CN114770517B - 通过点云获取装置对机器人进行标定的方法以及标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过点云获取装置对机器人进行标定的方法，包括：对所述点云获取装置的外参进行标定，包括确定所述点云获取装置的坐标系相对于末端执行器的坐标系的变换关系；通过给定的控制参数控制所述机器人的位姿；通过所述点云获取装置采集所述标定基准物的参考点云；通过所述控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的参考位置；改变所述控制参数并根据所述控制参数改变所述机器人的位姿；采集所述标定基准物的点云；通过所述改变的控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的实际位置；根据所述标定基准物的参考位置与实际位置之间的偏差，标定所述机器人。

Description

通过点云获取装置对机器人进行标定的方法以及标定系统

技术领域

本公开大致涉及机器人的技术领域，尤其涉及通过点云获取装置对机器人进行标定的方法以及用于机器人的标定系统。

背景技术

工业机器人通常包括多个相互连接的运动段，相邻的两个运动段之间通过电机连接，通过控制电机旋转，使得相邻的运动段之间可以进行转动，工业机器人并且包括末端执行器，用于实现工业机器人的特定用途，例如夹持、焊接、检测等目的。在控制工业机器人执行特定操作时，通常需要使得工业机器人的末端执行器以非常高的精度位于预定的位置，但由于各种原因，在控制电机操作之后，末端执行器的实际位置与理想位置之间往往具有一定的误差或者偏离；并且在多次重复过程中，末端执行器每一次的实际位置也会存在一定的偏离。如图1所示，其中点O1代表末端执行器的预定的理想位置，进行十次相互独立的控制操作，试图将末端执行器定位到所述点O1的理想位置，十次操作产生的末端执行器的最终位置如图1的圆中所示的十个点所示的，可以看出，末端执行器的实际位置与理想位置之间具有偏差。基于所述十个点，获得这十个点的中心O2以及外接圆，该外接圆的半径为RP。点O1到点O2的距离AP可代表机器人的绝对精度，外接圆的半径RP可表征机器人的可重复性精度。图1中以二维的方式示出了机器人的绝对精度和可重复性精度，实际操作中机器人的绝对精度和可重复性精度也可以是在三维空间中的。

在实际操作过程中，对于工业机器人的绝对精度具有较高的要求，例如在一些工件检测场景中，需要达到0.15mm的精度；在一些材料切割场景中，需要达到0.5mm的精度。

上述误差或偏差可能由于多种原因造成，包括加工误差和其他刚性误差。例如关节之间连杆的长度不准、配合面不准导致平行度、垂直度、共轴度非零、关节理论轴线与实际轴线不符、相邻连杆之间的相对位置与设计值存在偏差。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种通过点云获取装置对机器人进行标定的方法，其中所述机器人包括基座、安装在所述基座上的至少两个相互连接的运动段以及末端执行器，所述点云获取装置固定安装在所述末端执行器上，标定基准物位于所述机器人的外部，所述方法包括：

对所述点云获取装置的外参进行标定，包括确定所述点云获取装置的坐标系相对于末端执行器的坐标系的变换关系；

通过给定的控制参数控制所述机器人的位姿；

通过所述点云获取装置采集所述标定基准物的参考点云；

通过所述控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的参考位置；

改变所述控制参数并根据所述控制参数改变所述机器人的位姿；

采集所述标定基准物的点云；

通过所述改变的控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的实际位置；

根据所述标定基准物的参考位置与实际位置之间的偏差，标定所述机器人。

根据本发明的一个方面，所述方法还包括：重复所述改变控制参数并改变机器人位姿、采集点云、确定实际位置的步骤，获得多个所述偏差，所述标定机器人的步骤包括：根据所述多个偏差，标定所述机器人。

根据本发明的一个方面，所述确定标定基准物的参考位置的步骤包括：

根据所述给定的控制参数，基于所述机器人的正运动学方程，计算所述点云获取装置的参考位置；

根据所述点云，计算所述标定基准物在所述点云获取装置的坐标系下的位置；

基于所述点云获取装置的外参以及所述标定基准物在所述点云获取装置的坐标系下的位置，计算所述标定基准物的参考位置。

根据本发明的一个方面，所述标定机器人的步骤包括：根据所述多个偏差，优化所述机器人的正运动学方程中的参数，所述参数包括：表征所述运动段之间的转角的参数；和/或表征所述运动段之间运动自由度的参数。

