CN115256375B - 基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，包括以下：通过激光跟踪仪标定目标机器人并获取其DH参数，以描述目标机器人各关节的运动学关系；标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系；标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系。该方法只需简单的实验器材，实用性强，能有效地标定机器人末端操作器刀具与机器人第六关节法兰之间的位置及姿态关系。本发明所提出的基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法能够有效解决机器人末端操作器姿态标定难、标定复杂度高等问题，以便于机器人智能加工任务的开展。

Description

基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法及系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法及系统。

背景技术

在进行机器人智能加工任务诸如机器人焊接、机器人钻孔和机器人铣削等时，往往需要对机器人末端操作器进行姿态标定，以减小机器人末端工具加工方向偏置造成的加工误差，提高机器人打磨表面的质量。

当今市场急需解决机器人末端操作器姿态标定难、标定复杂度高等问题，以便于机器人智能加工任务的开展。

发明内容

本发明的目的是为了至少解决现有技术的不足之一，提供基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法及系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案，

具体的，提出基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，包括以下：

通过激光跟踪仪标定目标机器人并获取其DH参数，以描述目标机器人各关节的运动学关系；

标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系；

标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系。

进一步，具体的，标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系，包括，

控制目标机器人末端操作器的刀具尖端使其处于同一位置，此时获取四个不同且远离奇异的目标机器人的姿态；

结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与第六轴法兰中心的偏置向量，以此描述偏置关系。

进一步，具体的，控制目标机器人末端操作器的刀具尖端使其处于同一位置，包括，

在目标机器人的外部固定直径小于一定尺寸的第一针尖，在目标机器人的末端操作器上安装与所述第一针尖相同的第二针尖，保证所述第一针尖与所述第二针尖始终相接触。

进一步，具体的，结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与第六轴法兰中心的偏置向量，包括，

根据所述DH参数，得到目标机器人的DH模型对应的变换关系其中，/>是3×1的向量，表示目标机器人末端的操作器刀具尖端点在机器人基坐标系中的位置变换关系；/>是3×3的旋转矩阵，表示目标机器人法兰坐标系相对于目标机器人基坐标系的位置变换关系；/>是3×1的向量，表示目标机器人末端的操作器刀具尖端点在目标机器人法兰坐标系中的位置变换关系；/>是3×1的向量，表示目标机器人法兰中心点在目标机器人基坐标系中的位置变换关系，其中/>即为目标机器人末端的操作器刀具尖端与其法兰中心点的偏置向量，通过如下方式进行求解，

上述的四个位置变换关系结合机器人整运动学得到四个方程，

其中，由于目标机器人末端的操作器刀具尖端始终处于同一位置，且其与机器人法兰中心的偏置关系是固定的，因此未知变量和/>并不会受到影响，另一方面，由于我们需求解未知参数/>时会受到未知参数/>的影响，基于上述四个方程相减，即(3)-(2)，(4)-(3)，(5)-(4)，得到，

显然，根据最小二乘法，可计算出

进一步，具体的，标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系，包括，

在刀具尖端处于同一位置的情况下，获取三个不同的远离奇异的机器人姿态；

结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与法兰中心的旋转矩阵，以此描述目标机器人末端的操作器刀具与法兰法向的姿态关系。

进一步，具体的，在获取目标机器人的姿态时，通过以下方式监控是否远离奇异，计算奇异条件数如下式，

其中表示机器人雅可比矩阵J(q_i)的正交化形式，q_i为机器人的各个关节变量，‖·‖_F表示Frobenius范数，奇异条件数/>越小，机器人姿态越远离奇异，故预设第一阈值，使在获取目标机器人的姿态时，/>小于所述第一阈值。

进一步，具体的，获取三个不同的远离奇异的机器人姿态，包括，

通过示教器控制给定三组目标机器人绕末端操作器的功能性冗余度，基于此使其末端操作器的刀具绕标准测量块进行旋转，得到标准测量块三个角点的空间位置p₁，p₂以及p₃，构建向量v₁＝p₂-p₁,v₂＝p₃-p₁,通过求叉乘的形式得到当前标准测量块的棱线L的方向Z＝v₁×v₂；

保持目标机器人末端的操作器刀具方向与标准测量块的棱线L方向相同，获取三个不同的机器人姿态。

进一步，具体的，结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与法兰中心的旋转矩阵，包括，

根据运动学关系以及所述DH参数，得到目标机器人DH模型对应的变换关系其中/>表示目标机器人末端的操作器刀具方向与棱线方向相同，可由机器人正运动学计算得到，可得方程：

