CN114083530A - 工件坐标系标定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种工件坐标系标定系统及方法，该方法包括：获取末端平台在并联机构位于多个标定位形下的第一位姿信息以及待装配工件在所述并联机构位于所述多个标定位形下的第二位姿信息；根据所述第一位姿信息以及所述第二位姿信息，对所述待装配工件进行坐标系标定；其中，所述多个标定位形为：所述末端平台在标定位置和标定姿态时所述并联机构的位形；所述标定位置为：所述并联机构灵巧度最高的末端平台位置；所述灵巧度用于指示所述并联机构姿态可调整幅度的大小。所述标定姿态为：所述末端平台位于所述标定位置时，所述并联机构的可行轴角空间边界对应的姿态。
Description
技术领域
本申请涉及工业机器人领域，尤其涉及一种工件坐标系标定系统及方法。
背景技术
对接装配是基础的现代制造工艺，在航空航天和军工领域尤为常见。传统方法一般采取激光跟踪仪配合工人手动操作实现大型部件对接，其效率低和自动化程度低等特点难以满足日益增长的装配智能化需求。因此，智能对接系统的研究被迫切需要。由于并联机构具有精度高，刚性好，承载能力大等特点，常被用于自动对接系统中作为工件位姿调整装置。为了精确控制大型工件的位姿，就需要精确地标定被承载工件相对于并联平台末端的位姿，这是保证逆运动学计算准确性的基础，是后续对准和连接的前提。
在相关技术中，一种常用标定方法是采用激光跟踪仪直接测量，但由于并联机构末端坐标系由各个支链末端球铰中心决定，必须采用额外的定位附件和更多的激光靶标来定位球铰中心的三维坐标，故虽然这类方法精度高，但是操作繁琐，价格昂贵。
发明内容
本申请的目的是提供一种工件坐标系标定系统及方法，用于通过简单且成本较低的方法对待装配工件进行坐标系标定。
本申请提供一种工件坐标系标定系统，所述工件坐标系标定系统包括：并联机器人系统，标定物模块，工业相机，待装配工件，和工业计算机；所述并联机器人系统包括机器人控制器和并联机构；所述并联机构和所述机器人控制器，用于承载待所述待装配工件，以及按照所述计算机规划的运动路线对所述待装配工件进行位姿调节；所述标定物模块设置于所述待装配工件的端面上，用于确定所述工业相机的外参以及所述待装配工件的定位；所述工业相机设置于所述并联机器人系统靠近所述标定物模块的一侧，用于采集在所述并联机构位于不同位形下的标定物模块图像；所述计算机，用于所述并联机器人的运动规划、所述标定物模块图像的特征提取、所述工业相机外参的计算，以及对所述待装配工件的坐标系进行标定。
可选地，所述并联机构由四个并行的相同支链组成，所述支链固定在所述并联机构的基座上；所述支链包括三个串联的相互正交的单自由度移动副，用于控制支链在三个不同的方向上的移动；其中，所述并联机构中所有移动副的行程均相同；所述支链的垂直于所述基座的移动副的末端设置有球铰，用于所述支链的移动副与所述末端平台的连接；一个支链设置有一个球铰；其中，在所述末端平台的约束下，四个球铰的中心点在任意时刻均可组成一个空间正方形。
可选地，所述待装配工件的端面上设置有定位槽，用于与其他待装配工件的定位和导向；所述待装配工件的端面上还设置有螺纹孔，用于在两个待装配工件对接完成后紧固两个被连接工件。
可选地，所述标定物模块包括：定位结构和标定二维码；所述定位结构上设置有与所述待装配工件的端面上设置的定位槽规格相同的定位槽，用于在所述待装配工件安装所述标定物模块时的定位；所述定位结构上还设置有观察窗，用于观察所述标定物模块的定位情况；所述标定二维码，用于在所述工业相机的内参已知的情况下，通过所述标定二维码的图像，得到所述工业相机的外参。
可选地，在所述待装配工件为圆柱形工件的情况下，所述标定物模块还包括：侧裙；所述侧裙的表面曲率与所述待装配工件内部的表面曲率相同；所述标定二维码设置于所述待装配工件的轴心位置。
本申请提供一种工件坐标系标定方法，应用于上述提到的工件坐标系标定系统，该方法包括：获取末端平台在并联机构位于多个标定位形下的第一位姿信息以及待装配工件在所述并联机构位于所述多个标定位形下的第二位姿信息；根据所述第一位姿信息以及所述第二位姿信息，对所述待装配工件进行坐标系标定；其中，所述多个标定位形为：所述末端平台在标定位置和标定姿态时所述并联机构的位形；所述标定位置为：所述并联机构灵巧度最高的末端平台位置；所述灵巧度用于指示所述并联机构姿态可调整幅度的大小。所述标定姿态为：所述末端平台位于所述标定位置时，所述并联机构的可行轴角空间边界对应的姿态。