根据本发明的一个方面，每两个相互连接的运动段之间通过关节连接，所述标定机器人的步骤包括：根据所述多个偏差，优化所述机器人的每个关节在正运动学方程中的参数。

根据本发明的一个方面，所述标定基准物包括标定球，其中所述确定标定基准物的实际位置的步骤包括：通过所述点云，确定所述标定球的球心的位置。

根据本发明的一个方面，所述标定基准物包括多个标定球，所述多个标定球呈预设定向，其中所述确定标定基准物的参考位置的步骤包括：确定每个标定球的球心的位置；其中所述标定机器人的步骤包括：根据每个标定球的球心的位置确定所述多个标定球之间的实际定向；根据所述多个标定球的实际定向与预设定向之间的偏差，标定所述机器人。

本发明还提供一种用于机器人的标定系统，其中所述机器人包括基座、安装在所述基座上的至少两个相互连接的运动段以及末端执行器，所述标定系统包括：

位于所述机器人的外部的标定基准物；

点云获取装置，固定安装在所述末端执行器上，其中所述点云获取装置相对于所述机器人的外参被标定；和

控制器，所述控制器与所述机器人和点云获取装置通讯地耦合，并配置成：

通过给定的控制参数控制所述机器人的位姿；

通过所述点云获取装置采集所述标定基准物的参考点云；

通过所述控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的参考位置；

改变所述控制参数并根据所述控制参数改变所述机器人的位姿；

采集所述标定基准物的点云；

通过所述改变的控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的实际位置；

根据所述标定基准物的参考位置与实际位置之间的偏差，标定所述机器人。

根据本发明的一个方面，所述控制器配置成：重复所述改变控制参数并改变机器人位姿、采集点云、确定实际位置的步骤，获得多个所述偏差，所述标定机器人的步骤包括：根据所述多个偏差，标定所述机器人。

根据本发明的一个方面，所述控制器配置成：

根据所述给定的控制参数，基于所述机器人的正运动学方程，计算所述点云获取装置的参考位置；

根据所述点云，计算所述标定基准物在所述点云获取装置的坐标系下的位置；

基于所述点云获取装置的外参以及所述标定基准物在所述点云获取装置的坐标系下的位置，计算所述标定基准物的参考位置。

本申请的发明人经过测试，本申请的方案能够显著提高机器人的绝对精度。在一些测试中，当机器人的绝对精度为5mm时，通过本申请的方案修正机器人的正运动学方程，可以将机器人的绝对精度提高到0.15mm左右。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出了机器人的误差示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的用于机器人的标定系统的示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例对机器人进行标定的方法；

图4示出了根据本发明一个实施例的标定基准物的示意图；和

图5示出了根据本发明的至少一些实施例布置的计算机程序产品的框图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

针对提高机器人的精度的需求，本发明提供了一种对机器人进行标定的方法，其中通过在机器人末端执行器上固定点云获取装置，通过点云获取装置来测量并计算获取标定基准物的参考位置，改变机器人的位姿后重新采集标定基准物的点云、并确定标定基准物的实际位置，根据标定基准物的参考位置与实际位置之间的偏差来修正机器人的参数，直到标定基准物的参考位置与实际位置的偏差小于一定的阈值，即通过修正机器人的模型实现了预设的精度。

图2示出了机器人100的示意图，图3示出了根据本发明一个实施例对图2所示的机器人进行标定的方法300，下面参考图2和图3详细描述。

如图2所示，机器人100包括基座101、安装在所述基座上的多个运动段102以及末端执行器103。图1示出了四个运动段102，分别为第一运动段102-1、第二运动段102-2、第三运动段102-3以及第四运动段102-4，也可以包括两个、三个运动段或者五个以上的运动段，本申请的上下文中将以四个运动段为例进行描述。图2中并且示出了XYZ坐标系，其中Z轴为竖直方向，X轴和Y轴位于水平面内。该XYZ坐标系为机器人坐标系，以机器人100的基座101为坐标系的原点O，机器人的100的四个运动段的运动都可以分解为沿着X、Y和Z轴三个方向的平移分量以及围绕X、Y和Z轴的转动分量。

