CN112692828B

CN112692828B - 机器人标定方法、系统、装置及存储介质

Info

Publication number: CN112692828B
Application number: CN202011511489.0A
Authority: CN
Inventors: 刘天华; 邓洪洁; 林俐; 高欢; 李生; 孙锐
Original assignee: Shanghai Step Robotics Co ltd
Current assignee: Shanghai Step Robotics Co ltd
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-08-19
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: CN112692828A

Abstract

本发明实施方式涉及机器人控制领域，公开了一种机器人标定方法、系统、装置及存储介质。机器人标定方法包括：控制机器人的工具末端N次接触预置的固定点，并获取每次接触中机器人的M个关节角度；根据N组关节角度获取固定点的位置信息；根据固定点的位置信息，N组关节角度及预置的工具中心点的第一位置信息，获取机器人的关节零点偏差；根据关节零点偏差对机器人的关节角度进行零点偏差补偿。本发明实施方式中，不用高精度设备对机器人末端进行测量并标定，只需要参考外界某固定端点获取关节角度，偏差的具体计算过程可由机器人自行完成，减少了在机器人标定过程中需要投入的人力和昂贵的设备投入，降低了机器人标定的成本。

Description

机器人标定方法、系统、装置及存储介质

技术领域

本发明实施方式涉及机器人控制领域，特别涉及机器人标定方法、系统、装置及存储介质。

背景技术

随着工业机器人广泛应用于需要精确定位的复杂任务中，例如弧焊、切割等场景，机器人的精度越来越重要。机器人运送至客户现场后，与机器人本身的机械结构有关的一些运动学参数一般不会发生太大的变化，然而因为装配或更换电机等行为导致机器人零点改变甚至丢失，对定位精度影响较大。

机器人标定是提高精度的有效途径，通常的做法是依靠高精度的设备来测量机器人末端执行器的姿态进行零点标定。然而，这个过程所涉及的高精度设备昂贵，并且需要投入时间和人力用于运输及安装。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种机器人标定方法、系统、装置及存储介质，减少机器人标定所需的外部设备，降低机器人标定过程中的成本及人力投入。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种机器人标定方法，包括以下步骤：

控制机器人的工具末端N次接触预置的固定点，并获取每次接触中所述机器人的M个关节角度；其中，所述N为不小于M的整数；

根据N组所述关节角度获取所述固定点的位置信息；其中，所述固定点的位置信息是指所述固定点在世界坐标中的位置信息；每组所述关节角度包括M个关节角度；

根据所述固定点的位置信息，N组所述关节角度及预置的工具中心点的第一位置信息，获取所述机器人的M个关节零点偏差；其中，所述预置的工具中心点的第一位置信息是指预置的所述机器人的工具中心点在法兰坐标系中的位置信息；

根据所述M个关节零点偏差对所述机器人的关节角度进行零点偏差补偿。

本发明的实施方式还提供了一种机器人标定系统，包括：

角度获取模块，用于控制机器人的工具末端N次接触预置的固定点，并获取每次接触中所述机器人的M个关节角度；其中，所述N为不小于M的整数；

位置计算模块，用于根据N组所述关节角度获取所述固定点的位置信息；其中，所述固定点的位置信息是指所述固定点在世界坐标中的位置信息；每组所述关节角度包括M个关节角度；

偏差获取模块，用于根据所述固定点的位置信息，N组所述关节角度及预置的工具中心点的第一位置信息，获取所述机器人的M个关节零点偏差；其中，所述预置的工具中心点的第一位置信息是指预置的所述机器人的工具中心点在法兰坐标系中的位置信息；

偏差补偿模块，用于根据所述M个关节零点偏差对所述机器人的关节角度进行零点偏差补偿。

本发明的实施方式还提供了一种机器人标定装置，包括：至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的机器人标定方法。

