CN113211500A - 球形标记物在机器人末端安装位置的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球形标记物在机器人末端安装位置的获取方法，首先将球形标记物固定在法兰或夹具末端，将空间定位设备架设在机器人旁；移动机器人末端至舒展位置，记录下此时机器人末端在基坐标系下的坐标，并设定为初始位置P_o，此时TCP位于机器人末端法兰中心，标记为TCP_0；以TCP_0坐标系各轴为参考建立XY，YZ，ZX平面，以三个平面为参考建立球形标记物参考坐标系{Ball}，并使各轴方向与TCP_0坐标系一致；将机器人移动到初始位置P_o，控制机器人绕TCP_0任意旋转30次，然后对球面进行拟合求出球心坐标和半径；本发明避免了使用接触式标定带来的人工误差以及末端夹具的加工误差和安装误差，大大提高了测量精度。

Description

球形标记物在机器人末端安装位置的获取方法

[技术领域]

本发明涉及机器人的标定技术领域，特别是利用空间定位设备获取球形标记物在多自由度机器人末端的精确安装位置，具体地说是一种球形标记物在机器人末端安装位置的获取方法。

[背景技术]

随着科技的发展与进步，工业机器人与协作机器人也拥有了越来越高的重复精度与绝对精度，并已广泛应用于医疗、航空航天、智能制造等尖端领域。在机器人正式投入生产应用之前，需要使用各种标定设备对机器人的精度及性能进行校准与测试。而球形标记物则会被安装在形状各异的末端夹具上，然后根据夹具的生产尺寸来确定靶球的安装位置及新的TCP坐标。由于安装误差、生产误差，理论TCP与实际TCP坐标往往存在较大差异，在对机器人末端运行轨迹追踪时，会产生较大的影响。在对单个或多个机器人基坐标系进行标定时，获取球形标记物在法兰末端坐标系下的精确坐标是非常重要的一个步骤，如误差较大，会对整个标定结果产生很大影响。

现有的方法多采用接触式校准，通过将伸出的TCP末端以不同的位姿触碰同一个点，然后获取机器人各个关节转角来解算新的TCP坐标。此方法多用于末端为焊枪、刀具、针尖等可以点对点接触的工具，并不适用于安装在法兰末端的球形标记物；且人工操作不能保证机器人TCP绕着同一点进行姿态变换，因此标定精度并不理想。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种球形标记物在机器人末端安装位置的获取方法，避免了使用接触式标定带来的人工误差以及末端夹具的加工误差和安装误差，大大提高了测量精度。

为实现上述目的设计一种球形标记物在机器人末端安装位置的获取方法，包括以下步骤：

步骤1，将球形标记物固定在机器人法兰或夹具末端，确保球形标记物在机器人移动时稳定不会晃动；将空间定位设备架设在机器人旁，确保机器人的运动范围均在空间定位设备的可测范围内，同时确保机器人在移动过程中，空间定位设备与球形标记物之间不会被障碍物遮挡；

步骤2，移动机器人末端至舒展位置，确保机器人可绕末端进行自由转动且不会与其他关节产生碰撞，记录下此时机器人末端在基坐标系下的坐标，并设定为初始位置P_o，此时TCP位于机器人末端法兰中心，标记为TCP_0；

步骤3，以TCP_0坐标系各轴为参考建立三个平面；首先将机器人移动到初始位置P_o，随后激活TCP_0，使机器人绕TCP_0的Z轴随机旋转三次，使用空间定位设备记录点P_z1～P_z3，并使用这三个点建立XY平面；类似地，控制机器人回归初始位置P_o，并使其分别绕X轴、Y轴各旋转三次，记录下各点坐标并建立YZ平面与ZX平面；

步骤4，以XY，YZ，XZ平面为参考建立球形标记物参考坐标系{Ball}，并使各轴方向与TCP_0坐标系一致；

步骤5，将机器人移动到初始位置P_o，控制机器人绕TCP_0任意旋转30次，并使用空间定位设备记录当球形标记物移动到点P1～P30时，在坐标系{Ball}下的坐标；

