CN114571436B - 一种不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法 - Google Patents

一种不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法，在机器人底座或关节臂上固定设置特征块，特征块的安装位置在机器人运动过程中、在机器人基坐标系中的位置不变；特征块上设有标准孔或标准球；任选一个预设位置记为基准位置，标记其他预设位置为参考位置，在基准位置处，利用标准仪器获取机器人外参T0；在参考位置处，先获取参考位置相对于基准位置之间的平移矩阵，再将平移矩阵作用到T0，得到参考位置处的机器人外参。本发明方法不需要提前标定地轨的绝对精度，而是让机器人携带特征块再利用标准仪器获取平移矩阵，具有操作便捷，耗时短，精度高的特点。

Description

一种不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法
技术领域
本发明涉及外参标定领域，具体涉及一种不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法。
背景技术
随着制造业自动化程度的提高，机器人被越来越多的应用于生产制造过程中，通常，机器人被固定在基座上，利用关节臂对被测物进行作业。当被测物尺寸较大(如列车车厢、飞机)或者待抓取工件距离安装本体距离远的情况下，就需要扩充机器人的作业半径，扩充方式为：
1)增加机器人数量，这种方式成本过高；
2)为机器人装上地轨(行走轴/第七轴)，移动机器人位置，使机器人能在指定路线上进行运动，扩展机器人使用范围功能；这种方式存在以下问题：
机器人地轨只能保证重复性精度，无法做到较高水准的绝对精度；对于包装、运输、码垛、焊接等精度要求不高使用场景，机器人地轨可以直接使用；但是对于高精度加工、检测、抓件、安装等使用场景，其精度损失往往要求在±0.5mm内；故而，针对高精度应用场景，采用机器人地轨的方式，需要首先标定地轨，得到地轨的绝对误差精度，再根据绝对误差精度获取机器人地轨位置，进而定位机器人，获得各个位置处的机器人外参，该过程通过人工标定绝对精度，主观性强、精度低且耗时长，不利于加工、检测流程的高效进行。专利文献CN103144109A提出了一种用于附加外部轴的机器人系统分站式精度补偿方法，其通过激光跟踪仪补偿机器人空间立体网格，再在机器人系统滑台上预置基准孔的方式，构建辅助坐标系，利用辅助坐标系建立各个分站之间的转换关系，该方案提高了机器人系统的绝对定位精度，但其并没有获取机器人的外参，同时计算复杂，需要在机器人系统的滑台上预置三个基准孔，操作繁琐。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明针对带有机器人地轨的应用场景，提供了一种不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法，本方法不需要提前标定地轨的绝对精度，具有操作便捷，耗时短，精度高的特点。
技术方案如下：
一种不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法，所述机器人安装在地轨上，沿地轨运动至各预设位置；
所述机器人外参为不同预设位置处的机器人基坐标系与全局坐标系之间的转换关系；
在机器人底座或关节臂上固定设置特征块，所述特征块的安装位置在机器人运动过程中、在机器人基坐标系中的位置不变；所述特征块上设有标准孔或标准球；
任选一个预设位置记为基准位置，标记其他预设位置为参考位置，利用以下方法获取机器人外参：
1)在基准位置处，利用标准仪器获取机器人外参T0；
2)在参考位置处，先获取参考位置相对于基准位置之间的平移矩阵，再将平移矩阵作用到T0，得到参考位置处的机器人外参；所述平移矩形为：参考坐标与基准坐标之差；所述参考坐标为：在参考位置处，利用标准仪器获取的特征块上的标准孔/球在全局坐标系中的坐标；所述基准坐标为：在基准位置处，利用标准仪器获取的特征块上的标准孔/球在全局坐标系中的坐标。
进一步，第i个参考位置处的机器人外参Ti，计算如下：
Figure GDA0004147999170000031
其中，
Figure GDA0004147999170000032
平移矩阵/>
Figure GDA0004147999170000033
(xQ，yQ，zQ)为基准坐标；(xqi，yqi，zqi)为参考坐标，i＝1，2……m，m为参考位置的总数。
Figure GDA0004147999170000034
其中，r0为3*3的旋转矩阵，t0为平移矩阵。
进一步，利用所述标准仪器获取机器人基坐标系与全局坐标系之间的转换关系T0，具体方式为：
预先将标准仪器坐标系统一到全局坐标系之间的转换关系；
在机器人末端安装标定座，所述标定座上设有标准孔/球；
多次调节机器人末端位姿，每次调节，均利用标准仪器获取标定座上的标准孔/球在全局坐标系中的三维坐标；
结合机器人运动学模型以及刚体变换方法解算T0。
优选，所述特征块可拆卸的固定在机器人上。
优选，所述标准仪器为激光跟踪仪，所述特征块为球座，所述标准球为激光跟踪仪的球形靶标，所述球座用于安装球形靶标。
进一步，所述标准仪器为激光跟踪仪或者激光雷达。
进一步，所述三维坐标为标准孔的孔心坐标或者标准球的球心坐标。