本发明的实施方式还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的机器人标定方法。

本发明实施方式相对于现有技术而言，控制机器人的工具末端N次接触预置的固定点获取N组所述关节角度，由测得的N组关节角度出发，获取计算得到的固定点的位置信息，并根据关节角度、固定点的位置信息及工具中心点的位置信息得到关节零点偏差，采用该关节零点偏差对机器人进行标定。不需要高精度设备对机器人末端进行测量并标定，只需要参考外界某固定端点获取关节角度，减少了在机器人标定过程中需要投入的人力和昂贵的设备，降低了机器人标定的成本。

另外，根据所述工具中心点的第一位置信息和所述N组关节角度，获取N个所述工具中心点的第二位置信息；其中，所述工具中心点的第二位置信息为所述工具中心点在世界坐标系中的位置信息；根据所述工具中心点的第二位置信息与所述固定点的位置信息，获取N组差值；根据所述N组差值，获取所述机器人的关节零点偏差。通过预置的工具中心点的法兰坐标和测得的角度值，计算出工具中心点的世界坐标，由于最初测量角度值时将工具末端与预置固定点重合，即若无误差，工具中心点的世界坐标信息应与预置固定点的世界坐标信息一致；以此来计算关节的零点误差，使得关节零点误差计算所需要的参数容易获取，且计算过程简便。

附图说明

一个或多个实施方式通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施方式的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明第一实施方式中提供的机器人标定方法的流程图；

图2是根据本发明第二实施方式中提供的机器人标定方法的流程图；

图3是根据本发明第三实施方式中提供的系统的示意图；

图4是根据本发明第四实施方式中提供的机器人标定装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。以下各个实施方式的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施方式在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本发明实施方式中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本发明的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明的第一实施方式涉及一种机器人标定方法，具体流程如图1所示。

步骤101，控制机器人的工具末端N次接触预置的固定点，并获取每次接触中机器人的M个关节角度；其中，N为不小于M的整数；

步骤102，根据N组关节角度获取固定点的位置信息；其中，固定点的位置信息是指固定点在世界坐标中的位置信息；每组关节角度包括M个关节角度；

步骤103，根据固定点的位置信息，N组关节角度及预置的工具中心点的第一位置信息，获取机器人的M个关节零点偏差；其中，预置的工具中心点的第一位置信息是指预置的机器人的工具中心点在法兰坐标系中的位置信息；

步骤104，根据M个关节零点偏差对机器人的关节角度进行零点偏差补偿。

本实施方式中，控制机器人的工具末端N次接触预置的固定点获取N组关节角度，由测得的N组关节角度出发，获取计算得到的固定点的位置信息，并根据关节角度、固定点的位置信息及工具中心点的位置信息得到关节零点偏差，采用该关节零点偏差对机器人进行标定。不需要高精度设备对机器人末端进行测量并标定，只需要参考外界某固定端点获取关节角度，减少了在机器人标定过程中需要投入的人力和昂贵的设备支出，降低了机器人标定的成本。

下面对本实施方式的机器人标定方法的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

在步骤101中，控制机器人的工具末端N次接触预置的固定点，并获取每次接触中机器人的M个关节角度，N为不小于M的整数。在一个例子中，优选的，机器人为六轴机器人，M为6。预置的固定点，例如：标定针针尖、桌角或平面端点等，能够约束工具末端的点即可。例如，预置的固定点为标定针针尖，控制机器人的工具末端六次接近标定针针尖，获取六组关节角度，每组包含6个关节角度。

在步骤102中，采用上述获取的N组关节角度以获取固定点的位置信息，固定点的位置信息是指固定点在世界坐标中的位置信息。具体为，根据N组关节角度，获取N组关节角度分别对应的N个法兰中心点的位置信息；根据N个法兰中心点的位置信息，获取固定点的位置信息。

