端法兰位置重复定位数据集确定靶球零点；根据靶球零点和每个轴的旋转轴线确定目标机器人的基坐标系和每个轴在基坐标系中的坐标向量。
在本申请的一个实施例中，确定模块802还用于对于每个轴，根据靶球零点和每个轴的旋转轴线确定每个轴的原点；根据每个轴的原点，根据原点指向相邻轴的原点的单位向量确定轴的X向量，根据原点沿旋转轴线向上的单位向量确定轴的Z向量；根据每个轴的原点、X向量和Z向量确定每个轴在基坐标系中的坐标向量。
在本申请的一个实施例中，机器人包括第一轴、第二轴和第三轴，确定模块802还用于对于第三轴，根据第二轴的原点和第二轴的Y向量确定过第二轴的原点且垂直于第二轴的Y向量的第一平面；根据第三轴的原点和第三轴的Z向量确定过第三轴的原点且垂直于第三轴的Z向量的第二平面；根据第一平面和第二平面的交线确定第三轴的X向量；根据第三轴的原点、X向量和Z向量结合空间向量右手系法则确定第三轴的Y向量。
在本申请的一个实施例中，几何映射关系包括第一几何映射关系，运动学参数包括扭角参数，参数标定模块803还用于对于第i个轴，获取第i个轴的Yi向量和Zi向量，获取第i-1个轴的Xi-1向量；基于第一几何映射关系，根据第i个轴的Yi向量和Zi向量，以及第i-1个轴的Xi-1向量确定第i个轴的扭角参数；其中，第一几何映射关系为：第i个轴的Zi向量绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度后垂直于第i-1个轴的Xi-1向量。
在本申请的一个实施例中，几何映射关系包括第二几何映射关系，运动学参数包括关节转角，参数标定模块803还用于对于第i个轴，使第i个轴的Zi向量绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度，得到中间向量ZQ；基于第二几何映射关系，根据第i-1个轴的Xi-1向量、中间向量ZQ、第i个轴的Yi向量、扭角参数以及第i个轴的Xi向量确定第i个轴的关节转角；其中，第二几何映射关系为：第i-1个轴的Xi-1向量绕中间向量ZQ旋转关节转角所指示的角度后，再绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度，得到第i个轴的Xi向量。
在本申请的一个实施例中，几何映射关系包括第三几何映射关系，运动学参数包括夹角，参数标定模块803还用于对于第i个轴，获取第i-1个轴的Xi-1向量、Zi-1向量；基于第三几何映射关系，根据第i-1个轴的Xi-1向量、Zi-1向量和中间向量ZQ确定第i个轴的夹角；其中，第三几何映射关系为：第i-1个轴的Zi-1向量绕第i-1个轴的Xi-1向量转动夹角所指示的角度后得到中间向量ZQ。
关于机器人运动学参数标定装置的具体限定可以参见上文中对于机器人运动学参数标定方法的限定，在此不再赘述。上述机器人运动学参数标定装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在本申请的一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以为服务器，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该数据库可以用于存储确定好的相邻轴之间的几何映射关系，该计算机程序被处理器执行时以实现一种机器人运动学参数标定方法。
本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在本申请的一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，测量数据集包括目标机器人的轴在按照预设程序运动过程中的空间位置；根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量；确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数。
在本申请的一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：对于每个轴的测量数据集，根据轴的测量数据集拟合得到轴的旋转轴线；获取末端法兰位置重复定位数据集，根据末端法兰位置重复定位数据集确定靶球零点；根据靶球零点和每个轴的旋转轴线确定目标机器人的基坐标系和每个轴在基坐标系中的坐标向量。
在本申请的一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：对于每个轴，根据靶球零点和每个轴的旋转轴线确定每个轴的原点；根据每个轴的原点，根据原点指向相邻轴的原点的单位向量确定轴的X向量，根据原点沿旋转轴线向上的单位向量确定轴的Z向量；根据每个轴的原点、X向量和Z向量确定每个轴在基坐标系中的坐标向量。
在本申请的一个实施例中，机器人包括第一轴、第二轴和第三轴，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：对于第三轴，根据第二轴的原点和第二轴的Y向量确定过第二轴的原点且垂直于第二轴的Y向量的第一平面；根据第三轴的原点和第三轴的Z向量确定过第三轴的原点且垂直于第三轴的Z向量的第二平面；根据第一平面和第二平面的交线确定第三轴的X向量；根据第三轴的原点、X向量和Z向量结合空间向量右手系法则确定第三轴的Y向量。