本发明还涉及一种利用机器人进行视觉测量的方法，包括：
所述机器人先利用上述不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法进行标定，再进行以下步骤：
在机器人末端安装视觉传感器，利用地轨将机器人依次移动到各个预设位置，在预设位置处利用视觉传感器采集待测工件上的测点信息，通过手眼关系、机器人本体参数以及在该预设位置处的机器人外参，将测点坐标转换到全局坐标系下，获得测点的空间坐标，将该坐标与标准工件上的测点空间坐标进行比对，实现对测点加工质量的评估。
本申请提及的绝对精度与重复精度是常规意义上的解释：
其中，绝对精度为地轨停止时，实际到达的位置和要求到达的位置之间的误差；
重复精度为地轨多次到达同一个位置点的位置偏差。
本发明的有益效果：
本方法在机器人上辅加特征块，特征块可以只设置1个标准球/孔，加工简单、操作便捷；本方法完全不依赖地轨的绝对精度，设计巧妙，利用标准仪器测量特征块上的标准球/孔，获取平移矩阵，再利用平移矩阵获取各个位置处的外参矩阵，整个过程计算简单、精度损失小于±0.35mm；满足高精度测量、加工领域对精度的要求，适用于对大尺寸工件的视觉检测过程以及视觉引导抓件过程。
附图说明
图1为具体实施方式中机器人外参标定系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
一种不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法，机器人安装在地轨上，沿地轨运动至各预设位置；
机器人外参为不同预设位置处的机器人基坐标系与全局坐标系之间的转换关系；
在机器人底座或关节臂上固定设置特征块，特征块的安装位置在机器人运动过程中、在机器人基坐标系中的位置不变；
如：将特征块安装于机器人底座，或，安装于在各个预设位置均不发生位置改变的关节臂；预设位置为：由机器人示教获得的机器人在地轨上需要停止的位置。
特征块上设有标准孔或标准球；当标准仪器使用激光跟踪仪时设置为标准球，当标准仪器使用激光雷达时设置为标准孔；
任选一个预设位置记为基准位置，标记其他预设位置为参考位置，利用以下方法获取机器人外参：
1)在基准位置处，利用标准仪器获取机器人外参T0；
具体方式为：
预先将标准仪器坐标系统一到全局坐标系之间的转换关系；如：定义工件坐标系为全局坐标系，激光跟踪仪测量工件上不少于3个特征点(孔/球)的三维坐标，采用3-2-1建系原则，将标准仪器坐标系统一到全局坐标系；
在机器人末端安装标定座，所述标定座上设有标准孔/球；
多次调节机器人末端位姿，每次调节，均利用标准仪器获取标定座上的标准孔/球在全局坐标系中的三维坐标；
结合机器人运动学模型以及刚体变换方法解算T0。
2)在参考位置处，先获取参考位置相对于基准位置之间的平移矩阵，再将平移矩阵作用到T0，得到参考位置处的机器人外参；平移矩形为：参考坐标与基准坐标之差；参考坐标为：在参考位置处，利用标准仪器获取的特征块上的标准孔/球在全局坐标系中的坐标；基准坐标为：在基准位置处，利用标准仪器获取的特征块上的标准孔/球在全局坐标系中的坐标。
其中，第i个参考位置处的机器人外参Ti，计算如下：
Figure GDA0004147999170000063
/>
其中，
Figure GDA0004147999170000061
平移矩阵/>
Figure GDA0004147999170000062
(xQ，yQ，zQ)为基准坐标；(xqi，yqi，zqi)为参考坐标，i＝1，2……m，m为参考位置的总数。
外参标定过程结束后，实际使用机器人时，无需再携带特征块，为了便于去除特征块，特征块可拆卸的固定在机器人上，如螺接、卡接。
其中，标准仪器为激光跟踪仪或者激光雷达。作为一种优选的实施方式，标准仪器为激光跟踪仪，特征块为球座，标准球为激光跟踪仪的球形靶标，球座用于安装球形靶标。
其中，三维坐标为标准孔的孔心坐标或者标准球的球心坐标。
作为上述标定方法的应用，公开一种利用机器人进行视觉测量的方法，包括：
机器人先利用上述不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法进行标定，再进行以下步骤：
在机器人末端安装视觉传感器，利用地轨将机器人依次移动到各个预设位置，在预设位置处利用视觉传感器采集待测工件上的测点信息，通过手眼关系、机器人本体参数以及在该预设位置处的机器人外参，将测点坐标转换到全局坐标系下，获得测点的空间坐标，将该坐标与标准工件上的测点空间坐标进行比对，实现对测点加工质量的评估。
下面以激光跟踪仪标定机器人外参为例，进行示例性阐述：
一种不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法，如图1所示，在机器人底座设置特征块，特征块随机器人同步运动且两者相对位置固定；特征块上设有标准球，具体为：特征块为球座，标准球为激光跟踪仪的球形靶标，球座用于安装球形靶标；
机器人沿机器人地轨移动到各个示教好的位置；在每个位置处，均利用激光跟踪仪获取特征块上的标准球在全局坐标系中的三维坐标；全局坐标系通过激光跟踪仪预先建立，如：定义工件坐标系为全局坐标系，激光跟踪仪测量工件上特征点的三维坐标，采用3-2-1建系原则，建立全局坐标系；
在其中一个示教好的位置处，利用激光跟踪仪获取机器人基坐标系与全局坐标系之间的转换关系T0，即机器人外参，标记该位置为基准位置，并将此位置处获取的标准球的三维坐标记为基准坐标；