可选地，所述获取末端平台在并联机构位于多个标定位形下的第一位姿信息，包括：根据先验的所述并联机构的机械参数以及所述并联机构中各机构的约束关系，确定所述末端平台位于不同位置下所述并联机构的可行轴角空间和灵巧度；将所述并联机构灵巧度最高的所述末端平台位置确定为所述标定位置；其中，所述可行轴角空间为：在所述末端平台位于同一位置下，所述并联机构所有符合所述约束关系的轴角向量所构成的空间。
可选地，所述将所述并联机构灵巧度最高的所述末端平台位置确定为上述标定位置之后，所述方法还包括：将所述并联机构位于目标可行轴角空间的边界上的8个点时所对应姿态确定为所述标定姿态，并与标定位置构成所述并联机构的8个标定位形；将所述并联机构位于所述标定位形时的末端平台位姿信息确定为所述第一位姿信息；其中，所述8个点构成的4条线段尽可能两两正交、且所述4条线段为所述目标可行轴角空间中尽可能最长的线段。
可选地，所述获取所述待装配工件在所述并联机构位于多个标定位形下的第二位姿信息，包括：计算所述末端平台不重复经过所述8个标定位形的最短路径，得到标定位形停靠顺序；将所述末端平台按照所述标定位形停靠顺序经过每个标定位形时所述待装配工件的位姿信息确定为所述第二位姿信息。
可选地，所述根据所述第一位姿信息以及所述第二位姿信息，对所述待装配工件进行坐标系标定之前，所述方法还包括：获取所述工业相机采集的所述末端平台按照所述标定位形停靠顺序经过每个标定位形时所述待装配工件上设置的标定物模块的目标图像；根据从所述目标图像中提取的特性信息以及所述工业相机的内参，确定所述工业相机的外参。
本申请还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现如上述任一种所述工件坐标系标定方法的步骤。
本申请还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述工件坐标系标定方法的步骤。
本申请还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述工件坐标系标定方法的步骤。
本申请提供的工件坐标系标定系统及方法，通过计算得到并联机构灵巧度最高的末端平台标定位置并基于该位置标定姿态并构成8个并联机构标定位形，后基于末端平台位于多个标定位形下的第一位姿信息以及待装配工件在所述末多个标定位形下的第二位姿信息；之后，根据第一位姿信息、第二位姿信息，对待装配工件进行坐标系标定，使得现有的自动装配机床在仅增加较少的硬件设备的情况下，即可完成待装配工件的坐标系标定，操作简单，方便快捷，成本低廉。此外该方法的位形规划在轴角空间中进行，充分利用机构灵巧度，将影响标定精度因素同时置于最优，进而提升标定精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请提供的一种工件坐标系标定系统结构示意图；
图2是本申请提供的一种并联机器人系统结构示意图；
图3是本申请提供标定物模块结构示意图；
图4是本申请提供的工件坐标系标定方法的流程示意图；
图5是本申请提供的坐标系建立示意图；
图6是本申请提供的并联机构约束关系示意图；
图7是本申请提供的最大轴角空间及标定位形示意图；
图8是本申请提供的电子设备的结构示意图。
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，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
基于上述背景技术所提到的，相关技术中，大型工件坐标系标定方法成本较高，操作较为繁琐的问题，急需一种操作简单，成本较低的工件标定方法。申请人在实际操作中发现，若从另一个角度观察工件坐标系标定，则可以将工件视为工具，那么，该问题本质就变成了工具坐标系标定问题，而工具坐标系标定问题的解决方法通常相对容易。
常用的接触式工具坐标系标定方法有4点法和6点法，然而这些方法难以精确标定齐次变换矩阵的旋转部分，而旋转部分对于工件的姿态调整至关重要。另外，大型工件往往不具有焊炬和探针等末端工具的细轴状形态，接触点的选择十分困难。此外，大型工件往往具有较大质量，接触导致的潜在形变会给后续的装配过程带来不利。
针对上述问题，本申请想到可以在现有的自动装配系统上增加一个额外的工业相机和标定物模块，通过分析机器人工作空间，并将手眼标定技术和轴角空间特性进行有机结合的方式，以较低的成本以及较为简单的操作步骤，实现对待装配工件坐标系的标定。
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的工件坐标系标定方法进行详细地说明。
