CN114571506B - 工业机器人性能测量的姿态对齐方法 - Google Patents

工业机器人性能测量的姿态对齐方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工业机器人性能测量的姿态对齐方法，包括工业串联机器人、机器人示教器、计算机、双目视觉测量相机结构和通过工装安装于机器人法兰盘上的Q个被测的靶球，Q＝3；工业串联机器人和机器人示教器数据连接，计算机分别与机器人示教器和双目测量相机结构数据连接；本发明具有对机器人末端的姿态数据测量精度高，操作简单，测量操作所耗费的时间短的特点。

Description

工业机器人性能测量的姿态对齐方法
技术领域
本发明涉及串联工业机器人技术领域，尤其是涉及一种测量精度高、操作简单、测量时间短的工业机器人性能测量的姿态对齐方法。
背景技术
机器人产业的发展水平已成为衡量一个国家和地区工业化水平的重要标志，近年来，我国机器人产业发展迅速，涌现了许多机器人生产厂商，所生产的机器人品种多样，功能不尽相同。
根据国家相关法规规定，需要对出场或者长时间使用后的机器人进行性能测量以保证机器人性能达到规定的精度要求。在进行测量时，很多指标要求测量机器人末端的字条，而传统的测量方法一般无法测量得到机器人末端的姿态数据，并且还存在测量精度低、需要手动设置试验位姿、手动保存原始数据、记录原始参数、手动计算结果、填写测试报告，操作过程复杂，测量耗费时间长要求高等问题。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的机器人性能测量的姿态校准中测量精度低、操作过程复杂，测量时间长的不足，提供了一种测量精度高、操作简单、测量时间短的工业机器人性能测量的姿态对齐方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种工业机器人性能测量的姿态对齐方法，包括工业串联机器人、机器人示教器、计算机、双目视觉测量相机结构和通过工装安装于机器人法兰盘上的Q个被测的靶球，Q＝3；工业串联机器人和机器人示教器数据连接，计算机分别与机器人示教器和双目测量相机结构数据连接；包括以下步骤：
(1-1)双目视觉测量相机结构包括两台距离＞1.5m的相机，使两台相机的视野范围覆盖被测机器人的工作空间，对所述相机进行标定，使相机的3D误差小于0.05mm；
(1-2)工作人员通过机器人示教器选择工业串联机器人灵活工作空间中的任意不在同一直线上的n个位置点；利用n个位置点的坐标计算机器人坐标系到相机中的测量坐标系的位置转换矩阵R2M；其中，n≥5；
(1-3)所述相机依次测量各个被测靶球在测量坐标系下的坐标，计算机得到第i个靶球Pt(i)的坐标(xi，yi，zi),i＝1,2,…,Q；计算机计算得到测量坐标系下靶球平面的姿态矩阵Meas；
(1-4)计算机从机器人示教器上读取机器人法兰盘在机器人坐标系下的姿态矩阵Mr；
计算测量坐标系下的机器人法兰盘的姿态矩阵mt：mt＝R2M×Mr；
(1-5)计算机假设机器人测量坐标系下靶球平面到机器人法兰盘平面的转换矩阵为Mb2f，设Mb2f为测量坐标系下机器人法兰盘平面到靶球平面的转换矩阵MTrans的逆矩阵；
由于在测量坐标系下机器人法兰盘平面到靶球平面的转换关系为：
Meas＝mt×MTrans，设mt的逆矩阵为Mt；
则MTrans＝Mt×Meas，利用公式Mb2f＝MTrans-1计算得到测量坐标系下，靶球平面到机器人法兰盘平面的转换矩阵Mb2f；
所述相机测量靶球在测量坐标系下的坐标，计算机使用上述坐标计算出靶球平面在测量坐标系下的姿态，再利用Mb2f将靶球在测量坐标系下的姿态转换到测量坐标系下机器人法兰盘平面的姿态，即得到机器人法兰盘姿态的实际值；
计算机将从机器人示教器读取的机器人法兰盘姿态转换到相机测量坐标系下，即得到机器人法兰盘姿态的理论值；
此时已经将机器人法兰盘姿态和由相机测量得到的测量坐标系下的坐标计算得到的姿态，统一到测量坐标系下的机器人法兰盘平面上，即完成姿态对齐。
之后即可进行机器人的姿态准确度、姿态稳定性等测试。
作为优选，步骤(1-2)包括如下步骤：