第一运动段102-1安装在基座101上，并且可以由电机驱动，相对于基座101围绕Z轴旋转，从而调整机器人的偏航角。相邻的运动段之间类似于关节结构。第二运动段102-2铰接到第一运动段102-1，同样可以由电机驱动，可相对于第一运动段102-1转动，从而调整机器人的俯仰角。第三运动段102-3铰接到第二运动段102-2，由电机驱动，可相对于第二运动段102-2转动。第四运动段102-4铰接到第三运动段102-3，由电机驱动，可相对于第三运动段102-3转动。上面的描述中，相邻的运动段之间可相互转动，本发明不限于此，相邻的运动段之间也可以具有平移运动。末端执行器103固定在第四运动段102-4上。因此通过控制各个电机，调节各个运动段的角度和定向、以及沿着X、Y和Z轴的位置，从而可以将末端执行器103以预设的姿态定位在预设的位置上。

点云获取装置201固定地安装在所述末端执行器103上，例如通过法兰盘固定安装在末端执行器103上。图2中示出了末端执行器103的坐标系X＇Y＇Z＇，其以末端执行器上的固定点(例如法兰盘的中心)为坐标系原点O＇，Z＇轴例如垂直于法兰盘的表面，X＇轴和Y＇轴相互垂直，并且平行于所述法兰盘的表面。

图2中还示出了点云获取装置201的坐标系X＇＇Y＇＇Z＇＇，点云获取装置的坐标系以点云获取装置为坐标系原点O＇＇，Z＇＇轴为点云获取装置的视场中轴线的方向，X＇＇Y＇＇是与该视场中轴线垂直的平面。点云获取装置201采集的点云中，每个点都具有在点云获取装置的坐标系X＇＇Y＇＇Z＇＇下的坐标值。

由于点云获取装置201固定安装在末端执行器103上，因此点云获取装置201的坐标系X＇＇Y＇＇Z＇＇相对于末端执行器103的坐标系X＇Y＇Z＇具有固定的变换关系，该变换关系可通过矩阵来表达，该矩阵中的各个分量可表征两个坐标系之间的平移和变换关系。根据该变换关系，基于一个点在其中一个坐标系下的坐标，可以获得该点在另一个坐标系下的坐标。

标定基准物OR固定在所述机器人100的外部，例如固定安装在支架203上。标定基准物OR优选地可采用球体的形式。点云获取装置201具有一定的视场FOV，该视场FOV可覆盖所述标定基准物OR。通过点云获取装置201，能够采集该标定基准物OR的点云。

可以对图1所示的机器人100进行建模，其中每一个运动部(例如每个运动段)都可以以刚体的形式进行建模，模型中包括了每一个运动部的运动参数，例如每个运动部的长度尺寸、相邻两个运动部之间的连接关系、运动自由度等信息，从而可以建立机器人的正运动学方程，作为机器人运动模型。在该模型中，输入每个运动部的运动参数，即可获得末端执行器的(理论)位置。

如图3所示，在步骤S301：对所述点云获取装置201的外参进行标定，包括确定所述点云获取装置201的坐标系X＇＇Y＇＇Z＇＇相对于末端执行器的103坐标系X＇Y＇Z＇的变换关系。

如上所述，点云获取装置201固定地安装在所述末端执行器103上，因此在设定了点云获取装置201相对于末端执行器103的位置和姿态之后，可以通过外参标定来获取点云获取装置201的坐标系X＇＇Y＇＇Z＇＇相对于末端执行器103的坐标系X＇Y＇Z＇的变换关系，例如通过矩阵来表示。