如图1所示，本申请实施例提供的一种工件坐标系标定系统，该系统包括：并联机器人系统1，标定物模块2，工业相机3，待装配工件10和计算机4；所述并联机器人系统1包括：机器人控制器6和并联机构5。
示例性地，所述并联机构和所述机器人控制器，用于承载待所述待装配工件，以及按照所述计算机规划的运动路线对所述待装配工件进行位姿调节。具体地，上述并联机器人系统具体用于承载待对装配工件并对其进行6自由度位姿调节。
示例性地，上述并联机器人系统具有较高的刚度、承载能力和控制精度，且可以向计算机反馈末端平台相对于基坐标系的位姿。该基坐标系为基于上述末端平台的初始位置得到的。
示例性地，所述标定物模块设置于所述待装配工件的端面上，用于确定所述工业相机的外参以及所述待装配工件的定位。所述工业相机设置于所述并联机器人系统靠近所述标定物模块的一侧，用于采集在所述并联机构位于不同标定位形下的标定物模块图像。
示例性地，上述工业相机具有高分辨率，放置在并联机器人系统一侧适当的距离，使在并联机器人系统调整待装配工件位姿的过程中，上述标定物模块始终能够在相机视野中且距相机距离尽可能小。
举例说明，如图1所示，工业相机3在本实施例中，由三脚架9固定在待装配工件10的一侧，镜头朝向安装在待装配工件10上的标定物模块2，与该标定物模块2之间存在一定距离，保证并联机器人在不同位形时，该标定物模块2始终落在工业相机的视野内。本实施例采用Percipio FM810相机，具有1280*960的分辨率。
示例性地，所述计算机，用于所述并联机器人的运动规划、所述标定物模块图像的特征提取、所述工业相机外参的计算，以及对所述待装配工件的坐标系进行标定。具体地，上述计算机具体用于形为AX＝XB的方程的求解。该计算机与上述工业相机以及上述并联机器人系统通过数据传输线连接，进行数据交互。
举例说明，如图1所示，工业计算机4，其位置固定，并且与所述并联机器人系统1和所述工业相机3通过数据传输线连接，进行数据交互，用于控制并联机器人系统按照顺序依次到达各个标定位形、采集并联机器人平台末端平台位姿、图像的特征提取、相机外参计算和求解方程AX＝XB。工业计算机4具有较高的运算能力，保证各算法的运行速度，在本实施例中，采用研华的ARK-3530的工作站。
可选地，所述并联机构由四个并行的相同支链组成，所述支链固定在所述并联机构的基座上；所述支链包括三个串联的相互正交的单自由度移动副，用于控制支链在三个不同的方向上的移动。
其中，所述并联机构中所有移动副的行程均相同；所述支链的垂直于所述基座的移动副的末端设置有球铰，用于所述支链的移动副与所述末端平台的连接；一个支链设置有一个球铰；其中，在所述末端平台的约束下，四个球铰的中心点在任意时刻均可组成一个空间正方形。
示例性地，如图2所示，并联机器人系统1在本实施例中，由并联机构5和机器人控制器6组成。其中并联机构5由4个并行的相同支链组成，每个支链由三个相互正交的单自由度移动副(例如，图2中的移动副12、移动副13和移动副14)串联而成，固定在基座上。在最后一个垂直于基座的移动副末端安装有球铰(图2中的球铰15～18)，起到连接并联机器人末端平台19和4个支链的作用。
举例说明，如图2所示，所有支链中的三个移动副具有相同的行程，均为20cm。在末端平台19的约束下，4个球铰中心在任意时刻都构成一个边长为50cm的空间正方形。所有移动副均在10cm行程时，末端平台平行于机器人底座，规定此时的机器人位形为初始位形，是机器人的机械零点。上述移动副的驱动由伺服电机旋转丝杠实现，电机控制由机器人控制器通过EtherCAT通信协议实现，控制器内集成机器人正逆运动学，可实现对机器人6自由度位姿的精确控制。
可选地，所述待装配工件10的端面上设置有定位槽，用于与其他待装配工件的定位和导向；所述待装配工件的端面上还设置有螺纹孔，用于在两个待装配工件对接完成后紧固两个被连接工件。
可选地，所述标定物模块包括：定位结构和标定二维码；所述定位结构上设置有与所述待装配工件的端面上设置的定位槽规格相同的定位槽，用于在所述待装配工件安装所述标定物模块时的定位；所述定位结构上还设置有观察窗，用于观察所述标定物模块的定位情况；所述标定二维码，用于在所述工业相机的内参已知的情况下，通过所述标定二维码的图像，得到所述工业相机的外参。
示例性地，上述标定物模块中，二维标定码尺寸大且平整，锐度高且特征突出。定位结构加工精度高且刚度好，在通过定位标志安装定位后，二维标定码坐标系与待装配工件坐标系重合，方便基于该二维标定码的坐标系对待装配工件的坐标系进行标定。
可选地，在所述待装配工件为圆柱形工件的情况下，所述标定物模块还包括：侧裙；所述侧裙的表面曲率与所述待装配工件内部的表面曲率相同；所述标定二维码设置于所述待装配工件的轴心位置。
