CN115365979A - 光学加工工具标定方法、装置、计算机设备及可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例中提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法、装置、计算机设备及可读存储介质，基于加工工具的几何外形特征通过激光跟踪仪完成加工工具坐标系的粗调，精调工具坐标系的姿态使其与机器人法兰坐标系平行，对工具坐标系的姿态进行微调，同时进一步修正工具工作点相对于法兰盘中心点的偏置量，保证加工过程工具位姿的准确性。基于加工工具的几何外形尺寸，利用激光跟踪仪不仅高精度的标定了加工工具工作点相对于机器人法兰坐标系的位姿转换关系，准确标定了加工工具的工作面姿态，又进一步修正加工工具工作点相对于机器人法兰中心点的位置转换关系。通过粗调、精调与微调的相结合的方法，实现了工具坐标系的准确标定。

Description

光学加工工具标定方法、装置、计算机设备及可读存储介质
技术领域
本发明涉及机器人标定领域，特别涉及一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法、装置、计算机设备及可读存储介质。
背景技术
近年来随着机器人技术的成熟，越来越多的六自由度工业机器人被用于中低加工精度的光学加工领域中，代替传统的数控机床作为运动执行机构。六自由度工业机器人相比于数控机床，其优势在于：设备成本低，有利于降低加工成本；设备自由度高，提高了加工工具的姿态的准确性，有利于面形误差的收敛；占地面积小、空间利用率高，有利于加工设备的批量化配置。现在工业机器人主要与小磨头加工技术、气囊加工技术等光学加工技术相结合，这已经成为了光学加工领域对机器人的主要应用方式。
将光学加工工具（如小磨头、气囊）与机器人相结合时，需要对工具进行标定，建立工具坐标系与机器人法兰坐标系的转换关系，实现机器人与加工工具的联动。目前对这些加工工具的标定主要采用“四点标定法”或者“五点标定法”，但该方法依赖于人工的操作经验，并且标定精度较低，影响加工时工具位姿的准确性。
现在对机器人工具坐标系的标定，主要的采用的方法为“四点标定法”或者“五点标定法”，具体操作是：在机器人工作区域内放置一尖点，操作人员驱动机器人使工具中心点对准该尖点，保持工具中心点位置不变，变换工具的姿态，共记录四次或五次，即可通过机器人的内置程序自动生成工具坐标系的参数，完成工具坐标系的标定。从上述标动过程可以看出这种“四点标定法”或者“五点标定法”依赖于操作人员的经验，标定精度较低，并且该方法仅仅只是对工具加工点的位姿进行标定，无法实现对工具整体的位姿进行标定。对于光学加工而言，需要的是加工工具工作面与被加工点及被加工区域的吻合。因此对于目前常用的“四点标定法”或者“五点标定法”的缺点，该专利提出了一种基于激光跟踪的加工工具标定方法，该方法可以高精度的标定加工工具的中心点位姿，并且可以有效标定并校正由于硬件的加工误差、装配误差以及机器人姿态误差等因素导致的加工工具工作面的姿态误差，同时进一步的修正加工工具中心点的标定精度。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例中提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法及装置。
第一方面，本发明提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，包括：
基于预先搭建的机器人末端法兰盘坐标系{F}建立激光跟踪仪的测量坐标系{M}，并使得所述测量坐标系{M}与末端法兰盘坐标系{F}平行，所述机器人的末端法兰盘的第一中心点坐标(x0,y0,z0)；
根据光学加工工具的第二中心点坐标确定抛光轮相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量，完成粗调操作；
调节所述光学加工工具的工作坐标系与所述末端法兰坐标系平行，对所述光学加工工具的零位姿态进行调整并修正所述第二中心点坐标与所述第一中心点坐标的第二偏置量，完成标定。
作为一种可选的方案，所述光学加工工具为小磨头加工模块，所述根据光学加工工具的第二中心点坐标确定抛光轮相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量，包括：
根据光学加工工具的几何结构确定所述光学加工工具的第二中心点坐标(x1 ′,y1,z1)，根据所述第二中心点坐标确定抛光轮的最低点相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量(∆X1, ∆Y1, ∆Z1)。
作为一种可选的方案，所述对所述光学加工工具的零位姿态进行调整并修正所述第二中心点坐标与所述第一中心点坐标的第二偏置量包括：
基于直角靶球把持器的辅助，对所述光学加工工具的实际零位姿态进行微调，并进一步修正所述光学加工工具的第二中心点坐标相对于所述第一中心点坐标的第二偏置量(∆X1 ′, ∆Y1 ′, ∆Z1 ′)。
作为一种可选的方案，所述光学加工工具为磁流变加工模块，所述根据光学加工工具的第二中心点坐标确定抛光轮相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量，包括：