另外，如上参考图2描述的，机器人100的基座101固定不动，以机器人100的基座101为原点建立机器人的坐标系，如图2中的XYZ坐标系所示，其中Z轴代表竖直方向，X轴和Y轴位于水平面内，三个坐标轴相互垂直。根据机器人100的控制参数，可以确定末端执行器103在机器人坐标系下的坐标。点云获取装置201固定在末端执行器103上。点云获取装置201具有其自身的坐标系，例如以其镜头的光心为原点的坐标系，对于视场中的每一个物体的点，点云获取装置201能够输出该点在其自身坐标系中的坐标。点云获取装置201由于其安装位置和安装定向，其自身的坐标系的原点和/或轴向不同于末端执行器103的坐标系，因此需要对所述点云获取装置201的外参进行标定，确定所述点云获取装置201的坐标系相对于所述末端执行器103的坐标系的变换关系。该坐标变换关系可通过矩阵来表达，矩阵可包括两个坐标系之间的平移变换分量以及旋转变换分量。获得了点云获取装置201的坐标系相对于所述末端执行器103的坐标系的变换关系之后，对于点云获取装置201采集的每一个点，根据该点的坐标以及所述变换关系，就可以获得该点在末端执行器103的坐标系中的坐标(反之亦然，对于末端执行器103坐标系中的一个点，通过该点的坐标以及坐标变换关系，也可以获得该点在点云获取装置坐标系中的坐标)。获得该点在末端执行器103的坐标系中的坐标之后，根据末端执行器103在机器人坐标系中的坐标，就可以获得该点在机器人坐标系中的坐标。

在步骤S302：通过给定的控制参数控制所述机器人的位姿。本发明中，控制参数可以包括每个运动段的运动参数(例如旋转和/或平移)，该运动参数可以是每个运动段的绝对运动量的参数，也可以是每个运动段相对于与其连接的其他运动段的相对运动量的参数。根据本发明的一个实施例，控制参数也可以包括相邻运动段之间的电机的控制参数。例如对于步进电机，该控制参数可包括用于驱动电机的脉冲的数量，从而可控制步进电机的角位移或者旋转量。可替换的，该控制参数也可以包括所述机器人的末端执行器103的目标空间位置(包括定向)。给定了末端执行器103的目标空间位置，机器人的控制机构可以将该目标空间位置分解为各个电机的控制量，并通过分别驱动各个电机，实现将末端执行器定位到该目标空间位置。根据本发明的一个优选实施例，所述控制参数是所述机器人的模型中的输入参数，例如正运动学方程中的参数，根据所述控制参数，能够通过机器人的模型计算出末端执行器103在机器人坐标系中的理论位置。

在步骤S303：通过所述点云获取装置201采集所述标定基准物OR的参考点云。所述点云获取装置优选为深度相机或者3D相机，能够扫描视野中的物体并生成点云。

在步骤S304：通过所述控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的参考位置。

例如可根据所述给定的控制参数，基于所述机器人的正运动学方程，计算所述末端执行器103的(理论)位置(可选的，可以获得点云获取装置的参考位置)；根据所述点云，计算所述标定基准物在所述点云获取装置的坐标系下的位置；基于所述末端执行器103的(理论)位置、所述点云获取装置的外参以及所述标定基准物在所述点云获取装置的坐标系下的位置，计算所述标定基准物的理论位置，并作为其参考位置。

如上所述，基于给定的控制参数，并且基于所述机器人运动模型(例如通过正运动学方程)，可以获得末端执行器的理论位置，由于点云获取装置201固定在末端执行器上，因此也可以获得点云获取装置201的理论位置。以步进电机为例，从图2所示的位置开始，向第一运动段102-1和基座101之间的步进电机旋转施加100个驱动脉冲；向第一运动段102-1和第二运动段102-2之间的步进电机旋转施加50个驱动脉冲；向第二运动段102-2和第三运动段102-3之间的步进电机旋转施加80个驱动脉冲；向第三运动段102-3和第四运动段102-4之间的步进电机旋转施加65个驱动脉冲，可以获得末端执行器(以及点云获取装置)的理论位置。末端执行器的理论位置是在机器人坐标系下的坐标。