示例性地，上述待装配工件10在本实施例中是舱段，固定在并联机器人末端平台上，是圆柱体结构，其截面是两个同心圆。舱段端面上设有定位槽11，可以和另一舱段端面的定位销形成配合，起到对接时的导向和定位作用。在靠近端面的舱段表面上，有均布的螺纹孔，用于在舱段对接完成后紧固两个被连接舱段。
示例性地，将标定物模块放置在舱段内部，使其侧裙部贴合舱段内表面，标定二维码平面平齐舱段端面，标定物模块上的定位槽和舱段端面的定位槽重合，此时二维标定码坐标系即舱段坐标系。相机内参标定即求取相机主点位置、焦距、扭曲因子和畸变系数等。目前，相机内外参数的研究已经十分成熟，本实施例中采用文章“Z.Zhang.A flexible newtechnique for camera calibration[J]//IEEE Trans.Pattern Anal.Mach.Intell.,vol.22,no.11,pp.1330–1334,Nov.2000.”中的方法进行标定，此方法是目前运用最为广泛的方法，并在matlab中有简单易用的集成。将标定好内参的相机放在三脚架上并进行固定，三角架被放置在离并联机器人1米左右的位置，相机镜头正对标定二维码，且并联机器人在任意位形下，二维标定码总在相机视野中。
举例说明，结合图1，如图3所示，为标定物模块结构示意图。标定物模块2，由定位结构7和标定二维码8组成，根据实际的待装配工件结构和工件坐标系定义进行设计和放置，本发明所述系统可适用于不同形貌的大型工件。在本实施例中，待装配工件可以为圆柱形舱段，舱段坐标系定义在舱段端面的中心处。
如图3所示，标定物模块2的侧裙20具有和舱段内表面相同的曲率，在侧裙20和二维标定码8平面的接合处开有和舱段端面尺寸相同的定位槽21，用以标定物模块2的定位。定位槽21附近开有观察窗22，用以观察定位模块2的定位情况。侧裙上开有安装孔23位用以标定模块2的固定。在标定模块安装完毕后，其二维码平面和舱段端面平齐，且二维码坐标系位于舱段端面中心点处。
如图4所示，本申请实施例提供的一种工件坐标系标定方法，应用于上述工件坐标系标定系统，该方法可以包括下述步骤401和步骤402：
步骤401、获取末端平台在并联机构位于多个标定位形下的第一位姿信息以及待装配工件在所述并联机构位于所述多个标定位形下的第二位姿信息。
其中，所述多个标定位形为：所述末端平台在标定位置和标定姿态时所述并联机构的位形；所述标定位置为：所述并联机构灵巧度最高的末端平台位置；所述灵巧度用于指示所述并联机构姿态可调整幅度的大小。所述标定姿态为：所述末端平台位于所述标定位置时，所述并联机构的可行轴角空间边界对应的姿态。
示例性地，上述第一位姿信息为并联机器人系统获取的，上述第二位姿信息为工业相机获取的。可以理解的是，并联机器人系统可以感知每个部件的姿态，也就可以感知上述末端平台分别位于上述多个标定位形下的位姿信息；对于装配在上述末端平台上的待装配工件，上述并联机器人系统则无法感知其位姿。此时，需要在上述待装配工件上安装标定物模块，用于通过工业相机对待装配工件进行定位。
步骤402、根据所述第一位姿信息以及所述第二位姿信息，对所述待装配工件进行坐标系标定。
示例性地，在上述工件坐标系标定系统安装标定物模块并利用定位标志(即上述标定二维码)进行定位后，可以基于该定位标志对工业相机进行内参标定。之后，用三脚架固定在并联机器人一侧，使得二维标定码在其视野中，作为后续工件坐标系标定的基础。
示例性地，在上述工业相机的内参已知的情况下，基于该工业相机拍摄的待装配工件在并联机构位于多个标定位形下的图像，可以得到该工业相机的外参。基于工业相机的外参，便可使用手眼标定法来对待装配工件的坐标系进行标定。
需要说明的是，本申请实施例中，上述标定物模块用于对待装配工件的定位，工业相机通过拍摄的图像实际上得到的是该标定物模块的位置信息，但由于该标定物模块安装在待装配工件的端面上，因此，也可以理解为上述位置信息指示的是待装配工件的位置信息。
示例性地，上述末端平台的位姿为基于上述工件坐标系标定系统设置的坐标系得到的。
具体地，在获取末端平台位于某个位形的位姿信息之前，需要对整个标定系统涉及到的坐标系定义：如图5所示，定义机器人末端坐标系24在球铰中心围城的空间正方形的几何中心，其x轴平行于球铰3和球铰4的连线，y轴平行于球铰1和球铰4的连线，z轴方向由右手定则确定，方向始终垂直于机器人末端平台，指向上方。当机器人系统的机器人位于初始位形时，所有移动副位于总行程的一半，此时末端平台平行于基座，为了建模更加便利，设定机器人基座标系25与此时的机器人末端坐标系(即末端平台坐标系)重合，当机器人移动时，机器人末端坐标系随之移动，而基座标系保持固定。