在一个例子中，获取了六组关节角度，每组中包含6个角度值。以其中一组关节角度为例，共

6个关节角度，由于存在关节零点误差，假设关节零点误差为δ_i(i＝1.2...6)即

θ_i为无关节零点误差的标准值。为了使由关节角度获取固定点的位置信息过程容易理解，以下进行举例说明：

根据关节角度，得出每组关节角度分别对应的法兰中心点：根据DH参数的变换矩阵为

表示第i关节转换到第i-1关节的过程参数。其中，c为cos，s为sin，d为预置的关节间距离，a为预置的连杆长度，α为预置的连杆扭角，将一组关节角度带入后，得到

六组变换矩阵，又通过

计算得到

矩阵，其中

而(p_x,p_y,p_z)为法兰中心在世界坐标系中的位置。至此，由一组关节角度得到了该组关节角度对应的法兰中心点在世界坐标系中的位置信息；所以由步骤101例子中获取的六组关节角度值能够得到对应的六个法兰中心点的位置信息。

得到的六个法兰中心点均位于以预置固定点为球心的球体上，空间球的方程为(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²＝R²，展开方程得x²+y²+z²+a²+b²+c²-2ax-2by-2cz＝R²，A＝2a

B＝2b

C＝2c

令D＝a²+b²+c²-R²，即上述方程转化为Ax+By+Cz-D＝x²+y²+z²；写为矩阵形式为

其中，(x,y,z)为球心坐标，(a,b,c)为球面上点的坐标，即由上述算出的六个法兰中心点的位置信息；可将获取的六个法兰中心点的位置信息作为球面点的坐标代入，利用最小二乘法求解上述线性化方程Ax＝b的问题，得到球心_e0P(x,y,z)的坐标，即得到预置固定点的位置信息。

在步骤103中，根据预置的工具中心点的第一位置信息和测量得到的N组关节角度，获取N个工具中心点的第二位置信息；工具中心点的第二位置信息为工具中心点在世界坐标系中的位置信息；根据工具中心点的第二位置信息与在步骤102中获取的固定点的位置信息，获取N组差值；根据N组差值，获取机器人的M个关节零点偏差。

在一个例子中，根据

获取工具中心点的第二位置信息。其中，P_i'为工具中心点在世界坐标系中的位置信息，

为工具中心点转换到第六关节的变换矩阵，由于工具中心点在法兰坐标系中的位置信息是预置值，第六关节为法兰坐标原点，即

参数均已知，为常数；

为预置的工具中心点在法兰坐标系中的位置信息。

P_i'为工具中心点在世界坐标系中的位置信息，

为预置固定点在世界坐标系中的位置信息，由于在最初检测关节角度时是将工具末端接触预置的固定点，且工具末端为机器人的工具中心点，即如果不存在关节的零点偏差，N个P_i'与

的位置信息理论上相同。工具中心点的第二位置信息与固定点的位置信息获取N组差值；根据N组差值，获取使得机器人的关节零点偏差，其中

存在一组δ_i(i＝1.2...6)，使得得到的N组y值均接近零点，则该组δ_i为所求的关节零点偏差。

优选的，计算过程中考虑球心

坐标中包含由关节零点偏差引起误差，使得零点偏差的计算结果更准确。

在步骤104中，根据M个关节零点偏差对机器人的关节角度进行零点偏差补偿。根据获取的关节零点误差值，移动机器人的各关节，使得机器人的关节值校正为标准零点。

在本实施方式中，根据测得的N组关节角度，得到用于进行标定约束的固定点的位置信息，并根据关节角度、固定点的位置信息及工具中心点的位置信息得到关节零点偏差，采用该关节零点偏差对机器人进行标定。只需要外部提供用于进行标定约束的固定点，其余计算处理过程可以由机器人本体执行，或以通信连接的形式置于机器人体外的简易计算装置完成；不需要高精度设备对机器人末端进行标定，减少了在机器人标定过程中需要投入的人力和昂贵的设备支出，降低了机器人标定的成本。

本发明的第二实施方式涉及一种机器人标定方法，具体流程如图2所示。

步骤201，控制机器人的工具末端N次接触预置的固定点，并获取每次接触中机器人的M个关节角度；其中，N为不小于M的整数；

步骤202，根据N组关节角度获取固定点的位置信息；其中，固定点的位置信息是指固定点在世界坐标中的位置信息；

步骤203，根据固定点的位置信息，N组关节角度及预置的工具中心点的第一位置信息，获取机器人的M个关节零点偏差；其中，预置的工具中心点的第一位置信息是指预置的机器人的工具中心点在法兰坐标系中的位置信息，预置的第一位置信息与实际第一位置信息存在工具偏差；

