CN112304218A - 工业机器人的工具中心点位置标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业机器人的工具中心点位置标定方法及系统，属于工业机器人标定技术领域，本发明的标定方法通过五个点测量得到法兰末端坐标系在激光跟踪仪下的变换矩阵，之后无论给机器人安装何种工具，都只需要利用跟踪仪再测得一个点，即固定在工具上的靶球位置，就能解算TCP位置，有效提高了标定的效率。由于本发明的方法不需要控制机器人运动，只需要利用激光跟踪仪测得法兰盘上的多个位置，就能完成TCP的位置标定，大大简化了标定过程；并且，由于无需机器人运动，也避免了机器人的位置误差引入标定过程，提高了标定精度。

Description

工业机器人的工具中心点位置标定方法及系统

技术领域

本发明属于工业机器人标定技术领域，具体涉及工业机器人的工具中心点位置标定方法 及系统。

背景技术

工业机器人具有高精度、稳定性好，效率高等特点而被广泛应用于各个领域，但是由于 汽车装配等领域对机器人的精度要求非常高，工业机器人在进行不同的任务作业时，要在机 器人法兰末端安装不同的工具，需要根据不同的工具建立不同的工具坐标系，工具坐标系的 原点定义为工具中心点(TCP)，工业机器人要进行精确的任务作业时，需要确定TCP的位 置，即TCP在法兰末端坐标系下的位置。

目前，工业机器人的TCP标定方法主要有以下两种：

第一种方法是不借助外界设备，基于机器人本体进行TCP位置标定，存在的问题是TCP标定精度不高，无法满足部分高精度作业任务。如作者牛雪娟等人在期刊《自动化与仪表》上发明的名称为《基于奇异值分解的机器人工具坐标标定》的论文中，通过三点五步法实现了工具坐标系标定，但标定精度无法保证。

第二种方法是基于外界测量设备(如激光跟踪仪)进行TCP位置标定，例如作者向民 志等人在期刊《航空制造技术》上发表的名称为《激光跟踪仪与机器人坐标系转换方法研 究》的论文中指出，利用距离约束原则，即空间中两点在基坐标系下和跟踪仪坐标系下的距 离不变的关系，求解TCP在法兰末端坐标系下的坐标。该方法的缺点是，由于需要控制机 器人运动多个位置，标定过程中很容易引起位置误差，降低了标定精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种工业机器人的工具中心点位置标定方法，用于解决现有标定方 法精度低的问题；同时，本发明提出一种工业机器人的工具中心点位置标定系统，以解决现 有标定方法精度低的问题。

基于上述目的，一种工业机器人的工具中心点位置标定方法的技术方案如下：

1)测量机器人末端法兰的三个孔位置处靶球的球心坐标，三个孔位置处靶球的球心位 于同一个圆上，根据测得靶球的球心坐标确定出第一平面方程，结合靶球球心与圆心之间的 圆心方程，计算出圆心的坐标；根据所述第一平面方程和所述圆心的坐标，计算经过所述圆 心且垂直与第一平面的法线方程，从而确定出法兰坐标系的Z轴方向向量；

2)测量机器人末端法兰盘平面上靶球的球心坐标，定义过球心且平行于第一平面的平 面为第二平面，结合第一平面和第二平面的平行关系，计算第二平面方程，进而计算出第一 平面与第二平面之间的距离；根据该距离以及第二平面与法兰盘平面间的距离，求出第一平 面α₂与法兰盘平面α₁之间的距离，根据该距离结合所述第一平面的法线方程，计算法兰坐 标系的原点坐标；

3)测量法兰盘平面上位置L处放置的靶球的球心坐标，所述法兰盘的中心到位置L处 的方向为法兰坐标系的X轴方向，由于步骤1中所求的圆心坐标到L处靶球球心坐标的方向与X轴方向平行，因此根据位置L处靶球的球心坐标和所述圆心的坐标(这里涉及到 “步骤1)中所求的圆心坐标到L处靶球球心坐标的方向”与法兰盘中心到位置L的方向平 行，因此X轴正方向的求解变成了圆心坐标到L处靶球球心坐标的方向)，计算出法兰坐标 系的X轴方向向量，并结合Z轴方向向量，求出法兰坐标系的Y轴方向向量；