如图5所示情况中，并联机器人末端(即上述末端平台)相对初始位形向上平移了一定距离，末端坐标系和基座标系不重合；标定二维码的坐标系26位于二维码的几何中心，其z轴和舱段轴线共线，指向相机方向，y轴位于二维码平面，指向舱段开口槽中心，x轴方向由右手定则确定，这也是舱段坐标系的定义；相机坐标系27位于相机的光心处，其z轴垂直于成像平面，指向远离成像平面的方向，其x轴和y轴与图像坐标系的x轴和y轴平行且同向。
示例性地，基于上述定义的多个坐标系，上述多个位姿的获取方式可以包括以下步骤401a1和步骤401a2：
步骤401a1、根据先验的所述并联机构的机械参数以及所述并联机构中各机构的约束关系，确定所述末端平台位于不同位置下所述并联机构的可行轴角空间和灵巧度。
其中，所述可行轴角空间为：在所述末端平台位于同一位置下，所述并联机构所有符合所述约束关系的轴角向量所构成的空间。
示例性地，上述并联机构的机械参数为已知参数。由于受到末端平台的约束限制，上述并联机构中各机构在移动过程中，必须满足约束关系，不可随便移动。
举例说明，如图6所示，由于本实施例采用的并联机器人具有4个支链，每个支链中的移动副互相正交，故每个支链末端球铰受到一个边长为20cm的正方体约束28。由于末端平台将4个球铰中心始终约束为边长为50cm的空间正方形，且在机器人初始位形下，各移动副位于总行程的一半，故球铰1～4所受到正方体约束的几何中心在机器人基座标系下的坐标分别是(25，25，0)、(-25，25，0)、(-25，-25，0)及(25，-25，0)，单位为厘米。
步骤401a2、将所述并联机构灵巧度最高的所述末端平台位置确定为所述标定位置。
示例性地，为了降低不同标定位形下机器人末端位移之差、增大位形间旋转变换的角度以及增大位形间旋转转轴间的正交性以提升标定精度，因此，需要计算并联机构在满足约束关系的情况下的最大活动空间，进而得到末端平台的最大移动范围。
示例性地，为了获取上述标定位置，需要遍历并联机器人末端平台在不同位置和不同轴角向量对应位姿，利用逆运动学判断该位姿是否符合所有末端球铰的约束。对同一末端平台位置下，符合约束的轴角向量进行保留，构成该位置下的可行轴角空间，并计算该位置下机构的灵巧度。
示例性地，在确定上述标定位置后，便可以基于该标定位置，确定上述多个标定姿态。
示例性地，将并联机器人末端坐标系相对于基座标系的平移和旋转部分分别用两个向量t＝(tx,ty,tz)和ω＝(ωx,ωy,ωz)进行表示。其中，向量t表示末端坐标系原点在基座标系下的坐标，向量ω表示末端旋转部分的轴角表示，其方向代表旋转轴，其模长表示旋转角度。易知，空间中的任何旋转可以由三维旋转群SO(3)中的旋转矩阵R唯一表示，同时也可以由绕空间中的某个轴进行不超过π个弧度的旋转表示为轴角形式。所有可能轴角向量构成一个半径π为的球，即轴角空间，在球内轴角形式和旋转矩阵构成满射关系。可由如下的指数映射和对数映射进行相互转化：
R＝exp(ω)
ω＝log(R)
对任意位置，将轴角空间离散化，遍历其中所有离散化后的轴角向量，对于每个轴角向量，通过逆运动学计算4个球铰中心在基座标系下的坐标并判断是否符合分析得到的约束。逆运动学计算如下：
S＝exp(ω)q+t
其中，S表示球铰中心在基座标系下坐标，q表示球铰中心在末端坐标系下的坐标。在对离散后的轴角空间进行遍历后，即可得到可行轴角空间，包含的轴角向量个数记为，其与离散后的整个轴角空间所包含的轴角向量个数V之比定义为位置处的机器人灵巧度D，即：
更进一步，对所有可能的末端平台位置进行遍历，并计算每个位置下的机器人灵巧度，得到机器人灵巧度随机器人末端位置的分布，并将机构灵巧度最高的所述末端平台位置确定为所述标定位置。
可选地，在本申请实施例中，在确定上述标定位置后，具体可以通过以下方法，获取上述末端平台的并联机构位于多个位姿下的第一位姿信息。
示例性地，基于上述步骤401a1，上述步骤401a2之后，本申请实施例提供的工件坐标系标定方法，还可以包括以下步骤401a3和步骤401a4：
步骤401a3、将所述并联机构位于目标可行轴角空间的边界上的8个点时所对应的姿态确定为所述标定姿态，并与所述标定位置构成所述并联机构的8个标定位形。
步骤401a4、将所述末端平台在所述并联机构位于所述标定位形时的末端平台位姿信息确定为所述第一位姿信息。
其中，所述8个点构成的4条线段尽可能两两正交、且所述4条线段为所述目标可行轴角空间中尽可能最长的线段。
示例性地，上述目标可行轴角空间为：末端平台位于所述标定位置时，所述并联机构所有符合所述约束关系的轴角向量所构成的空间。