计算机选取各个被测靶球中的一个作为TCP点，所述相机采集TCP点Pt(1)的n个位置点Pt1(1)，Pt1(2)，...,Pt1(n)的坐标数据；其中，Pt1(1)的坐标为(x1(j),y1(j),z1(j)),j＝1,2,...,n；计算机读取机器人示教器中TCP点的n个位置点M1(1),M1(2),...,M1(n)的坐标数据；其中，M1(1)的坐标为(xm1(j),ym1(j),zm1(j))；
设
Figure GDA0004223344920000031
利用公式R2M＝MPt1(n)×TM1(n)-1计算得到R2M。
作为优选，步骤(1-3)包括如下步骤：
(1-3-1)计算机读取测量坐标系下第一靶球从零位开始运动的第一个点的坐标(x1，y1，z1)，第二靶球从零位开始运动的第一个点的坐标(x2，y2，z2)，第三靶球从零位开始运动的第一个点的坐标(x3，y3，z3)，过第一靶球、第二靶球和第三靶球做平面，计算得到平面的法向量V；
设Pt(4)的坐标为(x4，y4，z4)；其中，x4＝(x1+x2+x3)/3，y4＝(y1+y2+y3)/3，z4＝(z1+z2+z3)/3；
计算第二靶球在过Pt(4)、法向量为V的平面上的投影点A1的向量Pt2；计算第三靶球在过Pt(4)、法向量为V的平面上的投影点A2的向量Pt3；
(1-3-2)设过A1和第一靶球的向量PtX＝Pt2-Pt(1)，PtX的模|PtX|为：
Figure GDA0004223344920000041
向量PtX的单位向量Ptx为：
Figure GDA0004223344920000042
其中，PtX.x为PtX在X轴方向的分量，PtX.y为PtX在Y轴方向的分量，PtX.z为PtX在Z轴方向的分量；
设过A2和第一靶球的向量PtY＝Pt3-Pt(1)，PtY的模|PtY|为：
Figure GDA0004223344920000043
其中，PtY.x为PtY在X轴方向的分量，PtY.y为PtY在Y轴方向的分量，PtY.z为PtY在Z轴方向的分量；
向量PtY的单位向量Pty为：
Figure GDA0004223344920000051
(1-3-3)设向量PtZ等于PtX和PtY的叉乘，向量PtZ的单位向量Ptz为：
Figure GDA0004223344920000052
利用Ptx,Pty,Ptz组成测量坐标系下靶球平面的姿态矩阵Meas：
Figure GDA0004223344920000053
其中，PtZ.x为PtZ在X轴方向的分量，PtZ.y为PtZ在Y轴方向的分量，PtZ.z为PtZ在Z轴方向的分量，|PtZ|为PtZ的模。
因此，本发明具有如下有益效果：对机器人末端的姿态数据测量精度高，操作简单，测量操作所耗费的时间短。
附图说明
图1是本发明的一种流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示的实施例是一种工业机器人性能测量的姿态对齐方法，包括工业串联机器人、机器人示教器、计算机、双目视觉测量相机结构和通过工装安装于机器人法兰盘上的3个被测的靶球；工业串联机器人和机器人示教器数据连接，计算机分别与机器人示教器和双目测量相机结构数据连接；包括以下步骤：
(1-1)在被测工业串联机器人工作空间周围选择合适场地摆放双目视觉测量相机，双目视觉测量相机结构包括两台距离＞1.5m的相机，使两台相机的视野范围覆盖被测机器人的工作空间，对所述相机进行标定，使相机的3D误差小于0.05mm；
(1-2)工作人员通过机器人示教器根据GB/T 12642选择工业串联机器人灵活工作空间中的任意不在同一直线上的n个位置点；利用n个位置点的坐标计算机器人坐标系到相机中的测量坐标系的位置转换矩阵R2M，n＝5：
计算机选取各个被测靶球中的一个作为TCP点，所述相机采集TCP点Pt(1)的n个位置点Pt1(1)，Pt1(2)，...,Pt1(n)的坐标数据；其中，Pt1(1)的坐标为(x1(j),y1(j),z1(j)),j＝1,2,...,n；计算机读取机器人示教器中TCP点的n个位置点M1(1),M1(2),...,M1(n)的坐标数据；其中，M1(1)的坐标为(xm1(j),ym1(j),zm1(j))；
设
Figure GDA0004223344920000061
利用公式R2M＝MPt1(n)×TM1(n)-1计算得到R2M。