通过所述激光跟踪仪的球面拟合功能确定所述抛光轮的中心点坐标(x2,y2,z2 ′)和所述抛光轮的半径R2，根据所述抛光轮的中心点坐标和所述抛光轮的半径确定所述抛光轮的最低点坐标(x2,y2,z2)=( x2,y2,z2 ′- R2)，利用所述抛光轮的最低点坐标确定所述抛光轮最低点相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量(∆x2, ∆y2, ∆z2)。
作为一种可选的方案，所述对所述光学加工工具的零位姿态进行调整并修正所述第二中心点坐标与所述第一中心点坐标的第二偏置量包括：
基于所述抛光轮在实际零位姿态及零位姿态理论值的偏差，对所述抛光轮的实际零位姿态进行微调，并进一步修正所述抛光最低点相对于所述第一中心点坐标的第二偏置量(∆X2 ′, ∆Y2 ′, ∆Z2 ′)。
作为一种可选的方案，所述基于预先搭建的机器人末端法兰盘坐标系{F}建立激光跟踪仪的测量坐标系{M}，并使得所述测量坐标系{M}与末端法兰盘坐标系{F}平行，所述机器人的末端法兰盘的第一中心点坐标(x0,y0,z0)包括：
搭建激光跟踪仪的测量系统，将靶球放置于法兰盘侧面圆柱面上并固定；
驱动光学加工设备分别沿着所述末端法兰盘坐标系{F}的X轴、Y轴和Z轴移动，利用所述激光跟踪仪测量多个方向在不同位置点的坐标，每个方向的测量点数不少于2个；
通过所述激光跟踪仪的直线拟合功能确定所述测量坐标系{M}的X轴、Y轴和Z轴方向，使得测量坐标系{M}的X轴、Y轴和Z轴方向与法兰坐标系{F}一致
旋转所述机器人的末端第六轴，测量靶球在多个不同位置坐标，测量点数不少于4个点，利用所述激光跟踪仪的球拟合功能确定所述靶球所在球的中心点坐标(x0 ′,y0 ′,z0 ′)，将所述靶球放置于所述末端法兰盘端面并测量位置坐标(x0 ′′,y0 ′′,z0 ′′)，则所述末端法兰盘的中心点坐标为(x0,y0,z0)=( x0 ′,y0 ′, z0 ′′-R1)，其中R1表示靶球半径。
第二方面，本发明提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定装置，包括六自由度工业机器人、光学加工工具和激光跟踪仪，应用于如上述基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法。
作为一种可选的方案，所述光学加工工具包括小磨头加工模块或磁流变加工模块，光学加工工具还可以是气囊加工工具、砂带机加工工具等具有明显几何尺寸的加工工具，对此不做限定。
第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法。
第四方面，本发明提供一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法。
本发明提供的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，基于加工工具的几何外形特征通过激光跟踪仪完成加工工具坐标系的粗调，精调工具坐标系的姿态使其与机器人法兰坐标系平行，对工具坐标系的姿态进行微调，同时进一步修正工具工作点相对于法兰盘中心点的偏置量，保证加工过程工具位姿的准确性。通过粗调、精调与微调的相结合的方法，实现了工具坐标系的准确标定。
附图说明
图1为本发明实施例中提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法的流程图；
图2为本发明实施例中提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法中机器人末端法兰坐标系位姿示意图；
图3为本发明实施例中提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法中小磨头加工模块标定示意图；
图4为本发明实施例中提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法中小磨头加工模块坐标系微调示意图；
图5为本发明实施例中提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法中磁流变加工模块工具标定示意图；
图6为本发明实施例中提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法中磁流变加工模块工具各坐标系位姿示意图；
图7为本发明实施例中提供一种计算机设备的结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必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，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，本发明实施例中提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，包括：
S101、基于预先搭建的机器人末端法兰盘坐标系{F}建立激光跟踪仪的测量坐标系{M}，并使得所述测量坐标系{M}与末端法兰盘坐标系{F}平行，所述机器人的末端法兰盘的第一中心点坐标(x0,y0,z0)。
S102、根据光学加工工具的第二中心点坐标确定抛光轮相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量，完成粗调操作。