再次根据最小二乘法，可计算出旋转矩阵进而可用于描述目标机器人末端的操作器刀具与法兰法向的姿态关系。

本发明还提出基于工业机器人的末端操作器位姿标定系统，包括：

激光跟踪仪，用于标定目标机器人并获取其DH参数，以描述目标机器人各关节的运动学关系；

相互配合的第一针尖以及第二针尖，第一针尖与第二针尖相同，第一针尖用于在目标机器人的外部固定，第二针尖用于在目标机器人的末端操作器上安装，保证所述第一针尖与所述第二针尖始终相接触；

示教器，用于控制给定三组目标机器人绕末端操作器的功能性冗余度，基于此使其末端操作器的刀具绕标准测量块进行旋转；

偏置关系标定模块，用于标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系；

姿态关系标定模块，用于标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系。

本发明的有益效果为：

本发明通过针尖直径小于一定尺寸的打磨刀具标定机器人的末端操作器刀尖与其第六轴法兰之间的偏置关系。在此基础上，通过标准测量块约束机器人末端操作器的刀具方向，并结合六轴工业机器人末端操作器绕刀具轴的旋转属于功能性冗余度的性质(即该旋转不会影响机器人末端操作器刀具的加工方向)，利用人机交互的方式给定三组不同功能性冗余度并同时记录机器人的关节变量，最后，结合六轴机器人的运动学求解方法，实现末端操作器刀具的姿态标定。该方法只需简单的实验器材，实用性强，能有效地标定机器人末端操作器刀具与机器人第六关节法兰之间的位置及姿态关系。

附图说明

通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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，在附图中：

图1所示为本发明基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法的流程图；

图2所示为本发明基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法的通过激光跟踪仪标定的机器人改进DH参数表的一个实例图；

图3所示为本发明机器人末端的操作器刀具尖端位置相同时，机器人的四个不同的姿态的一个实例图；

图4所示为本发明基于标准块所需测量的三个位置和对应的棱线方向示意图；

图5所示为本发明机器人末端的操作器刀具加工方向相同时，机器人的三个不同的姿态示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。

参照图1以及图2，实施例1，本发明提出基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，包括以下：

通过激光跟踪仪标定目标机器人并获取其DH参数，以描述目标机器人各关节的运动学关系；

标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系；

标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系。

在本实施例1中，通过针尖直径小于一定尺寸的打磨刀具标定机器人的末端操作器刀尖与其第六轴法兰之间的偏置关系。在此基础上，通过标准测量块约束机器人末端操作器的刀具方向，并结合六轴工业机器人末端操作器绕刀具轴的旋转属于功能性冗余度的性质(即该旋转不会影响机器人末端操作器刀具的加工方向)，利用人机交互的方式给定三组不同功能性冗余度并同时记录机器人的关节变量，最后，结合六轴机器人的运动学求解方法，实现末端操作器刀具的姿态标定。该方法只需简单的实验器材，实用性强，能有效地标定机器人末端操作器刀具与机器人第六关节法兰之间的位置及姿态关系。

参照图3，作为本发明的优选实施方式，具体的，标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系，包括，

控制目标机器人末端操作器的刀具尖端使其处于同一位置，此时获取四个不同且远离奇异的目标机器人的姿态；

结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与第六轴法兰中心的偏置向量，以此描述偏置关系。

作为本发明的优选实施方式，具体的，控制目标机器人末端操作器的刀具尖端使其处于同一位置，包括，

在目标机器人的外部固定直径小于一定尺寸的第一针尖，在目标机器人的末端操作器上安装与所述第一针尖相同的第二针尖，保证所述第一针尖与所述第二针尖始终相接触。

具体的，第一针尖与第二针尖的末端直径小于1mm，因为考虑到实际应用问题，发现当针尖直径小于1mm的时候，较为适宜。

作为本发明的优选实施方式，具体的，结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与第六轴法兰中心的偏置向量，包括，

根据所述DH参数，得到目标机器人的DH模型对应的变换关系其中，/>是3×1的向量，表示目标机器人末端的操作器刀具尖端点在机器人基坐标系中的位置变换关系；/>是3×3的旋转矩阵，表示目标机器人法兰坐标系相对于目标机器人基坐标系的位置变换关系；/>是3×1的向量，表示目标机器人末端的操作器刀具尖端点在目标机器人法兰坐标系中的位置变换关系；/>是3×1的向量，表示目标机器人法兰中心点在目标机器人基坐标系中的位置变换关系，其中/>即为目标机器人末端的操作器刀具尖端与其法兰中心点的偏置向量，通过如下方式进行求解，