步骤6，现已有近似分布在以TCP_0为球心的球面点云，对球面进行拟合即可获得球心坐标和半径。

进一步地，步骤6中，首先建立球面方程：

(X_i-X_o)²+(Y_i-Y_o)²+(Z_i-Z_o)²＝R²(i＝1，2，...30)

其中，X_o、Y_o、Z_o为球心在坐标系{Ball}下的坐标，即TCP_0在坐标系{Ball}下的坐标，与R都是待求参数；

再构建误差方程：

对E求偏导：

最后，将采集到的点云数据带入，求解该方程组即得到TCP_0在坐标系{Ball}下的坐标(X_o，Y_o，Z_o)；球形标记物球心在TCP_0下的坐标则为(-X_o，-Y_o，-Z_o)，从而球形标记物在机器人末端的安装位置也随之求出。

进一步地，构建误差方程并对E求偏导后，化简上式得：

整理得：

最后求解该方程组即得到TCP_0在坐标系{Ball}下的坐标(X_o，Y_o，Z_o)。

本发明同现有技术相比，通过机器人的姿态变换与空间定位设备记录的点云数据，可精确获得球形标记物中心在机器人法兰末端下的坐标，避免了使用接触式标定带来的人工误差以及末端夹具的加工误差和安装误差，大大提高了测量精度，不仅有助于对机器人基坐标系标定时进行矩阵转换，也提升了对机器人末端精度校准及轨迹追踪的准确性，值得推广应用。

[附图说明]

图1是本发明所用的6自由度机器人示意图；

图2是本发明所使用的空间定位设备示意图；

图3是本发明所用的球形标记物在机器人法兰末端安装示意图。

[具体实施方式]

下面结合具体实施例对本发明作以下进一步说明：

本发明提供了一种球形标记物在机器人末端安装位置的获取方法，利用空间定位设备获取球形标记物在多自由度机器人末端的精确安装位置。

如附图1所示，为本发明使用的6自由度机器人，图中标明了机器人基坐标系与法兰末端坐标系。如附图2所示，为本发明所使用的空间定位设备。首先将球形标记物固定在法兰或夹具末端，如按附图3所示将球形标记物固定在机器人末端夹具上，确保球形标记物在机器人移动时稳定不会晃动。将空间定位设备架设在机器人正前方5米处，确保机器人的运动范围均在空间定位设备的可测范围内。同时机器人在移动过程中，空间定位设备与球形标记物之间不会被障碍物遮挡。

移动机器人末端至舒展位置，确保机器人可绕末端进行自由转动且不会与其他关节产生碰撞。记录下此时机器人末端在基坐标系下的坐标，并设定为初始位置P_o，此时TCP位于机器人末端法兰中心，各轴偏移量均为0，标记为TCP_0。

以TCP_0坐标系的X，Y，Z轴为参考建立三个平面。先将机器人移动到初始位置P_o，随后激活TCP_0。使机器人绕TCP_0的Z轴随机旋转三次，使用空间定位设备记录点P_z1～P_z3，并使用这三个点建立XY平面。类似地，控制机器人回归初始位置P_o，使其绕X轴随机旋转三次，记录点P_x1～P_x3并建立YZ平面。再次控制机器人回到初始位置P_o，使其绕Y轴随机旋转三次，记录点P_Y1～P_Y3并建立XZ平面。

以XY，YZ，XZ平面为参考建立球形标记物参考坐标系{Ball}，并使各轴方向与TCP_0坐标系相同，TCP_0坐标系与球形标记物坐标系关系如附图3所示。此时坐标系{Ball}原点应与初始位置P_o重合。

将机器人移动到初始位置P_o，控制机器人绕TCP_0任意旋转30次，并使这30个点尽可能分散。随后用空间定位设备记录点P1～P30在坐标系{Ball}下的坐标，即，使用空间定位设备记录当球形标记物移动到点P1～P30时，在坐标系{Ball}下的坐标。