以机器人的正运动学方程为例，其输入参数包括θ和ξ，其中θ为每个关节的角度，ξ为每个关节的位置和转动轴的信息。机器人的正运动学方程可表示为FK：(θ，ξ)->g(θ,ξ)∈SE(3)，其中SE(3)的群矩阵表示如下：

其中SO(3)表示末端执行器相对于机器人坐标系的旋转角度变换关系，即末端执行器的方向信息，R_3×1表示末端执行器的XYZ三维坐标。

通过所述标定基准物OR的点云，可确定所述标定基准物OR在点云获取装置201的坐标系下的位置。根据点云获取装置201生成的点云，优选地可根据标定基准物的形状进行点云滤波，从而筛选出与该标定基准物103对应的部分点云，然后根据这部分点云，确定标定基准物的实际位置。如上所述，标定基准物OR优选为标定球的形式，因此标定球产生的点云大致具有球形(或者圆形)的轮廓，因此可以从点云获取装置201生成的点云中筛选出与标定球大致对应的点云，而去除其余部分的点云(例如去除末端执行器产生的点云)。获得了标定球的点云之后，根据各个点的坐标，通过空间拟合，即可得到标定球的求新坐标，作为标定球的实际位置。

根据本发明的一个实施例，所述点云获取装置201的外部设置有点云处理装置(例如下文描述的控制器205)，例如可以通过通用型计算机或者专用的点云处理芯片来实现，用于对点云获取装置201获取的点云进行处理。

根据上述计算结果，再结合点云获取装置的外参(即点云获取装置的坐标系相对于末端执行器的坐标系的变换关系)，就可以确定该标定基准物OR在机器人坐标系下的位置坐标，作为标定基准物的参考位置。

在步骤S305：改变所述控制参数并根据所述控制参数改变所述机器人的位姿。改变所述控制参数后，调整机器人的位置，使得末端执行器103的位置和/或定向发生变化，但需要确保所述标定基准物OR仍然位于所述点云获取装置201的视场内。

在步骤S306：采集所述标定基准物的点云。改变了所述机器人的位姿之后，所述点云获取装置201的位姿同样发生变化，此时再次采集标定基准物OR的点云。

在步骤S307：通过所述改变的控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的实际位置。在步骤S307中，通过与步骤S304类似的方式，根据机器人的控制参数，通过机器人的正运动学方程，获得末端执行器103的位姿；根据所述标定基准物的点云，获得标定基准物在点云获取装置坐标系下的位置；根据点云获取装置的外参，再结合上述计算结果，获得标定基准物OR在机器人坐标系下的位置坐标，作为标定基准物的实际位置。注意，本发明中，如图2所示，标定基准物OR固定在机器人100的外部，在整个机器人的标定过程中，标定基准物OR保持固定，而点云获取装置201的位置随着机器人动作而变化。

本发明中，选择其中一次(例如首次)测量和计算获得的标定基准物的位置为其参考位置，再次测量计算获得的标定基准物的位置为其实际位置(或称为第二位置)。

在步骤S308：根据所述标定基准物的参考位置与实际位置之间的偏差，标定所述机器人。在机器人不存在误差的情况下，由于标定基准物OR保持固定，因此其参考位置与实际位置应当是完全相同的。由于存在误差，因此参考位置与实际位置之间存在一定偏差。本发明根据标定基准物的参考位置与实际位置之间的偏差来修正机器人的运动模型，对机器人进行标定。

在两组控制参数下分别通过点云获取装置201采集的点云，进而确定的标定基准物的参考位置和实际位置，根据二者之间的偏差来标定机器人，即修正机器人的运动模型或者正运动学方程中的参数θ和ξ。通过修正高机器人的运动模型或正运动学方程，迭代计算上述偏差，直至该偏差小于预设预支，满足预设的精度要求。

根据本发明的一个实施例，所述方法300还包括：改变所述给定的控制参数的值，重复所述步骤S305、S306、S307，获得多个所述偏差，并且根据所述多个偏差，标定所述机器人。