4)根据法兰坐标系的原点坐标以及X轴、Y轴、Z轴方向向量，计算得到法兰坐标系与测量仪器坐标系的位姿变换矩阵；

5)法兰末端安装工具后测量固定在工具上的靶球球心坐标，利用所述位姿变换矩阵， 将该球心坐标变换至法兰坐标系下，得到工具中心点在法兰坐标系下的坐标。

一种工业机器人的工具中心点位置标定系统的技术方案如下：

包括坐标测量仪器、存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行 的计算机程序，所述处理器采集连接所述坐标测量仪器，所述坐标测量仪器用于按照上述的 方法测量各靶球的球心坐标，并将各靶球的球心坐标测量信息发送给处理器，所述处理器与 所述存储器相耦合，所述处理器在执行所述计算机程序时按照上述的方法实现工具中心点的 位置标定计算。

上述两个技术方案的有益效果是：

本发明的标定方法通过五个点测量得到标定法兰末端坐标系在激光跟踪仪下的位姿变换 矩阵，之后无论给机器人安装何种工具，都只需要利用跟踪仪测得一个点，即固定在工具上 的靶球位置，就能解算TCP位置，即只需要测量六个点即可实现TCP位置标定，有效提高 了标定的效率。由于本发明的方法不需要控制机器人运动，只需要利用激光跟踪仪测得法兰 盘上的多个位置，就能完成TCP的位置标定，大大简化了标定过程；并且，由于无需机器 人运动，也避免了机器人的位置误差引入标定过程，提高了标定精度。

进一步的，所述第一平面方程如下：

Ax+By+Cz+d₁＝0

式中，A、B、C、d₁均为第一平面方程的参数。

进一步的，所述圆心方程如下：

式中，(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)为三个孔位置处靶球的球心坐标，R为靶球球心 到圆心的距离，(x,y,z)为待求的圆心坐标。

进一步的，所述第一平面的法线方程如下：

式中，(x₄,y₄,z₄)为步骤1)计算出的圆心的坐标。

进一步的，根据法兰盘上放置的靶球球心坐标，结合第一平面和第二平面的平行关系， 所述第二平面的平面方程以及第一平面与第二平面间的距离计算式如下：

α₃：Ax+By+Cz+d₂＝0

d＝|d₁-d₂|

式中，A、B、C、d₂均为第二平面方程的参数；d为第一平面与第二平面之间的距离。

进一步的，所述第一平面与法兰盘平面之间的距离计算式如下：

s＝r-d

式中，s为第一平面与法兰盘平面之间的距离，r为第二平面与法兰盘平面之间的距离 (即靶球的半径)，d为第一平面与第二平面之间的距离。

进一步的，所述法兰坐标系的原点坐标为

其中， A、B、C、x₄、y₄、z₄均为第一平面的法线方程中的参数。

附图说明

图1是本发明方法实施例中的工具中心点位置标定方法流程图；

图2是本发明方法实施例中的工业机器人的法兰盘平面图；

图3是本发明方法实施例中在机器人末端法兰盘平面上A位置处固定靶球的位置示意 图；

图4是本发明方法实施例中的第一平面、第二平面和法兰盘平面之间的位置关系图；

图5是本发明系统实施例中的标定系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

方法实施例：

本实施例提出一种工业机器人的工具中心点位置标定方法，利用激光跟踪仪进行六点测 量，进而标定出TCP在法兰坐标系下的坐标，其实现思路为：如图1所示，首先，根据法 兰盘的结构设计，通过法兰上三个孔处的靶球坐标确定出的第一平面方程，结合靶球坐标确 定的圆心O₁的坐标，利用轴线测量法得到经过圆心O₁且垂直于第一平面α₂的法线l₁的方 程，从而确定出法兰坐标系的Z轴方向向量；