(1-3)所述相机依次测量各个被测靶球在测量坐标系下的坐标，计算机得到第i个靶球Pt(i)的坐标(xi，yi，zi),i＝1,2,…,Q；计算机计算得到测量坐标系下靶球平面的姿态矩阵Meas；计算机计算得到测量坐标系下靶球平面的姿态矩阵Meas：
(1-3-1)计算机读取测量坐标系下第一靶球从零位开始运动的第一个点的坐标(x1，y1，z1)，第二靶球从零位开始运动的第一个点的坐标(x2，y2，z2)，第三靶球从零位开始运动的第一个点的坐标(x3，y3，z3)，过第一靶球、第二靶球和第三靶球做平面，计算得到平面的法向量V；
设Pt(4)的坐标为(x4，y4z4)；其中，x4＝(x1+x2+x3)/3，y4＝(y1+y2+y3)/3，z4＝(z1+z2+z3)/3；
计算第二靶球在过Pt(4)、法向量为V的平面上的投影点A1的向量Pt2；计算第三靶球在过Pt(4)、法向量为V的平面上的投影点A2的向量Pt3；
(1-3-2)设过A1和第一靶球的向量PtX＝Pt2-Pt(1)，PtX的模|PtX|为：
Figure GDA0004223344920000071
向量PtX的单位向量Ptx为：
Figure GDA0004223344920000072
其中，PtX.x为PtX在X轴方向的分量，PtX.y为PtX在Y轴方向的分量，PtX.z为PtX在Z轴方向的分量；
设过A2和第一靶球的向量PtY＝Pt3-Pt(1)，PtY的模|PtY|为：
Figure GDA0004223344920000073
其中，PtY.x为PtY在X轴方向的分量，PtY.y为PtY在Y轴方向的分量，PtY.z为PtY在Z轴方向的分量；
向量PtY的单位向量Pty为：
Figure GDA0004223344920000074
(1-3-3)设向量PtZ等于PtX和PtY的叉乘，向量PtZ的单位向量Ptz为：
Figure GDA0004223344920000081
利用Ptx,Pty,Ptz组成测量坐标系下靶球平面的姿态矩阵Meas：
Figure GDA0004223344920000082
其中，PtZ.x为PtZ在X轴方向的分量，PtZ.y为PtZ在Y轴方向的分量，PtZ.z为PtZ在Z轴方向的分量，|PtZ|为PtZ的模。
(1-4)计算机从机器人示教器上读取机器人法兰盘在机器人坐标系下的姿态矩阵Mr；
计算测量坐标系下的机器人法兰盘的姿态矩阵mt：mt＝R2M×Mr；
(1-5)计算机假设机器人测量坐标系下靶球平面到机器人法兰盘平面的转换矩阵为Mb2f，设Mb2f为测量坐标系下机器人法兰盘平面到靶球平面的转换矩阵MTrans的逆矩阵；
由于在测量坐标系下机器人法兰盘平面到靶球平面的转换关系为：
Meas＝mt×MTrans，设mt的逆矩阵为Mt；
则MTrans＝Mt×Meas，利用公式Mb2f＝MTrans-1计算得到测量坐标系下，靶球平面到机器人法兰盘平面的转换矩阵Mb2f；
所述相机测量靶球在测量坐标系下的坐标，计算机使用上述坐标计算出靶球平面在测量坐标系下的姿态，再利用Mb2f将靶球在测量坐标系下的姿态转换到测量坐标系下机器人法兰盘平面的姿态，即得到机器人法兰盘姿态的实际值；
计算机将从机器人示教器读取的机器人法兰盘姿态转换到相机测量坐标系下，即得到机器人法兰盘姿态的理论值；
此时已经将机器人法兰盘姿态和由相机测量得到的测量坐标系下的坐标计算得到的姿态，统一到测量坐标系下的机器人法兰盘平面上，即完成姿态对齐。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (1)

1.一种工业机器人性能测量的姿态对齐方法，其特征是，包括工业串联机器人、机器人示教器、计算机、双目视觉测量相机结构和通过工装安装于机器人法兰盘上的Q个被测的靶球，Q＝3；工业串联机器人和机器人示教器数据连接，计算机分别与机器人示教器和双目测量相机结构数据连接；包括以下步骤：
(1-1)双目视觉测量相机结构包括两台距离＞1.5m的相机，使两台相机的视野范围覆盖被测机器人的工作空间，对所述相机进行标定，使相机的3D误差小于0.05mm；
(1-2)工作人员通过机器人示教器选择工业串联机器人灵活工作空间中的任意不在同一直线上的n个位置点；利用n个位置点的坐标计算机器人坐标系到相机中的测量坐标系的位置转换矩阵R2M；其中，n≥5：