下面描述根据本发明一个优选实施例的修正机器人运动模型或正运动学方程参数的方法。

对于在步骤S302给定的控制参数，可通过如下的方式计算标定基准物的参考位置：

其中是末端执行器相对于机器人的基座的坐标，可通过上述机器人正运动学方程来计算获得；/>是点云获取装置的外参，即所述点云获取装置的坐标系相对于末端执行器的坐标系的变换关系；/>是标定球在点云获取装置201的坐标系中的坐标。上面公式中的“(ref)”表明是在计算参考位置。

对于在步骤S305给定的控制参数，可通过如下的方式计算标定基准物的真实位置：

其中是末端执行器相对于机器人的基座的坐标，可通过上述机器人正运动学方程来计算获得；/>是点云获取装置的外参，即所述点云获取装置的坐标系相对于末端执行器的坐标系的变换关系；/>是标定球在点云获取装置201的坐标系中的坐标。上面公式中的“(real)”表明是在计算实际位置。

可根据以下公式来表征所述标定基准物的参考位置与实际位置之间的偏差：

其中“.translation”表示三维坐标分量(区别于角度分量)。

根据一组或多组给定的控制参数，确定一次或多次测量获得的实际位置与参考位置的偏差，并根据上述公式表征二者之间的偏差，修正所述机器人的模型或者正运动学方程，基于修正的模型重新计算标定基准物的参考位置和/或实际位置、计算参考位置与实际位置的偏差，迭代上述过程，直到该偏差小于阈值。在这个过程中，标定基准物的实际位置保持不变，标定基准物的理论位置随着模型修正而发生变化，上述过程能够使得标定基准物的理论位置与实际位置之间的偏差逐渐减小，直到小于预设的阈值。

根据本发明的一个实施例，通过上述公式的极小化函数来获得修正参数。具体的，极小化函数如下：

通过求解该极小化函数得到修正参数，从而得到修正的述机器人的模型或者正运动学方程。

根据本发明的一个优选实施例，在修正机器人的运动模型或者正运动学方程的过程中，可以修正表征所述运动段之间的转角的参数θ，或者可以修正表征所述运动段之间运动自由度的参数ξ，或者也可以同时修正表征所述运动段之间的转角的参数θ和表征所述运动段之间运动自由度的参数ξ。

在建立了上述偏差表征模型之后，可以根据梯度法来调节所述参数，使得上述偏差表征模型朝着偏差减小的方向演进。

另外，根据本发明的一个实施例，可以根据所述多个偏差，优化所述机器人的每个关节在正运动学方程中的参数。相比于只调节其中一个关节的参数、或者仅调节末端执行器的参数，本发明的实施例可以调节机器人全局的运动学参数，精度更高，尤其能够将绝对精度较差的机器人经过修正后，获得非常高的控制精度。

根据本发明的一个实施例，当所述标定基准物为标定球时，可以通过所述点云确定所述标定球的球心的位置，作为标定基准物的位置。例如筛选出标定球的点云之后，通过每个点的坐标可以拟合获得标定球的球心位置。

上面描述的实施例中，采用单个标定球作为标定基准物，本发明不限于此，也可以采用多个标定球作为标定基准物。如图4所示，可采用三个标定球共同地作为标定基准物而固定在末端执行器上，其中三个标定球呈预设的定向。图4中示出的三个标定球OR1、OR2和OR3的球心构成三角形。通过步骤S302、S303和S304，通过点云采集装置获得每个标定球的点云，并确定出每个标定球的球心位置，作为每个标定球的参考位置。通过不在S305、S306和S307，改变机器人的控制参数，分别获得三个标定球的实际位置，然后分别确定三个标定求的实际位置和参考位置之间的偏差，根据该偏差来标定机器人，调节优化所述机器人的每个关节在正运动学方程中的参数。通过使用多个标定基准物，能够减少标定机器人所需的采样数量。另外，在构建标定基准物的实际位置与理论位置之间的偏差时，除了三个标定球的球心位置的偏差，还可以包括三个标定球的实际定向与理论定向之间的偏差，从而更准确地标定机器人。除了使用三角形排布的三个标定球以外，也可以使用其他数量的标定基准物，以及采用其他形状的排布，例如直线排布。