然后，通过测量法兰盘平面上的靶球坐标，结合第一平面和第二平面的平行关系，确定 第二平面方程，之后计算第二平面α₃与第一平面α₂之间的距离，进而求出第一平面α₂与法 兰盘平面α₁之间的距离s，结合求得的圆心O₁的坐标，通过空间几何的方法解算出法兰坐标 系的原点O坐标；然后，根据圆心O₁的坐标和位置L处靶球的位置关系，得到法兰坐标系 的X轴方向向量，结合Z轴方向向量求出Y轴方向向量；

最后，根据上面求得的X轴、Y轴、Z轴方向向量，以及法兰坐标系的原点坐标，通过计算得到法兰坐标系与跟踪仪坐标系的位姿变换矩阵，只需要再测一个点，即固定在工具上 的靶球位置，就可以通过该变换矩阵，计算得到TCP在法兰坐标系下的位置。

下面以工业机器人ABB IRB 2600为例，介绍本发明工具中心点位置标定方法的具体实 现过程：

机器人的法兰盘平面如图2所示，小孔1,2…6均匀分布，相邻两孔间的夹角为60°，法 兰盘圆心O到小孔7(即位置L处)的圆心方向为法兰坐标系的X轴正方向，定义法兰盘所在的平面为α₁。

步骤一，将靶球依次放在机器人末端法兰的三个孔1、3、5的位置处，使靶球的球心位 于同一个圆上，圆心为O₁，靶球的球心依次为O_o1、O_o2、O_o3，球心所在的平面为α₂。然 后，利用激光跟踪仪分别测量靶球的球心坐标，三个球心坐标依次为 (x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)。

根据测得的靶球球心坐标O_o1、O_o2、O_o3，计算得到球心O_o1、O_o2、O_o3所在的平面方程α₂和圆心O₁的位置，计算式如下：

整理得到，平面α₂的一般方程为

α₂:Ax+By+Cz+d₁＝0 (3)

根据上面确定的第一平面方程，结合圆心O₁的坐标(x₄,y₄,z₄)，计算出经过圆心O₁且垂 直于第一平面α₂的法线l₁的方程，计算式如下：

根据该法线方程确定法兰坐标系的Z轴单位方向向量，即Z轴单位方向向量即为法线l₁的单位方向向量，计算式如下：

步骤二，将靶球放在法兰盘平面任意位置处(如图3中A位置处)，跟踪仪测得靶球球 心坐标为O_o4，设过O_o4且平行于平面α₂的平面为第二平面α₃。根据第一平面方程和O_o4的位置，确定出第二平面方程α₃，计算式如下：

α₃：Ax+By+Cz+d₂＝0 (6)

根据上面求得的第一平面方程和第二平面方程，计算第一平面α₂与第二平面α₃之间的 距离d，结合第二平面α₃与法兰盘平面α₁之间的距离(即靶球半径r)，计算出第一平面与法 兰平面之间的距离s，计算式如下：

d＝|d₁-d₂| (7)

s＝r-d (8)

如图4所示，由于法线l₁与平面α₁和α₃的交点分别为O,B，O点为法兰盘的中心，即法兰末端坐标系的原点。因此，根据法线l₁的方程和圆心O₁的坐标，结合第一平面与法兰平 面之间的距离s，计算出法兰盘中心O的坐标，即

再 根据跟踪仪与法兰盘实际的相对位置关系，取O点坐标的唯一解，例如，法兰盘位于激光 跟踪仪的X轴正方向一侧时，x₄的值为正值，此时

步骤三，将靶球放置在第七个小孔处，用激光跟踪仪测量该靶球的球心坐标位置O₀₇(x₇,y₇,z₇)，由于步骤1中求得的圆心O₁到靶球球心O₀₇的方向与法兰坐标系的X轴正方向平行，因此结合圆心O₁的坐标，得到法兰坐标系的X轴正方向向量

对该方向向量单 位化处理，确定法兰坐标系的X轴单位方向向量，计算式如下：

根据右手定则，结合法兰坐标系的X轴、Z轴单位方向向量，计算出Y轴单位方向向量，计算式如下：

步骤四，根据上述得到的法兰坐标系的X轴、Y轴、Z轴单位方向向量，再通过施密特正交化得到法兰末端坐标系的三轴正交单位向量(n_x,n_y,n_z)。已知末端法兰坐标系原点O和(n_x,n_y,n_z)，进而得到末端法兰坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵

计算式如下：

步骤五，在机器人法兰末端安装上工具，将靶球固定在工具上，用激光跟踪仪测量该靶 球的球心坐标(球心即工具中心点)，结合法兰坐标系到跟踪仪坐标系的变换矩阵，计算出 TCP(工具中心点)在法兰末端坐标系下的坐标，计算式如下：

^LP＝[n_x n_y n_z]·^EP+O (12)

式中，LP，EP,O均为3×1向量，EP为待求量。其中LP中的元素表示TCP在跟踪仪坐标系下的坐标，EP中的元素表示TCP在法兰末端坐标系下的坐标，由此，TCP位置标定完 成。

本发明的工具中心点位置标定方法，与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本发明的方法不需要控制机器人运动，只需要利用激光跟踪仪测得法兰盘上的多 个位置，就能完成TCP的位置标定，大大简化了标定过程；并且，由于无需机器人运动，也避免了机器人的位置误差引入标定过程，提高了标定精度。

(2)通过五个点测量得到法兰末端坐标系在激光跟踪仪下的变换矩阵，之后无论给机 器人安装何种工具，都只需要利用跟踪仪测得一个点，即固定在工具上的靶球位置，就能解 算TCP位置。即只需测量六个点就可实现TCP位置标定，有效提高了标定的效率。

本发明的标定方法，不仅适用于本实施例提到的工业机器人ABB IRB 2600，对于末端 法兰盘中存在三个小孔用于放置靶球以确定第一平面的工业机器人也同样适用。

系统实施例：

本实施例提出一种工业机器人的工具中心点位置标定系统，用于实现工业机器人的TCP (工具中心点)位置标定，该标定系统包括坐标测量仪器、存储器和处理器，以及存储在存 储器上并在处理器上运行的计算机程序，处理器采集连接坐标测量仪器，坐标测量仪器，承 担测量任务，用于按照方法实施例中的方法对靶球的球心坐标进行测量，并将靶球的球心坐 标测量信息发送给处理器；而处理器承担计算任务，即处理器与存储器相耦合，处理器用于 运行存储在存储器中的程序指令，以实现方法实施例中的工具中心点位置标定方法的相关计 算，由于该方法在方法实例中的记载已经足够清楚、完整，本实施例不再赘述。

也就是说，以上方法实施例中的方法应理解可由计算机程序指令实现工具中心点位置标 定方法的流程。可提供这些计算机程序指令到处理器(如通用计算机、专用计算机、嵌入式 处理机或其他可编程数据处理设备等)，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方 法流程所指定的功能。

具体的，如图5所示的标定系统，该标定系统可因配置或性能不同而产生比较大的差 异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，CPU)和存储器，一个或一个以 上存储应用程序或数据的存储介质。其中，存储器和存储介质可以是短暂存储或持久存储。 存储在存储介质的程序可以包括一个或一个以上模块(图示没标出)，每个模块可以包括对数 据处理设备中的一系列指令操作。更进一步地，处理器可以设置为与存储介质通信，在主端 机器人控制装置上执行存储介质中的一系列指令操作。

本实施例的标定系统，还包括一个或一个以上电源，一个或一个以上有线或无线网络接 口；一个或一个以上输入输出接口，其中输入输出接口用于采集连接坐标测量仪器(例如激 光跟踪仪)，以获取各靶球的位置信息(即靶球坐标)；还包括一个或一个以上操作系统。例 如，Windows ServerTM，Mac OS XTM，UnixTM，LinuxTM，FreeBSDTM等。

本实施例所指的处理器是指微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置。

本实施例所指的存储器包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用 电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。例如：利用电能方式存储信息的各式存储器， RAM、ROM等；利用磁能方式存储信息的各式存储器，硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、 磁泡存储器、U盘；利用光学方式存储信息的各式存储器，CD或DVD。当然，还有其他方 式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。