在本申请的一个实施例中，几何映射关系包括第一几何映射关系，运动学参数包括扭角参数，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：对于第i个轴，获取第i个轴的Yi向量和Zi向量，获取第i-1个轴的Xi-1向量；基于第一几何映射关系，根据第i个轴的Yi向量和Zi向量，以及第i-1个轴的Xi-1向量确定第i个轴的扭角参数；其中，第一几何映射关系为：第i个轴的Zi向量绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度后垂直于第i-1个轴的Xi-1向量。
在本申请的一个实施例中，几何映射关系包括第二几何映射关系，运动学参数包括关节转角，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：对于第i个轴，使第i个轴的Zi向量绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度，得到中间向量ZQ；基于第二几何映射关系，根据第i-1个轴的Xi-1向量、中间向量ZQ、第i个轴的Yi向量、扭角参数以及第i个轴的Xi向量确定第i个轴的关节转角；其中，第二几何映射关系为：第i-1个轴的Xi-1向量绕中间向量ZQ旋转关节转角所指示的角度后，再绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度，得到第i个轴的Xi向量。
在本申请的一个实施例中，几何映射关系包括第三几何映射关系，运动学参数包括夹角，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：对于第i个轴，获取第i-1个轴的Xi-1向量、Zi-1向量；基于第三几何映射关系，根据第i-1个轴的Xi-1向量、Zi-1向量和中间向量ZQ确定第i个轴的夹角；其中，第三几何映射关系为：第i-1个轴的Zi-1向量绕第i-1个轴的Xi-1向量转动夹角所指示的角度后得到中间向量ZQ。
本申请实施例提供的计算机设备，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。
在本申请的一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，测量数据集包括目标机器人的轴在按照预设程序运动过程中的空间位置；根据每个轴的测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量；确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数。
在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还可以实现以下步骤：对于每个轴的测量数据集，根据轴的测量数据集拟合得到轴的旋转轴线；获取末端法兰位置重复定位数据集，根据末端法兰位置重复定位数据集确定靶球零点；根据靶球零点和每个轴的旋转轴线确定目标机器人的基坐标系和每个轴在基坐标系中的坐标向量。
在本申请的一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还可以实现以下步骤：对于每个轴，根据靶球零点和每个轴的旋转轴线确定每个轴的原点；根据每个轴的原点，根据原点指向相邻轴的原点的单位向量确定轴的X向量，根据原点沿旋转轴线向上的单位向量确定轴的Z向量；根据每个轴的原点、X向量和Z向量确定每个轴在基坐标系中的坐标向量。
在本申请的一个实施例中，机器人包括第一轴、第二轴和第三轴，计算机程序被处理器执行时还可以实现以下步骤：对于第三轴，根据第二轴的原点和第二轴的Y向量确定过第二轴的原点且垂直于第二轴的Y向量的第一平面；根据第三轴的原点和第三轴的Z向量确定过第三轴的原点且垂直于第三轴的Z向量的第二平面；根据第一平面和第二平面的交线确定第三轴的X向量；根据第三轴的原点、X向量和Z向量结合空间向量右手系法则确定第三轴的Y向量。
在本申请的一个实施例中，几何映射关系包括第一几何映射关系，运动学参数包括扭角参数，计算机程序被处理器执行时还可以实现以下步骤：对于第i个轴，获取第i个轴的Yi向量和Zi向量，获取第i-1个轴的Xi-1向量；基于第一几何映射关系，根据第i个轴的Yi向量和Zi向量，以及第i-1个轴的Xi-1向量确定第i个轴的扭角参数；其中，第一几何映射关系为：第i个轴的Zi向量绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度后垂直于第i-1个轴的Xi-1向量。
在本申请的一个实施例中，几何映射关系包括第二几何映射关系，运动学参数包括关节转角，计算机程序被处理器执行时还可以实现以下步骤：对于第i个轴，使第i个轴的Zi向量绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度，得到中间向量ZQ；基于第二几何映射关系，根据第i-1个轴的Xi-1向量、中间向量ZQ、第i个轴的Yi向量、扭角参数以及第i个轴的Xi向量确定第i个轴的关节转角；其中，第二几何映射关系为：第i-1个轴的Xi-1向量绕中间向量ZQ旋转关节转角所指示的角度后，再绕第i个轴的Yi向量扭转扭角参数所指示的角度，得到第i个轴的Xi向量。