本发明还提供一种用于机器人的标定系统200,如图2所示。所述机器人100包括基座101、安装在所述基座上的至少两个相互连接的运动段102以及末端执行器103。所述标定系统200包括标定基准物OR和点云获取装置201，其中标定基准物OR位于所述机器人的外部，例如固定在支架203上；点云获取装置201固定安装在所述末端执行器103上，其中所述点云获取装置201相对于所述机器人的外参被标定，例如获得了所述点云获取装置201的坐标系X＇＇Y＇＇Z＇＇相对于末端执行器的103坐标系X＇Y＇Z＇的变换关系。标定基准物OR位于点云获取装置201的视场中。所述标定系统200还包括控制器205，控制器205可通过通用型计算机或者专用的图像处理器或者点云处理器以及其上的软件来实现，所述控制器205与机器人100和点云获取装置201通讯地耦合，从而控制器205可以向机器人100下发控制参数，并且可以从点云获取装置201获取点云数据，并进行相应的数据处理操作。控制器205配置成执行以下操作：

通过给定的控制参数控制所述机器人100的位姿；

通过所述点云获取装置201采集所述标定基准物OR的参考点云；

通过所述控制参数、所述标定基准物OR的参考点云以及所述点云获取装置201的外参，确定所述标定基准物OR的参考位置；

改变所述控制参数并根据所述控制参数改变所述机器人100的位姿；

采集所述标定基准物OR的点云；

通过所述改变的控制参数、所述标定基准物OR的点云以及所述点云获取装置201的外参，确定所述标定基准物OR的实际位置；

根据所述标定基准物OR的参考位置与实际位置之间的偏差，标定所述机器人100。

根据本发明的一个实施例，所述控制器205配置成：重复所述改变控制参数并改变机器人位姿、采集点云、确定实际位置的步骤，获得多个所述偏差；根据所述多个偏差，标定所述机器人。

根据本发明的一个实施例，所述控制器205配置成：

根据所述给定的控制参数，基于所述机器人的正运动学方程，计算所述点云获取装置201的参考位置；

根据所述点云，计算所述标定基准物201在所述点云获取装置的坐标系下的位置；

基于所述点云获取装置201的外参以及所述标定基准物在所述点云获取装置的坐标系下的位置，计算所述标定基准物的参考位置。

根据本发明的一个实施例，所述控制器205配置成：根据所述多个偏差，优化所述机器人的正运动学方程中的参数，所述参数包括：表征所述运动段之间的转角的参数；和/或表征所述运动段之间运动自由度的参数。

根据本发明的一个实施例，每两个相互连接的运动段之间通过关节连接，控制器205配置成：根据所述多个偏差，优化所述机器人的每个关节在正运动学方程中的参数。

根据本发明的一个实施例，所述标定基准物包括标定球，其中控制器205配置成：通过所述点云，确定所述标定球的球心的位置。

根据本发明的一个实施例，所述标定基准物包括多个标定球，所述多个标定球呈预设定向，其中所述控制器205配置成：确定每个标定球的球心的位置；根据每个标定球的球心的位置确定所述多个标定球之间的实际定向；根据所述多个标定球的实际定向与预设定向之间的偏差，标定所述机器人。

图5是依照本发明的至少一些实施例布置的计算机程序产品400的框图。信号承载介质402可以被实现为或者包括计算机可读介质406、计算机可记录介质408、计算机通信介质410或者它们的组合，其存储可配置处理单元以执行先前描述的过程中的全部或一些的编程指令404。这些指令可以包括例如用于使一个或多个处理器执行如下处理的一个或多个可执行指令：通过给定的控制参数控制所述机器人的位姿；通过所述点云获取装置采集所述标定基准物的参考点云；通过所述控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的参考位置；改变所述控制参数并根据所述控制参数改变所述机器人的位姿；采集所述标定基准物的点云；通过所述改变的控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的实际位置；根据所述标定基准物的参考位置与实际位置之间的偏差，标定所述机器人。