计算机选取各个被测靶球中的一个作为TCP点，所述相机采集TCP点Pt(1)的n个位置点Pt1(1)，Pt1(2)，...,Pt1(n)的坐标数据；其中，Pt1(1)的坐标为(x1(j),y1(j),z1(j)),j＝1,2,...,n；计算机读取机器人示教器中TCP点的n个位置点M1(1),M1(2),...,M1(n)的坐标数据；其中，M1(1)的坐标为(xm1(j),ym1(j),zm1(j))；
设
Figure FDA0004223344910000011
利用公式R2M＝MPt1(n)×TM1(n)-1计算得到R2M；
(1-3)所述相机依次测量各个被测靶球在测量坐标系下的坐标，计算机得到第i个靶球Pt(i)的坐标(xi，yi，zi)，i＝1，2，…，Q；计算机计算得到测量坐标系下靶球平面的姿态矩阵Meas；
(1-3-1)计算机读取测量坐标系下第一靶球从零位开始运动的第一个点的坐标(x1，y1，z1)，第二靶球从零位开始运动的第一个点的坐标(x2，y2，z2)，第三靶球从零位开始运动的第一个点的坐标(x3，y3，z3)，过第一靶球、第二靶球和第三靶球做平面，计算得到平面的法向量V；
设Pt(4)的坐标为(x4，y4，z4)；其中，x4＝(x1+x2+x3)/3，y4＝(y1+y2+y3)/3，z4＝(z1+z2+z3)/3；
计算第二靶球在过Pt(4)、法向量为V的平面上的投影点A1的向量Pt2；计算第三靶球在过Pt(4)、法向量为V的平面上的投影点A2的向量Pt3；
(1-3-2)设过A1和第一靶球的向量PtX＝Pt2-Pt(1)，PtX的模|PtX|为：
Figure FDA0004223344910000021
向量PtX的单位向量Ptx为：
Figure FDA0004223344910000022
其中，PtX.x为PtX在X轴方向的分量，PtX.y为PtX在Y轴方向的分量，PtX.z为PtX在Z轴方向的分量；
设过A2和第一靶球的向量PtY＝Pt3-Pt(1)，PtY的模|PtY|为：
Figure FDA0004223344910000023
其中，PtY.x为PtY在X轴方向的分量，PtY.y为PtY在Y轴方向的分量，PtY.z为PtY在Z轴方向的分量；
向量PtY的单位向量Pty为：
Figure FDA0004223344910000031
(1-3-3)设向量PtZ等于PtX和PtY的叉乘，向量PtZ的单位向量Ptz为：
Figure FDA0004223344910000032
利用Ptx,Pty,Ptz组成测量坐标系下靶球平面的姿态矩阵Meas：
Figure FDA0004223344910000033
其中，PtZ.x为PtZ在X轴方向的分量，PtZ.y为PtZ在Y轴方向的分量，PtZ.z为PtZ在Z轴方向的分量，|PtZ|为PtZ的模；
(1-4)计算机从机器人示教器上读取机器人法兰盘在机器人坐标系下的姿态矩阵Mr；
计算测量坐标系下的机器人法兰盘的姿态矩阵mt：mt＝R2M×Mr；
(1-5)计算机假设机器人测量坐标系下靶球平面到机器人法兰盘平面的转换矩阵为Mb2f，设Mb2f为测量坐标系下机器人法兰盘平面到靶球平面的转换矩阵MTrans的逆矩阵；
由于在测量坐标系下机器人法兰盘平面到靶球平面的转换关系为：
Meas＝mt×MTrans，设mt的逆矩阵为Mt；
则MTrans＝Mt×Meas，利用公式Mb2f＝MTrans-1计算得到测量坐标系下，靶球平面到机器人法兰盘平面的转换矩阵Mb2f；
所述相机测量靶球在测量坐标系下的坐标，计算机使用上述坐标计算出靶球平面在测量坐标系下的姿态，再利用Mb2f将靶球在测量坐标系下的姿态转换到测量坐标系下机器人法兰盘平面的姿态，即得到机器人法兰盘姿态的实际值；
计算机将从机器人示教器读取的机器人法兰盘姿态转换到相机测量坐标系下，即得到机器人法兰盘姿态的理论值；
此时已经将机器人法兰盘姿态和由相机测量得到的测量坐标系下的坐标计算得到的姿态，统一到测量坐标系下的机器人法兰盘平面上，即完成姿态对齐。
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