在本申请的一个实施例中，几何映射关系包括第三几何映射关系，运动学参数包括夹角，计算机程序被处理器执行时还可以实现以下步骤：对于第i个轴，获取第i-1个轴的Xi-1向量、Zi-1向量；基于第三几何映射关系，根据第i-1个轴的Xi-1向量、Zi-1向量和中间向量ZQ确定第i个轴的夹角；其中，第三几何映射关系为：第i-1个轴的Zi-1向量绕第i-1个轴的Xi-1向量转动夹角所指示的角度后得到中间向量ZQ。
本申请实施例提供的计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种机器人运动学参数标定方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，所述测量数据集包括目标机器人的轴在按照预设程序运动过程中的空间位置；
根据每个轴的所述测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量；
确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和所述几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数；
其中，所述确定相邻轴之间的几何映射关系包括：
对于第i-1个和第i个相邻轴，第i-1个轴和第i个轴之间的连杆为L，控制所述第i-1个轴延所述第i-1个轴坐标系中的X轴向量平移连杆L的连杆长度得到第一中间坐标系；
控制所述第一中间坐标系绕所述第一中间坐标系中的X轴向量旋转
Figure 207353DEST_PATH_IMAGE001
，得到第二中 间坐标系，
Figure 154580DEST_PATH_IMAGE001
表示所述第一中间坐标系中的Z轴绕所述第i个轴对应坐标系中的X轴转至 与所述第i个轴对应坐标系中的Z轴平行时的转角；
控制所述第二中间坐标系延所述第二中间坐标系中的Z轴方向平移
Figure 25148DEST_PATH_IMAGE002
，得到第三中间 坐标系，
Figure 829156DEST_PATH_IMAGE002
表示第i个轴相对第i-1个轴在轴线方向上的连杆偏距；
控制所述第三中间坐标系绕所述第二中间坐标系中的Z轴旋转
Figure 230181DEST_PATH_IMAGE003
，得到第四中间坐标 系，
Figure 43416DEST_PATH_IMAGE003
表示所述第一中间坐标系中的X轴绕所述第一中间坐标系中的Z轴转至与所述第一 中间坐标系中的X轴平行时的转角；
控制所述第四中间坐标系绕所述第四中间坐标系中的Y轴扭转
Figure 213498DEST_PATH_IMAGE004
，得到第i个轴坐标 系；
所述运动学参数包括扭角参数、关节转角和夹角，所述几何映射关系包括第一几何映射关系、第二几何映射关系和第三几何映射关系；所述根据每个轴的坐标向量和所述几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数，包括：
基于所述第一几何映射关系、所述第二几何映射关系和所述第三几何映射关系，根据所述第i个轴的Y轴向量和Z轴向量，以及第i-1个轴的X轴向量，分别确定所述第i个轴的扭角参数、关节转角和夹角；
所述第一几何映射关系为所述第i个轴的Z轴向量绕所述第i个轴的Y轴向量扭转扭角参数所指示的角度后垂直于所述第i-1个轴的X轴向量；所述第二几何映射关系为所述第i-1个轴的X轴向量绕中间向量ZQ旋转所述关节转角所指示的角度后，再绕所述第i个轴的Y轴向量扭转所述扭角参数所指示的角度，得到所述第i个轴的X轴向量；所述第三几何映射关系为所述第i-1个轴的Z轴向量绕所述第i-1个轴的X轴向量转动所述夹角所指示的角度后得到所述中间向量ZQ；所述中间向量ZQ的获取过程为对于第i个轴，使所述第i个轴的Zi向量绕所述第i个轴的Yi向量扭转所述扭角参数所指示的角度得到的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据每个轴的所述测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量，包括：
对于每个轴的所述测量数据集，根据所述轴的测量数据集拟合得到所述轴的旋转轴线；
获取末端法兰位置重复定位数据集，根据所述末端法兰位置重复定位数据集确定靶球零点；
根据所述靶球零点和每个轴的旋转轴线确定所述目标机器人的基坐标系和每个轴在所述基坐标系中的坐标向量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述靶球零点和每个轴的旋转轴线确定所述目标机器人的基坐标系和每个轴在所述基坐标系中的坐标向量，包括：
对于每个轴，根据所述靶球零点和每个轴的旋转轴线确定每个轴的原点；
根据每个轴的原点，根据所述原点指向相邻轴的原点的单位向量确定所述轴的X向量，根据所述原点沿所述旋转轴线向上的单位向量确定所述轴的Z向量；