作为其他实施方式，本实施例的标定装置还可以包括显示器，显示器用于显示各种处理 的中间数据及结果数据，例如法兰坐标系到跟踪仪坐标系的变换矩阵、TCP在跟踪仪坐标系 下的坐标等。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等 同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种工业机器人的工具中心点位置标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量机器人末端法兰的三个孔位置处靶球的球心坐标，三个孔位置处靶球的球心位于同一个圆上，根据测得靶球的球心坐标确定出第一平面方程，结合靶球球心与圆心之间的圆心方程，计算出圆心的坐标；根据所述第一平面方程和所述圆心的坐标，计算经过所述圆心且垂直与第一平面的法线方程，从而确定出法兰坐标系的Z轴方向向量；

2)测量机器人末端法兰盘平面上靶球的球心坐标，定义过球心且平行于第一平面的平面为第二平面，结合第一平面和第二平面的平行关系，计算第二平面方程，进而计算出第一平面和第二平面之间的距离；根据该距离以及第二平面与法兰盘平面间的距离，求出第一平面与法兰盘平面之间的距离，根据该距离结合所述第一平面的法线方程，计算法兰坐标系的原点坐标；

3)测量法兰盘平面上位置L处放置的靶球的球心坐标，所述法兰盘的中心到位置L处的方向为法兰坐标系的X轴方向，由于步骤1中所求的圆心坐标到L处靶球球心坐标的方向与X轴方向平行，因此根据位置L处靶球的球心坐标和所述圆心的坐标，计算出法兰坐标系的X轴方向向量，并结合Z轴方向向量，求出法兰坐标系的Y轴方向向量；

4)根据法兰坐标系的原点坐标以及X轴、Y轴、Z轴方向向量，计算得到法兰坐标系与测量仪器坐标系的位姿变换矩阵；

5)法兰末端安装工具后测量固定在工具上的靶球球心坐标，利用所述位姿变换矩阵，将该球心坐标变换至法兰坐标系下，得到工具中心点在法兰坐标系下的坐标。

2.根据权利要求1所述的工业机器人的工具中心点位置标定方法，其特征在于，所述第一平面方程如下：

Ax+By+Cz+d₁＝0

式中，A、B、C、d₁均为第一平面方程的参数。

3.根据权利要求1所述的工业机器人的工具中心点位置标定方法，其特征在于，所述圆心方程如下：

式中，(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)为三个孔位置处靶球的球心坐标，R为圆心到靶球球心的距离，(x,y,z)为待求的圆心坐标。

4.根据权利要求2所述的工业机器人的工具中心点位置标定方法，其特征在于，所述第一平面的法线方程如下：

式中，(x₄,y₄,z₄)为步骤1)计算出的圆心的坐标。

5.根据权利要求2所述的工业机器人的工具中心点位置标定方法，其特征在于，根据法兰盘上放置的靶球球心坐标，结合第一平面和第二平面的平行关系，所述第二平面的平面方程以及第一平面与第二平面间的距离计算式如下：

Ax+By+Cz+d₂＝0

d＝|d₁-d₂|

式中，A、B、C、d₂均为第二平面方程的参数；d为第一平面与第二平面间的距离。

6.根据权利要求5所述的工业机器人的工具中心点位置标定方法，其特征在于，所述第一平面与法兰盘平面之间的距离计算式如下：

s＝r-d

式中，s为第一平面与法兰盘平面之间的距离，r为第二平面与法兰盘平面之间的距离，d为第一平面与第二平面之间的距离。

7.根据权利要求6所述的工业机器人的工具中心点位置标定方法，其特征在于，所述法兰坐标系的原点坐标为

其中，A、B、C、x₄、y₄、z₄均为第一平面的法线方程中的参数。

8.一种工业机器人的工具中心点位置标定系统，包括坐标测量仪器、存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器采集连接所述坐标测量仪器，所述坐标测量仪器用于按照权利要求1-7任一项所述的方法测量各靶球的球心坐标，并将各靶球的球心坐标测量信息发送给处理器，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器在执行所述计算机程序时按照如权利要求1-7任一项所述的方法实现工具中心点的位置标定计算。

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