CN112815887B - 一种工业机器人末端工具坐标系标定方法 - Google Patents

一种工业机器人末端工具坐标系标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种工业机器人末端工具坐标系标定方法，建立所述第一标定针的第一工具坐标系T1，通过第一工具坐标系T1计算第二工具坐标系T2，通过第一工具坐标系T1和第二工具坐标系T2中的多个点计算出第三工具坐标系中Z坐标位置值，用所述第三工具坐标系中Z坐标位置值替换所述第二工具坐标系T2中Z坐标位置值，从而得到第一标定针的所述第三工具坐标系T3，记录机器人在所述第三坐标系T3下的位置，将所述第一标定针替换为生产工具，计算出所述生产工具的工具坐标系T4，本方法相比与传统的四点法校正工具坐标系的方法精度高，对复杂的生产工具的工具坐标系校准，操作简单，精度高。

Description

一种工业机器人末端工具坐标系标定方法
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，特别涉及一种工业机器人末端工具坐标系标定方法。
背景技术
工业机器人TCP(Tool Center Point)校准指的是校准工具中心点在机器人末端坐标系下的位置。一般情况下TCP校准常用的是“四点法”，在该方法的校准过程中，操作者操作机器人以多个姿态(通常为四个)使机器人工具中心点达到工业机器人工作空间的某一固定点，从而利用约束关系得到TCP的校准结果。这种方法得到的TCP往往精度不高，而且对复杂工具很难实现。而其它的公开校准复杂工具的工具坐标系的方法往往需要高精度复杂的校准设备参与，对于机器人调试来说往往费时、费力且不能达到更高的校准精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工业机器人末端工具坐标系标定方法，实现了快速校准机器人末端复杂工具的工具坐标系。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种工业机器人末端工具坐标系标定方法，所述工业机器人的末端设有第一标定针，坐标系标定方法包括如下步骤：
S1：建立所述第一标定针的第一工具坐标系T1，建立机器人坐标系tool0；
S2：在所述机器人的工作空间内设置第二标定针，将所述第一标定针对准所述第二标定针，记录所述机器人在所述机器人坐标系tool0下的位置P0，记录所述机器人在所述第一工具坐标系T1下的位置P1；
S3：将所述机器人以所述第一工具坐标系T1的Z轴方向旋转180°，将所述第一标定针对准所述第二标定针，记录此时所述机器人在所述第一工具坐标系T1下的位置P2；
S4：通过P1与P2得出位置平均值，通过位置平均值与P1的方向计算出机器人目标点位置P3，将P3进行归一化得到机器人目标点位置P4；
S5：将所述P0和P4构造齐次形式矩阵计算出第一标定针的第二工具坐标系T2；
S6：记录步骤S3中所述机器人在所述机器人坐标系tool0下的位置P5，获取所述第二工具坐标系T2中的第一方向，将所述机器人绕所述第一方向旋转第一角度，并使所述第一标定针对准所述第二标定针，记录此时所述机器人在所述机器人坐标系tool0下的位置P6；
S7：通过P5和P6计算出第三工具坐标系T3中Z坐标位置值，用所述第三工具坐标系T3中Z坐标位置值替换所述第二工具坐标系T2中Z坐标位置值，从而得到第一标定针的所述第三工具坐标系T3，记录步骤S6中所述机器人在所述第三工具坐标系T3下的位置P7；
S8：将所述第一标定针替换为生产工具，将所述生产工具的工作位置点与所述第二标定针的针尖处相接触，记录此时所述机器人在所述第一工具坐标系T1的位置P8；
S9：通过P7和P8计算出所述生产工具的工具坐标系T4。
进一步地，步骤S4包括：
Figure GDA0003816399490000021
进一步地，步骤S6包括：所述工具坐标系T2＝P0-1*P4。
进一步地，所述第一方向为所述第二工具坐标系的X轴方向或所述第二工具坐标系的Y轴方向。
进一步地，所述第一角度在10°-180°之间。
进一步地，所述第三工具坐标系T3中Z坐标位置值
Figure GDA0003816399490000022
其中系数A＝[R11,3-R21,3R12,3-R22,3R13,3-R23,1]；
系数
Figure GDA0003816399490000023
Figure GDA0003816399490000024
R1为P5通过
Figure GDA0003816399490000031
构造的旋转矩阵；
R2为P6通过
Figure GDA0003816399490000032