步骤204，根据M个关节零点偏差对机器人的关节角度进行零点偏差补偿。

本实施方式中步骤201、步骤202、步骤204与第一实施方式大致相同，为避免重复不再赘述，主要区别在于步骤203，以下对步骤203进行详细叙述。

在步骤203中，根据固定点的位置信息，N组关节角度及预置的工具中心点的第一位置信息，获取机器人的关节零点偏差。在一个例子中，由于机器人在标定过程中的动作，使得末端工具发生移位，实际的工具中心点的第一位置信息与预置的工具中心点的第一位置信息存在工具偏差；由于位置信息为三维坐标系中的坐标值，工具中心所在坐标系为三维坐标，坐标方向为3，即存在三个工具偏差(Δx,Δy,Δz)，共增加三个未知数，在步骤201进行关节角度获取时N为不小于M+3的整数。

在一个例子中，根据

获取工具中心点的第二位置信息。其中，P_i”为工具中心点在世界坐标系中的位置信息，

为工具中心点转换到第六关节的变换矩阵，

为预置的工具中心点在法兰坐标系中的位置信息，

P_i”为工具中心点在世界坐标系中的位置信息，

为预置固定点在世界坐标系中的位置信息，由于在最初检测关节角度时是将工具末端接触预置的固定点，且工具末端为工具中心点，即如果不存在关节的零点偏差，N个P_i”与

存在一组δ_i(i＝1.2...6)和(Δx,Δy,Δz)，使得得到的N组y值均接近零点，则为关节零点偏差。

在本实施方式中，考虑由于外界因素影响，会存在工具偏差，在进行关节角度获取时提高了角度测量组数的最低限度，获取的关节角度组数不小于关节角度个数与未知工具偏差个数的和；并且将未知的工具偏差代入具体计算过程，使得对于关节零点偏差的计算更加精确，优化了机器人标定结果。

此外，本领域技术人员可以理解，上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第三实施方式涉及一种系统，如图3所示，包括：

角度获取模块301，用于控制机器人的工具末端N次接触预置的固定点，并获取每次接触中机器人的M个关节角度；其中，N为不小于M的整数；

位置计算模块302，用于根据N组关节角度获取固定点的位置信息；其中，固定点的位置信息是指固定点在世界坐标中的位置信息；

偏差获取模块303，用于根据固定点的位置信息，N组关节角度及预置的工具中心点的第一位置信息，获取机器人的关节零点偏差；其中，预置的工具中心点的第一位置信息是指预置的机器人的工具中心点在法兰坐标系中的位置信息；

偏差补偿模块304，用于根据关节零点偏差对机器人的关节角度进行零点偏差补偿。

对于角度获取模块301，机器人为六轴机器人；M为6。预置的固定点，例如：标定针针尖或桌角。

对于位置计算模块302，根据N组关节角度，获取N组关节角度分别对应的N个法兰中心点的位置信息；根据N个法兰中心点的位置信息，获取固定点的位置信息。

对于偏差获取模块303，根据工具中心点的第一位置信息和N组关节角度，获取N个工具中心点的第二位置信息；其中，工具中心点的第二位置信息为工具中心点在世界坐标系中的位置信息；根据工具中心点的第二位置信息与固定点的位置信息，获取N组差值；根据N组差值，获取机器人的关节零点偏差。

在一个例子中，预置的工具中心点的第一位置信息存在k个工具偏差；其中，工具偏差是指工具中心点在法兰坐标系中的位置偏差，k为工具中心点所在坐标系的坐标方向个数；N为不小于M+k的整数；根据固定点的位置信息，N组关节角度及预置的工具中心点的第一位置信息，获取机器人的M个关节零点偏差时，还包括：获取k个工具偏差值。