本申请的发明人经过测试，本申请的方案能够显著提高机器人的绝对精度。在一些测试中，当机器人的绝对精度为5mm时，通过本申请的方案修正机器人的正运动学方程，可以将机器人的绝对精度提高到0.15mm左右。本领域技术人员容易理解，本发明并不限于上述绝对精度提高的幅度，具体提高的比例和数值可能取决于机器人的运动、所处环境、工况等各种因素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。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 (5)

1.一种通过点云获取装置对机器人进行标定的方法，其中所述机器人包括基座、安装在所述基座上的至少两个相互连接的运动段以及末端执行器，所述点云获取装置固定安装在所述末端执行器上，标定基准物位于所述机器人的外部，所述方法包括：

对所述点云获取装置的外参进行标定，包括确定所述点云获取装置的坐标系相对于末端执行器的坐标系的变换关系；

通过给定的控制参数控制所述机器人的位姿；

通过所述点云获取装置采集所述标定基准物的参考点云；

根据所述给定的控制参数，基于所述机器人的正运动学方程，计算所述点云获取装置的参考位置；所述正运动学方程是基于每个关节的角度、每个关节的位置和转动轴的信息确定的；

根据所述标定基准物的点云，计算所述标定基准物在所述点云获取装置的坐标系下的位置；

基于所述点云获取装置的外参以及所述标定基准物在所述点云获取装置的坐标系下的位置，计算所述标定基准物的参考位置；

改变所述控制参数并根据所述控制参数改变所述机器人的位姿；

采集所述标定基准物的点云；

通过所述改变的控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的实际位置；

根据所述标定基准物的参考位置与实际位置之间的偏差，标定所述机器人；

其中，每两个相互连接的运动段之间通过关节连接，所述标定机器人的步骤包括：根据多个偏差，优化所述机器人的每个关节在正运动学方程中的参数；所述多个偏差是通过重复所述改变控制参数并改变机器人位姿、采集点云、确定实际位置的步骤获取的。

2.如权利要求1所述的方法，所述参数包括：表征所述运动段之间的转角的参数；和/或表征所述运动段之间运动自由度的参数。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述标定基准物包括标定球，其中所述确定标定基准物的实际位置的步骤包括：通过所述点云，确定所述标定球的球心的位置。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述标定基准物包括多个标定球，所述多个标定球呈预设定向，其中所述确定标定基准物的参考位置的步骤包括：确定每个标定球的球心的位置；其中所述标定机器人的步骤包括：根据每个标定球的球心的位置确定所述多个标定球之间的实际定向；根据所述多个标定球的实际定向与预设定向之间的偏差，标定所述机器人。

5.一种用于机器人的标定系统，其中所述机器人包括基座、安装在所述基座上的至少两个相互连接的运动段以及末端执行器，所述标定系统包括：

位于所述机器人的外部的标定基准物；

点云获取装置，固定安装在所述末端执行器上，其中所述点云获取装置相对于所述机器人的外参被标定；和

控制器，所述控制器与所述机器人和点云获取装置通讯地耦合，并配置成：

通过给定的控制参数控制所述机器人的位姿；

通过所述点云获取装置采集所述标定基准物的参考点云；

通过所述控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的参考位置；

改变所述控制参数并根据所述控制参数改变所述机器人的位姿；

采集所述标定基准物的点云；

通过所述改变的控制参数、所述标定基准物的点云以及所述点云获取装置的外参，确定所述标定基准物的实际位置；

根据所述标定基准物的参考位置与实际位置之间的偏差，标定所述机器人；

其中所述控制器配置成：根据所述给定的控制参数，基于所述机器人的正运动学方程，计算所述点云获取装置的参考位置；所述正运动学方程是基于每个关节的角度、每个关节的位置和转动轴的信息确定的；

根据所述点云，计算所述标定基准物在所述点云获取装置的坐标系下的位置；

基于所述点云获取装置的外参以及所述标定基准物在所述点云获取装置的坐标系下的位置，计算所述标定基准物的参考位置；

其中，每两个相互连接的运动段之间通过关节连接，所述标定机器人的步骤包括：根据多个偏差，优化所述机器人的每个关节在正运动学方程中的参数；所述多个偏差是通过重复所述改变控制参数并改变机器人位姿、采集点云、确定实际位置的步骤获取的。