构造的旋转矩阵，其中q0、q1、q2和q3为机器人坐标系tool0中表示方位的四元数。
进一步地，所述工具坐标系T4＝P7*P8-1。
分析可知，本发明公开一种工业机器人末端工具坐标系标定方法，本方法相比与传统的四点法校正工具坐标系的方法精度高，对复杂的生产工具的工具坐标系校准，操作简单，精度高。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1本发明一个实施例的一种工业机器人末端工具坐标系标定方法确认第三工具坐标系时的机器人、第一标定针和第二标定针的结构示意图。
图2本发明一个实施例的一种工业机器人末端工具坐标系标定方法确认生产工具的工具坐标系时的机器人、生产工具和第二标定针的结构示意图。
图3本发明一个实施例的一种工业机器人末端工具坐标系标定方法的流程图。
附图标记说明：1-机器人；2-第一标定针；3-第二标定针；4-生产工具。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”、“第三”以及“第四”可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
如图1至图3所示，根据本发明的实施例，提供了一种工业机器人1末端工具坐标系标定方法，工业机器人1的末端设有第一标定针2，坐标系标定方法包括如下步骤：
S1：建立机器人1的第一工具坐标系T1，第一工具坐标系T1为第一标定针2的工具坐标系，第一工具坐标系T1为“四点法”粗略确定的坐标系，建立机器人坐标系tool0；
S2：在机器人1的工作空间内设置第二标定针3，将第一标定针2对准第二标定针3，记录机器人1在机器人坐标系tool0下的位置P0，记录机器人1在第一工具坐标系T1下的位置P1；
S3：将机器人1以第一工具坐标系T1的Z轴方向旋转180°，将第一标定针2对准第二标定针3，记录此时机器人1在第一工具坐标系T1下的位置P2；
S4：通过P1与P2得出位置平均值，通过位置平均值与P1的方向计算出机器人1目标点位置P3，将P3进行归一化得到机器人1目标点位置P4；
S5：将P0和P4构造齐次形式
Figure GDA0003816399490000041
矩阵计算出第二工具坐标系T2，第一标定针2的第二工具坐标系T2精度高于第一工具坐标系T1，后续步骤中使用第二工具坐标系T2取代第一工具坐标系T1；
S6：记录步骤S3中机器人1在机器人坐标系tool0下的位置P5，获取第二工具坐标系T2中的第一方向，将机器人1绕第一方向旋转第一角度，并使第一标定针2对准第二标定针3，记录此时机器人1在机器人坐标系tool0下的位置P6。
优选地，第一角度在10°-180°之间，如果第一角度小于10°，会导致计算结果误差较大。
S7：通过P5和P6计算出第三工具坐标系T3中Z坐标位置值，用第三工具坐标系T3中Z坐标位置值替换第二工具坐标系T2中Z坐标位置值，从而得到第一标定针2的第三工具坐标系T3，第三工具坐标系T3为第一标定针2最终确定的工具坐标系，准确度最高，记录步骤S6中机器人1在第三工具坐标系T3下的位置P7；
S8：将第一标定针2替换为生产工具4，将生产工具4的工作位置点与第二标定针3的针尖处相接触，即生产工具4的工作位置点与第一标定针2针尖处刚好完全重合，记录此时机器人1在第一工具坐标系T1的位置P8；其中，生产工具4为机器人手持砂带磨削机、机器人手持抛光机等“复杂工具”。
S9：通过P7和P8计算出生产工具4的工具坐标系T4，工具坐标系T4＝P7*P8-1。
对于同一机器人1使用不同生产工具4，只需更换生产工具4后重复步骤S8、S9即可，不需重复前面的步骤，本方法可应用于复杂的生产工具中，在应用于复杂的生产工具时，本方法能够更好地体现出在应用于复杂生产工具时定位速度的提升。
优选地，步骤S4包括：
Figure GDA0003816399490000051
优选地，步骤S6包括：工具坐标系T2＝P0-1*P4。
优选地，第一方向为第二工具坐标系的X轴方向或第二工具坐标系的Y轴方向。
优选地，第一工具坐标系T1中Z坐标位置值Z1∶＝(A^％T.B)/(A^％T.A)；其中，％T是指数学通用符号转置。
其中，通过最小二乘法解方程组求得Z1，系数A＝[R11,3-R21,3R12,3-R22,3R13,3-R23,1]；
系数
Figure GDA0003816399490000052
Figure GDA0003816399490000061
R1为P5通过
Figure GDA0003816399490000062
构造的旋转矩阵；
R2为P6通过
Figure GDA0003816399490000063
构造的旋转矩阵，其中q0、q1、q2和q3为机器人坐标系tool0中表示方位的四元数，然后按如下公式进行归一化操作