现已有近似分布在以TCP_0为球心的球面点云，对球面进行拟合即可获得球心坐标和半径。

首先建立球面方程：

(X_i-X_o)²+(Y_i-Y_o)²+(Z_i-Z_o)²＝R²(i＝1，2，...30)

其中，X_o，Y_o，Z_o为球心在坐标系{Ball}下的坐标，即TCP_0在坐标系{Ball}下的坐标，与R都是待求参数。

再构建误差方程：

对E求偏导：

化简上式：

整理可得：

将采集到的点云数据带入，求解该方程组即可得到TCP_0在坐标系{Ball}下的坐标(X_o，Y_o，Z_o)。

球形标记物球心在TCP_0下的坐标则为(-X_o，-Y_o，-Z_o)。球形标记物在机器人末端的安装位置也随之求出。

因此，本发明仅需变换机器人姿态，使其绕原始TCP转动并采取一组点云数据，便可计算出球形标记物在机器人法兰末端精确的安装位置；整个流程操作简单，避免了使用接触式标定带来的人工误差以及末端夹具的加工误差和安装误差；大大提高了测量精度，不仅有助于对机器人基坐标系标定时进行矩阵转换，也提升了对机器人末端精度校准及轨迹追踪的准确性。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种球形标记物在机器人末端安装位置的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将球形标记物固定在机器人法兰或夹具末端，确保球形标记物在机器人移动时稳定不会晃动；将空间定位设备架设在机器人旁，确保机器人的运动范围均在空间定位设备的可测范围内，同时确保机器人在移动过程中，空间定位设备与球形标记物之间不会被障碍物遮挡；

步骤2，移动机器人末端至舒展位置，确保机器人可绕末端进行自由转动且不会与其他关节产生碰撞，记录下此时机器人末端在基坐标系下的坐标，并设定为初始位置P_o，此时TCP位于机器人末端法兰中心，标记为TCP_0；

步骤3，以TCP_0坐标系各轴为参考建立三个平面；首先将机器人移动到初始位置P_o，随后激活TCP_0，使机器人绕TCP_0的Z轴随机旋转三次，使用空间定位设备记录点P_z1～P_z3,并使用这三个点建立XY平面；类似地，控制机器人回归初始位置P_o，并使其分别绕X轴、Y轴各旋转三次，记录下各点坐标并建立YZ平面与ZX平面；

步骤4，以XY,YZ,XZ平面为参考建立球形标记物参考坐标系{Ball}，并使各轴方向与TCP_0坐标系一致；

步骤5，将机器人移动到初始位置P_o，控制机器人绕TCP_0任意旋转30次，并使用空间定位设备记录当球形标记物移动到点P1～P30时，在坐标系{Ball}下的坐标；

步骤6，现已有近似分布在以TCP_0为球心的球面点云，对球面进行拟合即可获得球心坐标和半径。

2.如权利要求1所述的球形标记物在机器人末端安装位置的获取方法，其特征在于，步骤6中，

首先建立球面方程：

(X_i-X_o)²+(Y_i-Y_o)²+(Z_i-Z_o)²＝R²(i＝1，2，...30)

其中，X_o、Y_o、Z_o为球心在坐标系{Ball}下的坐标，即TCP_0在坐标系{Ball}下的坐标，与R都是待求参数；

再构建误差方程：

对E求偏导：

最后，将采集到的点云数据带入，求解该方程组即得到TCP_0在坐标系{Ball}下的坐标(X_o，Y_o，Z_o)；球形标记物球心在TCP_0下的坐标则为(-X_o，-Y_o，-Z_o)，从而球形标记物在机器人末端的安装位置也随之求出。

3.如权利要求2所述的球形标记物在机器人末端安装位置的获取方法，其特征在于：构建误差方程并对E求偏导后，化简得：

整理得：

最后求解该方程组即得到TCP_0在坐标系{Ball}下的坐标(X_o，Y_o，Z_o)。

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