由测得的N组关节角度出发，获取计算得到的固定点的位置信息，并根据关节角度、固定点的位置信息及工具中心点的位置信息得到关节零点偏差，采用该关节零点偏差对机器人进行标定。不需要高精度设备对机器人末端进行测量并标定，只需要参考外界某固定端点获取关节角度，偏差的具体计算过程可由机器人自行完成，减少了在机器人标定过程中需要投入的人力和昂贵的设备支出，降低了机器人标定的成本。

不难发现，本实施方式为与上述实施方式相对应的系统实施方式，本实施方式可与上述实施方式互相配合实施。上述实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在上述实施方式中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明第四实施方式涉及一种机器人标定装置，如图4所示，包括至少一个处理器401；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器402；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的机器人标定方法。

本实施方式所提供的机器人标定装置，可置于机器人本体；或以通信连接的形式置于机器人体外，不需要高精度测量计算元件，制作成本较低。

其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。

处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。

本发明第五实施方式涉及一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序。计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施方式。

即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施方式，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种机器人标定方法，其特征在于，包括：

根据所述M个关节零点偏差对所述机器人的关节角度进行零点偏差补偿；

其中，所述根据所述N组关节角度获取所述固定点的位置信息，包括：根据所述N组关节角度，获取所述N组关节角度分别对应的N个法兰中心点的位置信息；根据所述N个法兰中心点的位置信息，获取所述固定点的位置信息；

所述根据所述固定点的位置信息，N组所述关节角度及预置的工具中心点的第一位置信息，获取所述机器人的M个关节零点偏差，包括：根据所述工具中心点的第一位置信息和所述N组关节角度，获取N个所述工具中心点的第二位置信息；其中，所述工具中心点的第二位置信息为所述工具中心点在世界坐标系中的位置信息；根据所述工具中心点的第二位置信息与所述固定点的位置信息，获取N组差值；根据所述N组差值，获取所述机器人的M个关节零点偏差。

2.根据权利要求1所述的机器人标定方法，其特征在于，所述机器人为六轴机器人；所述M为6。

3.根据权利要求1所述的机器人标定方法，其特征在于，所述预置的工具中心点的第一位置信息存在k个工具偏差；其中，所述工具偏差是指所述工具中心点在所述法兰坐标系中的位置偏差，所述k为所述工具中心点所在坐标系的坐标方向个数；

所述N为不小于M+k的整数；

所述根据所述固定点的位置信息，N组所述关节角度及预置的工具中心点的第一位置信息，获取所述机器人的M个关节零点偏差时，还包括：

获取所述k个工具偏差值。

4.根据权利要求1所述的机器人标定方法，其特征在于，所述固定点，包括：标定针针尖或桌角。

5.一种机器人标定系统，其特征在于，包括：

位置计算模块，用于根据N组所述关节角度获取所述固定点的位置信息；其中，所述固定点的位置信息是指所述固定点在世界坐标中的位置信息；每组所述关节角度包括M个关节角度；所述根据所述N组关节角度获取所述固定点的位置信息，包括：根据所述N组关节角度，获取所述N组关节角度分别对应的N个法兰中心点的位置信息；根据所述N个法兰中心点的位置信息，获取所述固定点的位置信息；

偏差获取模块，用于根据所述固定点的位置信息，N组所述关节角度及预置的工具中心点的第一位置信息，获取所述机器人的M个关节零点偏差；其中，所述预置的工具中心点的第一位置信息是指预置的所述机器人的工具中心点在法兰坐标系中的位置信息；所述根据所述固定点的位置信息，N组所述关节角度及预置的工具中心点的第一位置信息，获取所述机器人的M个关节零点偏差，包括：根据所述工具中心点的第一位置信息和所述N组关节角度，获取N个所述工具中心点的第二位置信息；其中，所述工具中心点的第二位置信息为所述工具中心点在世界坐标系中的位置信息；根据所述工具中心点的第二位置信息与所述固定点的位置信息，获取N组差值；根据所述N组差值，获取所述机器人的M个关节零点偏差；

6.一种机器人标定装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至4中任一所述的机器人标定方法。

7.一种计算机可读存储介质，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4中任一项所述的机器人标定方法。