Figure GDA0003816399490000064
Figure GDA0003816399490000065
Figure GDA0003816399490000066
Figure GDA0003816399490000067
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本方法相比与传统的四点法校正工具坐标系的方法精度高，对复杂的生产工具4的工具坐标系校准，操作简单，精度高。对同一机器人1装有不同复杂生产工具4的情况更有技术优势，只需保留固定点工具坐标系P7的位置，不必重复前面步骤，只需执行最后两个步骤便能快速的校准复杂生产工具4的工具坐标系。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种工业机器人末端工具坐标系标定方法，所述工业机器人的末端设有第一标定针，其特征在于，坐标系标定方法包括如下步骤：
S1：建立所述第一标定针的第一工具坐标系T1，建立机器人坐标系tool0；
S2：在所述机器人的工作空间内设置第二标定针，将所述第一标定针对准所述第二标定针，记录所述机器人在所述机器人坐标系tool0下的位置P0，记录所述机器人在所述第一工具坐标系T1下的位置P1；
S3：将所述机器人以所述第一工具坐标系T1的Z轴方向旋转180°，将所述第一标定针对准所述第二标定针，记录此时所述机器人在所述第一工具坐标系T1下的位置P2；
S4：通过P1与P2得出位置平均值，通过位置平均值与P1的方向计算出机器人目标点位置P3，将P3进行归一化得到机器人目标点位置P4；
S5：将所述P0和P4构造齐次形式矩阵计算出第一标定针的第二工具坐标系T2；
S6：记录步骤S3中所述机器人在所述机器人坐标系tool0下的位置P5，获取所述第二工具坐标系T2中的第一方向，将所述机器人绕所述第一方向旋转第一角度，并使所述第一标定针对准所述第二标定针，记录此时所述机器人在所述机器人坐标系tool0下的位置P6；
S7：通过P5和P6计算出第三工具坐标系T3中Z坐标位置值，用所述第三工具坐标系T3中Z坐标位置值替换所述第二工具坐标系T2中Z坐标位置值，从而得到第一标定针的所述第三工具坐标系T3，记录步骤S6中所述机器人在所述第三工具坐标系T3下的位置P7；
S8：将所述第一标定针替换为生产工具，将所述生产工具的工作位置点与所述第二标定针的针尖处相接触，记录此时所述机器人在所述第一工具坐标系T1的位置P8；
S9：通过P7和P8计算出所述生产工具的工具坐标系T4。
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端工具坐标系标定方法，其特征在于，步骤S4包括：
Figure FDA0003816399480000021
3.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端工具坐标系标定方法，其特征在于，步骤S6包括：所述工具坐标系T2＝P0-1*P4。
4.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端工具坐标系标定方法，其特征在于，所述第一方向为所述第二工具坐标系的X轴方向或所述第二工具坐标系的Y轴方向。
5.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端工具坐标系标定方法，其特征在于，所述第一角度在10°-180°之间。
6.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端工具坐标系标定方法，其特征在于，所述第三工具坐标系T3中Z坐标位置值
Figure FDA0003816399480000022
其中系数A＝[R11,3-R21,3 R12,3-R22,3 R13,3-R23,1]；
系数
Figure FDA0003816399480000023
Figure FDA0003816399480000024
R1为P5通过
Figure FDA0003816399480000025
构造的旋转矩阵；
R2为P6通过
Figure FDA0003816399480000026
构造的旋转矩阵，其中q0、q1、q2和q3为机器人坐标系tool0中表示方位的四元数。
7.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端工具坐标系标定方法，其特征在于，所述工具坐标系T4＝P7*P8-1。
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