标记其他预设位置为参考位置，将参考位置处获取的三维坐标记为参考坐标；
利用基准坐标和单个参考坐标解算基准位置相对于单个参考位置之间的平移矩阵；再将平移矩阵作用到T0，获取单个参考位处机器人基坐标系与全局坐标系之间的转换关系，即机器人外参；
其中，第i个参考位置处的机器人外参Ti，计算如下：
Figure GDA0004147999170000072
其中，
Figure GDA0004147999170000074
平移矩阵/>
Figure GDA0004147999170000073
(xQ，yQ，zQ)为基准坐标；(xqi，yqi，zqi)为参考坐标，i＝1，2……m，m为参考位置的总数。
对各个参考坐标分别进行相同的操作，获取各个参考位处机器人基坐标系与全局坐标系之间的转换关系；完成对机器人的外参标定。
为了验证本发明标定方法的精度，进行以下实验：
先利用上述标定方法获取机器人外参，再将测量精度±0.05mm的视觉传感器安装于机器人末端，利用地轨移动机器人，获取工件上面各个测点(测点标号1-10)的XYZ空间坐标，同时，利用激光跟踪仪获取相同各个测点的空间坐标，其检测数据即XYZ三个方向上的误差数据(单位mm)，如下表所示：
Figure GDA0004147999170000081
从上表结果来看，采用本发明方法标定后的机器人，在进行视觉测量时，其精度在±0.35mm内，可满足高精度工业的测量需求。
本发明方法完全不依赖地轨的绝对精度，设计巧妙，整个过程计算简单、精度损失小、耗时短，并能够适用于各种进行平面移动的机器人地轨，如单轴地轨、两轴地轨或多轴地轨，只要机器人在地轨上进行平面移动即可。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (7)

1.一种不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法，所述机器人安装在地轨上，沿地轨运动至各预设位置；
所述机器人外参为不同预设位置处的机器人基坐标系与全局坐标系之间的转换关系；
其特征在于，在机器人底座或关节臂上固定设置特征块，所述特征块的安装位置在机器人运动过程中、在机器人基坐标系中的位置不变；所述特征块上设有标准孔或标准球；
任选一个预设位置记为基准位置，标记其他预设位置为参考位置，利用以下方法获取机器人外参：
1)在基准位置处，利用标准仪器获取机器人外参T0；
2)在参考位置处，先获取参考位置相对于基准位置之间的平移矩阵，再将平移矩阵作用到T0，得到参考位置处的机器人外参Ti，计算如下：
Figure FDA0004147999150000011
其中，
Figure FDA0004147999150000012
ti表示平移矩阵，/>
Figure FDA0004147999150000013
m为参考位置的总数，代表参考坐标与基准坐标之差，所述参考坐标为：在参考位置处，利用标准仪器获取的特征块上的标准孔/球在全局坐标系中的坐标(xqi，yqi，zqi)；所述基准坐标为：在基准位置处，利用标准仪器获取的特征块上的标准孔/球在全局坐标系中的坐标(xQ，yQ，zQ)。
2.如权利要求1所述不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法，其特征在于：利用所述标准仪器获取机器人基坐标系与全局坐标系之间的转换关系T0，具体方式为：
预先将标准仪器坐标系统一到全局坐标系之间的转换关系；
在机器人末端安装标定座，所述标定座上设有标准孔/球；
多次调节机器人末端位姿，每次调节，均利用标准仪器获取标定座上的标准孔/球在全局坐标系中的三维坐标；
结合机器人运动学模型以及刚体变换方法解算T0。
3.如权利要求1所述不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法，其特征在于：所述特征块可拆卸的固定在机器人上。
4.如权利要求1所述不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法，其特征在于：所述标准仪器为激光跟踪仪，所述特征块为球座，所述标准球为激光跟踪仪的球形靶标，所述球座用于安装球形靶标。
5.如权利要求1所述不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法，其特征在于：所述标准仪器为激光跟踪仪或者激光雷达。
6.如权利要求2所述不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法，其特征在于：所述三维坐标为标准孔的孔心坐标或者标准球的球心坐标。
7.一种利用机器人进行视觉测量的方法，其特征在于，包括：
所述机器人先利用如权利要求1～6中任一项所述不依赖于地轨绝对精度的机器人外参标定方法进行标定，再进行以下步骤：
在机器人末端安装视觉传感器，利用地轨将机器人依次移动到各个预设位置，在预设位置处利用视觉传感器采集待测工件上的测点信息，通过手眼关系、机器人本体参数以及在该预设位置处的机器人外参，将测点坐标转换到全局坐标系下，获得测点的空间坐标，将该坐标与标准工件上的测点空间坐标进行比对，实现对测点加工质量的评估。
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