上述的四个位置变换关系结合机器人整运动学得到四个方程，

其中，由于目标机器人末端的操作器刀具尖端始终处于同一位置，且其与机器人法兰中心的偏置关系是固定的，因此未知变量和/>并不会受到影响，另一方面，由于我们需求解未知参数/>时会受到未知参数/>的影响，基于上述四个方程相减，即(3)-(2)，(4)-(3)，(5)-(4)，得到，

显然，根据最小二乘法，可计算出

参照图4以及图5，作为本发明的优选实施方式，具体的，标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系，包括，

在刀具尖端处于同一位置的情况下，获取三个不同的远离奇异的机器人姿态；

结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与法兰中心的旋转矩阵，以此描述目标机器人末端的操作器刀具与法兰法向的姿态关系。

作为本发明的优选实施方式，具体的，在获取目标机器人的姿态时，通过以下方式监控是否远离奇异，

计算奇异条件数如下式，

其中表示机器人雅可比矩阵J(q_i)的正交化形式，q_i为机器人的各个关节变量，‖·‖_F表示Frobenius范数，奇异条件数/>越小，机器人姿态越远离奇异，故预设第一阈值，使在获取目标机器人的姿态时，/>小于所述第一阈值。

作为本发明的优选实施方式，具体的，获取三个不同的远离奇异的机器人姿态，包括，

通过示教器控制给定三组目标机器人绕末端操作器的功能性冗余度，基于此使其末端操作器的刀具绕标准测量块进行旋转，得到标准测量块三个角点的空间位置p₁，p₂以及p₃，构建向量v₁＝p₂-p₁,v₂＝p₃-p₁,通过求叉乘的形式得到当前标准测量块的棱线L的方向Z＝v₁×v₂；

保持目标机器人末端的操作器刀具方向与标准测量块的棱线L方向相同，获取三个不同的机器人姿态。

作为本发明的优选实施方式，具体的，结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与法兰中心的旋转矩阵，包括，

根据运动学关系以及所述DH参数，得到目标机器人DH模型对应的变换关系其中/>表示目标机器人末端的操作器刀具方向与棱线方向相同，可由机器人正运动学计算得到，可得方程：

再次根据最小二乘法，可计算出旋转矩阵进而可用于描述目标机器人末端的操作器刀具与法兰法向的姿态关系。

具体的本发明所提出的方法主要实现过程如下：

步骤1)利用激光跟踪仪标定机器人的改进DH参数，以描述机器人各关节的运动学关系。

步骤2)在机器人外部固定直径小于1mm针尖，用于标定机器人末端操作器刀具尖端与机器人法兰之间的偏置关系(即相对的空间位置关系)。

步骤3)在机器人末端操作器上同样安装相同的针尖，结合奇异条件数，使机器人处于四个不同且远离奇异的姿态，同时保证末端操作器上的针尖与外部固定的针尖始终相接触。

步骤4)结合根据步骤2)的四个不同机器人姿态的关节变量，利用最小二乘法可先标定机器人末端操作器刀具尖端与机器人法兰之间的偏置关系。

步骤5)在步骤3)的基础上，计算标准测量块的棱线在机器人基坐标系中的方向，并使其与末端操作器刀具的方向相同。

步骤6)利用示教器控制给定三组机器人绕末端操作器的功能性冗余度，使其末端操作器的刀具绕步骤4)给定的标准测量块进行旋转，并同时得到三组机器人加工姿态。期间，通过步骤3)所述的奇异条件数使机器人的位姿远离奇异。

步骤7)根据步骤5)的三组机器人姿态，机器人正运动学和最小二乘法，可对机器人末端操作器与机器人法兰进行相对姿态关系的标定。

本发明还提出基于工业机器人的末端操作器位姿标定系统，包括：

激光跟踪仪，用于标定目标机器人并获取其DH参数，以描述目标机器人各关节的运动学关系；

相互配合的第一针尖以及第二针尖，第一针尖与第二针尖相同，第一针尖用于在目标机器人的外部固定，第二针尖用于在目标机器人的末端操作器上安装，保证所述第一针尖与所述第二针尖始终相接触；

示教器，用于控制给定三组目标机器人绕末端操作器的功能性冗余度，基于此使其末端操作器的刀具绕标准测量块进行旋转；

偏置关系标定模块，用于标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系；

姿态关系标定模块，用于标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。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中的方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的模块如果以软件功能模块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，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储的介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或系统、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包括的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。

尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (5)