根据每个轴的原点、X向量和Z向量确定每个轴在所述基坐标系中的坐标向量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述机器人包括第一轴、第二轴和第三轴，所述根据每个轴对应的旋转平面和旋转轴线确定所述目标机器人的基坐标系和每个轴在所述基坐标系中的坐标向量，包括：
对于所述第三轴，根据所述第二轴的原点和所述第二轴的Y向量确定过所述第二轴的原点且垂直于所述第二轴的Y向量的第一平面；
根据所述第三轴的原点和所述第三轴的Z向量确定过所述第三轴的原点且垂直于所述第三轴的Z向量的第二平面；
根据所述第一平面和所述第二平面的交线确定所述第三轴的X向量；
根据所述第三轴的原点、X向量和Z向量结合空间向量右手系法则确定所述第三轴的Y向量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述几何映射关系，根据所述第i个轴的Y轴向量和Z轴向量，以及第i-1个轴的X轴向量确定所述第i个轴的关节转角，包括：
基于所述第二几何映射关系，根据所述第i-1个轴的Xi-1向量、所述中间向量ZQ、所述第i个轴的Yi向量、所述扭角参数以及所述第i个轴的向量确定所述第i个轴的关节转角。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述几何映射关系，根据所述第i个轴的Y轴向量和Z轴向量，以及第i-1个轴的X轴向量确定所述第i个轴的夹角，包括：
对于第i个轴，获取所述第i-1个轴的Xi-1向量、Zi-1向量；
基于所述第三几何映射关系，根据所述第i-1个轴的Xi-1向量、Zi-1向量和所述中间向量ZQ确定所述第i个轴的夹角。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述运动学参数还包括所述连杆长度和所述连杆偏距。
8.一种机器人运动学参数标定装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取待标定的目标机器人的每个轴的测量数据集，所述测量数据集包括目标机器人的轴在按照预设程序运动过程中的空间位置；
确定模块，用于根据每个轴的所述测量数据集确定每个轴在目标机器人的基坐标系中的坐标向量；
参数标定模块，用于确定相邻轴之间的几何映射关系，根据每个轴的坐标向量和所述几何映射关系确定相邻轴之间的连杆的运动学参数；
其中，所述运动学参数包括扭角参数、关节转角和夹角，所述参数标定模块具体用于
对于第i-1个和第i个相邻轴，第i-1个轴和第i个轴之间的连杆为L，控制所述第i-1个轴延所述第i-1个轴坐标系中的X轴向量平移连杆L的连杆长度得到第一中间坐标系；
控制所述第一中间坐标系绕所述第一中间坐标系中的X轴向量旋转
Figure 719565DEST_PATH_IMAGE005
，得到第二中 间坐标系，
Figure 637580DEST_PATH_IMAGE005
表示所述第一中间坐标系中的Z轴绕所述第i个轴对应坐标系中的X轴转至 与所述第i个轴对应坐标系中的Z轴平行时的转角；
控制所述第二中间坐标系延所述第二中间坐标系中的Z轴方向平移
Figure 192190DEST_PATH_IMAGE006
，得到第三中间 坐标系，
Figure 279094DEST_PATH_IMAGE006
表示第i个轴相对第i-1个轴在轴线方向上的连杆偏距；
控制所述第三中间坐标系绕所述第二中间坐标系中的Z轴旋转
Figure 893746DEST_PATH_IMAGE007
，得到第四中间坐标 系，
Figure 269364DEST_PATH_IMAGE007
表示所述第一中间坐标系中的X轴绕所述第一中间坐标系中的Z轴转至与所述第一中 间坐标系中的X轴平行时的转角；
控制所述第四中间坐标系绕所述第四中间坐标系中的Y轴扭转
Figure 657358DEST_PATH_IMAGE008
，得到第i个轴坐标 系；所述几何映射关系包括第一几何映射关系、第二几何映射关系和第三几何映射关系；基 于所述第一几何映射关系、所述第二几何映射关系和所述第三几何映射关系，根据所述第i 个轴的Y轴向量和Z轴向量，以及第i-1个轴的X轴向量确定所述第i个轴的扭角参数、关节转 角和夹角；所述第一几何映射关系为所述第i个轴的Z轴向量绕所述第i个轴的Y轴向量扭转 扭角参数所指示的角度后垂直于所述第i-1个轴的X轴向量；所述第二几何映射关系为所述 第i-1个轴的X轴向量绕中间向量ZQ旋转所述关节转角所指示的角度后，再绕所述第i个轴 的Y轴向量扭转所述扭角参数所指示的角度，得到所述第i个轴的X轴向量；所述第三几何映 射关系为所述第i-1个轴的Z轴向量绕所述第i-1个轴的X轴向量转动所述夹角所指示的角 度后得到所述中间向量ZQ；所述中间向量ZQ的获取过程为对于第i个轴，使所述第i个轴的Zi 向量绕所述第i个轴的Yi向量扭转所述扭角参数所指示的角度得到的。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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