示例性地，选择机构灵巧度最高的末端平台位置作为标定位置，在该标定位置对应的，目标可行轴角空间下作4条过原点的直线，他们应尽可能两两正交，这四条直线与目标可行轴角空间的边界构成8个交点，4条直线被交点截成的线段应尽可能长，将这8个交点对应的姿态作为标定姿态，与该标定位置构成8个标定位形。
示例性地，选择机器人灵巧度最大的位置t′作为标定位置，并在该位置对应的最大可行轴角空间的边界上设置8个点，构成4组点对用以标定，4组点对构成的4条线段应尽可能两两正交且尽可能长。在本实施例中，最大可行轴角空间出现在t′＝0的位置，且其形状是一个扭曲的长方体。采用如下的标准选取这8个点：
其中，
是可行轴角空间中的轴角向量。依据该选取标准，可以得到4个位于YOZ平面和4个位于XOZ平面的可行轴角空间内模长最大且相等的轴角向量，如图7中圆圈29～36所示。YOZ平面上的4个轴角向量可以构成2个中心对称点对，XOZ平面上的4个轴角向量同样可以构成2个中心对称点对。这8个轴角向量对应的旋转部分与t′组成8个标定位形。
进一步地，在确定上述8个点之后，便可以根据末端平台位于上述8个点时的姿态及上述标定位置，得到上述第一位姿信息。
示例性地，上述步骤401中获取所述末端平台位于多个姿态下的第二位姿信息，具体可以包括以下步骤401b1和步骤401b2：
步骤401b1、计算所述末端平台不重复经过8个标定位形的最短路径，得到标定位形停靠顺序。
步骤401b2、将所述末端平台按照所述标定位形停靠顺序经过每个标定位形时所述待装配工件的位姿信息确定为所述第二位姿信息。
示例性地，在确定上述8个标定位形后，需要计算不重复地经过8个标定位形的最短路径，即一个旅行推销员问题(Traveling Salesman Problem，TSP)，得到最优标定位形停靠顺序。
示例性地，标定过程是机器人无重复地移动至所有位形并在每个位形停留拍照的过程，这是一个标准的求解最短路TSP问题。利用贪婪算法求解最优标定位形停靠顺序。如图7所示，考虑到机器人初始位形到8个标定位形的转角相同，规定位于第一和第四卦限交接面上的圆圈29为位形1，圆圈29～36依照停靠顺序分别表示位形1～8。
示例性地，根据得到的8个标定位形和标定位形停靠顺序，通过工业计算机控制并联机器人按顺序依次达到这8个标定位形并短暂停留，在停留间歇由并联机器人控制器将机器人末端平台位姿传输到计算机中，并由工业相机采集图像传输到工业计算机中。
进一步地，可以根据工业相机采集到的末端平台到达上述不同位形时待装配工件的图像，得到工业相机的外参。
示例性地，上述步骤402之前，本申请实施例提供的工件坐标系标定方法，还可以包括以下步骤403和步骤404：
步骤403、获取所述工业相机采集的所述末端平台按照所述标定位形停靠顺序经过每个标定位形时所述待装配工件上设置的标定物模块的目标图像。
步骤404、根据从所述目标图像中提取的特性信息以及所述工业相机的内参，确定所述工业相机的外参。
示例性地，上述计算机可以工业相机采集到的目标图像进行特征提取，并通过上述基于标定物模块标定得到的相机内参，计算工业相机的外参。该工业相机的外参可以用于上述公式AX＝XB的求解。
示例性地，工业计算机对上述步骤中采集到的图像进行特征提取，通过上述步骤标定得到的相机内参，计算相机外参数的逆
其中Ti表示第i个标定位形的二维标定码坐标系，C表示相机坐标系。机器人末端平台位姿
由已在上述步骤中得到，其中，B表示机器人末端平台坐标系，Ei表示第i个标定位形的机器人末端平台坐标系。令
表示待求解的齐次变换矩阵，即舱段坐标系在机器人末端坐标系下的位姿。由于在整个标定过程中并联机器人和工业相机的位置均没有变化，故
在任意机器人位形下都是相等的，即：
移项可得：
即利用两个不相同位形下的信息就可以构成一组AX＝XB的矩阵方程。用步骤S33得到的关于中心对称的轴角向量对所对应的标定位形构成上述矩阵方程，易得到4个形位AX＝XB的矩阵方程构成的方程组，利用Tsai提出的两步法手眼标定技术，先求解X的旋转部分，再求解X的平移部分，即可得到最终的手眼标定结果。
本发明设计的标定系统仅仅依赖一个额外的工业相机和二维标定物，将原有问题转化为手眼标定问题，相比于依靠激光跟踪仪的标定系统，具有成本低廉的优势，而且本设计只需要安装标定物一次，对比大量激光靶标的安装，具有简便易行的特点。同时本方法除准备阶段外的所有测量工作均是非接触的，因此避免了4点法或6点法带来的潜在形变风险。