1.基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，其特征在于，包括以下：

通过激光跟踪仪标定目标机器人并获取其DH参数，以描述目标机器人各关节的运动学关系；

标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系；

标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系；

具体的，标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系，包括，

控制目标机器人末端操作器的刀具尖端使其处于同一位置，此时获取四个不同且远离奇异的目标机器人的姿态；

结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与第六轴法兰中心的偏置向量，以此描述偏置关系；

具体的，在获取目标机器人的姿态时，通过以下方式监控是否远离奇异，

计算奇异条件数如下式，

其中表示机器人雅可比矩阵J(q_i)的正交化形式，q_i为机器人的各个关节变量，||·||_F表示Frobenius范数，奇异条件数/>越小，机器人姿态越远离奇异，故预设第一阈值，使在获取目标机器人的姿态时，/>小于所述第一阈值；

具体的，结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与第六轴法兰中心的偏置向量，包括，

根据所述DH参数，得到目标机器人的DH模型对应的变换关系 其中，/>是3×1的向量，表示目标机器人末端的操作器刀具尖端点在机器人基坐标系中的位置变换关系；/>是3×3的旋转矩阵，表示目标机器人法兰坐标系相对于目标机器人基坐标系的位置变换关系；/>是3×1的向量，表示目标机器人末端的操作器刀具尖端点在目标机器人法兰坐标系中的位置变换关系；/>是3×1的向量，表示目标机器人法兰中心点在目标机器人基坐标系中的位置变换关系，其中/>即为目标机器人末端的操作器刀具尖端与其法兰中心点的偏置向量，通过如下方式进行求解，

上述的四个位置变换关系结合机器人整运动学得到四个方程，

其中，由于目标机器人末端的操作器刀具尖端始终处于同一位置，且其与机器人法兰中心的偏置关系是固定的，因此未知变量和/>并不会受到影响，另一方面，由于我们需求解未知参数/>时会受到未知参数/>的影响，基于上述四个方程相减，即(3)-(2)，(4)-(3)，(5)-(4)，得到，

显然，根据最小二乘法，可计算出

具体的，结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与法兰中心的旋转矩阵，包括，

根据运动学关系以及所述DH参数，得到目标机器人DH模型对应的变换关系其中/>表示目标机器人末端的操作器刀具方向与棱线方向相同，/>可由机器人正运动学计算得到，可得方程：

再次根据最小二乘法，可计算出旋转矩阵进而可用于描述目标机器人末端的操作器刀具与法兰法向的姿态关系。

2.根据权利要求1所述的基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，其特征在于，具体的，控制目标机器人末端操作器的刀具尖端使其处于同一位置，包括，

在目标机器人的外部固定直径小于一定尺寸的第一针尖，在目标机器人的末端操作器上安装与所述第一针尖相同的第二针尖，保证所述第一针尖与所述第二针尖始终相接触。

3.根据权利要求2所述的基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，其特征在于，具体的，标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系，包括，

在刀具尖端处于同一位置的情况下，获取三个不同的远离奇异的机器人姿态；

结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与法兰中心的旋转矩阵，以此描述目标机器人末端的操作器刀具与法兰法向的姿态关系。

4.根据权利要求3所述的基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，其特征在于，具体的，获取三个不同的远离奇异的机器人姿态，包括，

通过示教器控制给定三组目标机器人绕末端操作器的功能性冗余度，基于此使其末端操作器的刀具绕标准测量块进行旋转，得到标准测量块三个角点的空间位置p₁，p₂以及p₃，构建向量v₁＝p₂-p₁,v₂＝p₃-p₁,通过求叉乘的形式得到当前标准测量块的棱线L的方向Z＝v₁×v₂；

保持目标机器人末端的操作器刀具方向与标准测量块的棱线L方向相同，获取三个不同的机器人姿态。

5.基于工业机器人的末端操作器位姿标定系统，其特征在于，应用了权利要求1所述的基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，所述系统包括：

激光跟踪仪，用于标定目标机器人并获取其DH参数，以描述目标机器人各关节的运动学关系；

相互配合的第一针尖以及第二针尖，第一针尖与第二针尖相同，第一针尖用于在目标机器人的外部固定，第二针尖用于在目标机器人的末端操作器上安装，保证所述第一针尖与所述第二针尖始终相接触；

示教器，用于控制给定三组目标机器人绕末端操作器的功能性冗余度，基于此使其末端操作器的刀具绕标准测量块进行旋转；

偏置关系标定模块，用于标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系；

姿态关系标定模块，用于标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系。