本发明设计的工件坐标系标定方法，尤其是其中的标定位形规划部分，是首次将机器人工作空间分析，手眼标定技术和轴角空间特性的有机结合。根据Tsai-Lenz提出的两阶段手眼标定技术，降低不同标定位形下机器人末端位移之差、增大位形间旋转变换的角度以及增大位形间旋转转轴间的正交性都可以提升标定精度。本发明能充分利用并联机构有限的工作空间和灵巧度，将影响手眼标定精度的关键因素尽可能地同时取到最优，提升手眼标定精度。该方法有望在其他需要手眼标定的场合(不限于机器人平台和具体应用场景)得以应用。
需要说明的是，本申请实施例中，上述各个方法附图所示的。工件坐标系标定方法均是以结合本申请实施例中的一个附图为例示例性的说明的。具体实现时，上述各个方法附图所示的工件坐标系标定方法还可以结合上述实施例中示意的其它可以结合的任意附图实现，此处不再赘述。
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行工件坐标系标定方法，该方法包括：获取末端平台在并联机构位于多个标定位形下的第一位姿信息以及待装配工件在所述并联机构位于所述多个标定位形下的第二位姿信息；根据所述第一位姿信息以及所述第二位姿信息，对所述待装配工件进行坐标系标定；其中，所述多个标定位形为：所述末端平台在标定位置和标定姿态时所述并联机构的位形；所述标定位置为：所述并联机构灵巧度最高的末端平台位置；所述灵巧度用于指示所述并联机构姿态可调整幅度的大小。所述标定姿态为：所述末端平台位于所述标定位置时，所述并联机构的可行轴角空间边界对应的姿态。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例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。
另一方面，本申请还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的工件坐标系标定方法，该方法包括：获取末端平台在并联机构位于多个标定位形下的第一位姿信息以及待装配工件在所述并联机构位于所述多个标定位形下的第二位姿信息；根据所述第一位姿信息以及所述第二位姿信息，对所述待装配工件进行坐标系标定；其中，所述多个标定位形为：所述末端平台在标定位置和标定姿态时所述并联机构的位形；所述标定位置为：所述并联机构灵巧度最高的末端平台位置；所述灵巧度用于指示所述并联机构姿态可调整幅度的大小。所述标定姿态为：所述末端平台位于所述标定位置时，所述并联机构的可行轴角空间边界对应的姿态。
又一方面，本申请还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的工件坐标系标定方法，该方法包括：获取末端平台在并联机构位于多个标定位形下的第一位姿信息以及待装配工件在所述并联机构位于所述多个标定位形下的第二位姿信息；根据所述第一位姿信息以及所述第二位姿信息，对所述待装配工件进行坐标系标定；其中，所述多个标定位形为：所述末端平台在标定位置和标定姿态时所述并联机构的位形；所述标定位置为：所述并联机构灵巧度最高的末端平台位置；所述灵巧度用于指示所述并联机构姿态可调整幅度的大小。所述标定姿态为：所述末端平台位于所述标定位置时，所述并联机构的可行轴角空间边界对应的姿态。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种工件坐标系标定系统，其特征在于，所述工件坐标系标定系统包括：并联机器人系统，标定物模块，工业相机，待装配工件和计算机；所述并联机器人系统包括机器人控制器和并联机构；
所述并联机构和所述机器人控制器，用于承载待所述待装配工件，以及按照所述计算机规划的运动路线对所述待装配工件进行位姿调节；
所述标定物模块设置于所述待装配工件的端面上，用于确定所述工业相机的外参以及所述待装配工件的定位；
所述工业相机设置于所述并联机器人系统靠近所述标定物模块的一侧，用于采集在所述并联机构位于不同标定位形下的标定物模块图像；
所述计算机，用于所述并联机器人系统的运动规划、所述标定物模块图像的特征提取、所述工业相机外参的计算，以及对所述待装配工件的坐标系进行标定。
2.根据权利要求1所述的工件坐标系标定系统，其特征在于，
所述并联机构由四个并行的相同支链组成，所述支链固定在所述并联机构的基座上；
所述支链包括三个串联的相互正交的单自由度移动副，用于控制支链在三个不同的方向上的移动；其中，所述并联机构中所有移动副的行程均相同；
所述支链的垂直于所述基座的移动副的末端设置有球铰，用于所述支链的移动副与所述末端平台的连接；一个支链设置有一个球铰；其中，在所述末端平台的约束下，四个球铰的中心点在任意时刻均可组成一个空间正方形。
3.根据权利要求1所述的工件坐标系标定系统，其特征在于，
所述待装配工件的端面上设置有定位槽，用于与其他待装配工件的定位和导向；
所述待装配工件的端面上还设置有螺纹孔，用于在两个待装配工件对接完成后紧固两个被连接工件。
4.根据权利要求3所述的工件坐标系标定系统，其特征在于，所述标定物模块包括：定位结构和标定二维码；
所述定位结构上设置有与所述待装配工件的端面上设置的定位槽规格相同的定位槽，用于在所述待装配工件安装所述标定物模块时的定位；
所述定位结构上还设置有观察窗，用于观察所述标定物模块的定位情况；
所述标定二维码，用于在所述工业相机的内参已知的情况下，通过所述标定二维码的图像，得到所述工业相机的外参。
5.根据权利要求4所述的工件坐标系标定系统，其特征在于，
在所述待装配工件为圆柱形工件的情况下，所述标定物模块还包括：侧裙；所述侧裙的表面曲率与所述待装配工件内部的表面曲率相同；所述标定二维码设置于所述待装配工件的轴心位置。
6.一种工件坐标系标定方法，其特征在于，应用于工件坐标系标定系统，所述方法包括：
获取末端平台在并联机构位于多个标定位形下的第一位姿信息以及待装配工件在所述并联机构位于所述多个标定位形下的第二位姿信息；
根据所述第一位姿信息以及所述第二位姿信息，对所述待装配工件进行坐标系标定；
其中，所述多个标定位形为：所述末端平台在标定位置和标定姿态时所述并联机构的位形；所述标定位置为：所述并联机构灵巧度最高的末端平台位置；所述灵巧度用于指示所述并联机构姿态可调整幅度的大小；所述标定姿态为：所述末端平台位于所述标定位置时，所述并联机构的可行轴角空间边界对应的姿态。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述获取末端平台在并联机构位于多个标定位形下的第一位姿信息，包括：
根据先验的所述并联机构的机械参数以及所述并联机构中各机构的约束关系，确定所述末端平台位于不同位置下所述并联机构的可行轴角空间和灵巧度；
将所述并联机构灵巧度最高的所述末端平台位置确定为所述标定位置；
其中，所述可行轴角空间为：在所述末端平台位于同一位置下，所述并联机构所有符合所述约束关系的轴角向量所构成的空间。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将所述并联机构灵巧度最高的所述末端平台位置确定为所述标定位置之后，所述方法还包括：
将所述并联机构位于目标可行轴角空间的边界上的8个点时所对应的姿态确定为所述标定姿态，并与所述标定位置构成所述并联机构的8个标定位形；
将所述末端平台在所述联机构位于所述标定位形时的末端平台位姿信息确定为所述第一位姿信息；
其中，所述目标可行轴角空间为：所述末端平台位于所述标定位置时，所述并联机构所有符合所述约束关系的轴角向量所构成的空间；所述8个点构成的4条线段尽可能两两正交、且所述4条线段为所述目标可行轴角空间尽可能最长的线段。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述获取所述待装配工件在所述并联机构位于所述多个标定位形下的第二位姿信息，包括：
计算所述末端平台不重复经过所述8个标定位形的最短路径，得到标定位形停靠顺序；
将所述末端平台按照所述标定位形停靠顺序经过每个标定位形时所述待装配工件的位姿信息确定为所述第二位姿信息。
10.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一位姿信息以及所述第二位姿信息，对所述待装配工件进行坐标系标定之前，所述方法还包括：
获取工业相机采集的所述末端平台按照所述标定位形停靠顺序经过每个标定位形时所述待装配工件上设置的标定物模块的目标图像；
根据从所述目标图像中提取的特性信息以及所述工业相机的内参，确定所述工业相机的外参。
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| CN114734435A (zh) * | 2022-03-24 | 2022-07-12 | 苏州艾利特机器人有限公司 | 一种基于超球面的编码器校准方法、装置及系统 |
| CN114734435B (zh) * | 2022-03-24 | 2023-09-19 | 苏州艾利特机器人有限公司 | 一种基于超球面的编码器校准方法、装置及系统 |
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| CN114083530B (zh) | 2023-03-31 |
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