S103、调节所述光学加工工具的工作坐标系与所述末端法兰坐标系平行，对所述光学加工工具的零位姿态进行调整并修正所述第二中心点坐标与所述第一中心点坐标的第二偏置量，完成标定。
本发明提供的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，基于加工工具的几何外形特征通过激光跟踪仪完成加工工具坐标系的粗调，精调工具坐标系的姿态使其与机器人法兰坐标系平行，对工具坐标系的姿态进行微调，同时进一步修正工具工作点相对于法兰盘中心点的偏置量，保证加工过程工具位姿的准确性。通过粗调、精调与微调的相结合的方法，实现了工具坐标系的准确标定。
在一些实施例中，所述光学加工工具为小磨头加工模块，所述根据光学加工工具的第二中心点坐标确定抛光轮相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量，包括：
根据光学加工工具的几何结构确定所述光学加工工具的第二中心点坐标(x1 ′,y1,z1)，根据所述第二中心点坐标确定抛光轮的最低点相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量(∆X1, ∆Y1, ∆Z1)。
在一些实施例中，所述对所述光学加工工具的零位姿态进行调整并修正所述第二中心点坐标与所述第一中心点坐标的第二偏置量包括：
基于直角靶球把持器的辅助，对所述光学加工工具的实际零位姿态进行微调，并进一步修正所述光学加工工具的第二中心点坐标相对于所述第一中心点坐标的第二偏置量(∆X1 ′, ∆Y1 ′, ∆Z1 ′)。
在一些实施例中，所述光学加工工具为磁流变加工模块，所述根据光学加工工具的第二中心点坐标确定抛光轮相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量，包括：
通过所述激光跟踪仪的球面拟合功能确定所述抛光轮的中心点坐标(x2,y2,z2 ′)和所述抛光轮的半径R2，根据所述抛光轮的中心点坐标和所述抛光轮的半径确定所述抛光轮的最低点坐标(x2,y2,z2)=( x2,y2,z2 ′- R2)，利用所述抛光轮的最低点坐标确定所述抛光轮最低点相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量(∆x2, ∆y2, ∆z2)。
在一些实施例中，所述对所述光学加工工具的零位姿态进行调整并修正所述第二中心点坐标与所述第一中心点坐标的第二偏置量包括：
基于所述抛光轮在实际零位姿态及零位姿态理论值的偏差，对所述抛光轮的实际零位姿态进行微调，并进一步修正所述抛光最低点相对于所述第一中心点坐标的第二偏置量(∆X2 ′, ∆Y2 ′, ∆Z2 ′)。
在一些实施例中，所述基于预先搭建的机器人末端法兰盘坐标系{F}建立激光跟踪仪的测量坐标系{M}，并使得所述测量坐标系{M}与末端法兰盘坐标系{F}平行，所述机器人的末端法兰盘的第一中心点坐标(x0,y0,z0)包括：
搭建激光跟踪仪的测量系统，将靶球放置于法兰盘侧面圆柱面上并固定；
驱动光学加工设备分别沿着所述末端法兰盘坐标系{F}的X轴、Y轴和Z轴移动，利用所述激光跟踪仪测量多个方向在不同位置点的坐标，每个方向的测量点数不少于2个；
通过所述激光跟踪仪的直线拟合功能确定所述测量坐标系{M}的X轴、Y轴和Z轴方向，使得测量坐标系{M}的X轴、Y轴和Z轴方向与法兰坐标系{F}一致。
旋转所述机器人的末端第六轴，测量靶球在多个不同位置坐标，测量点数不少于4个点，利用所述激光跟踪仪的球拟合功能确定所述靶球所在球的中心点坐标(x0 ′,y0 ′,z0 ′)，将所述靶球放置于所述末端法兰盘端面并测量位置坐标(x0 ′′,y0 ′′,z0 ′′)，则所述末端法兰盘的中心点坐标为(x0,y0,z0)=( x0 ′,y0 ′, z0 ′′-R1)，其中R1表示靶球半径。
本发明实施例中提供了一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具高精度标定方法，以光学加工工具为下磨头加工工具为例，标定流程为首先基于机器人3的末端法兰盘5坐标系{F}建立激光跟踪仪1的测量坐标系{M}，使得测量坐标系{M}与法兰坐标系{F}平行，此外测量机器人3的末端法兰盘5中心点坐标(x0,y0,z0)。
对于机器人小磨头加工工具8的标定，首先利用小磨头加工模块2特殊的几何外形结构可获得小磨头加工工具8中心点坐标(x1′, y1,z1)，进而确定抛光轮11最低点相对于末端法兰盘5中心点的偏置量(∆X1, ∆Y1, ∆Z1)，完成粗调的过程。对小磨头加工工具8的工作坐标系进行精调，使小磨头加工工具8的工作坐标系平行于机器人3的末端法兰盘坐标系{F}。基于直角靶球把持器10的辅助，对小磨头加工工具8的实际零位姿态进行微调，并进一步修正小磨头加工工具8中心点坐标相对于末端法兰盘5中心点坐标的偏置量(∆X1′, ∆Y1′, ∆Z1′)，机器人小磨头加工工具8的高精度标定完成。
对于机器人磁流变加工设备加工工具的标定，标定流程和上述机器人小磨头加工工具基本一致，但不同点在于（1）通过激光跟踪仪1的球面拟合功能确定抛光轮11的中心点坐标(x2,y2,z2′)以及抛光轮11半径R2，因此抛光轮11最低点坐标为(x2,y2,z2)=( x2,y2,z2′- R2)，进而确定抛光轮11最低点相对于末端法兰盘5中心点坐标的偏置量(∆x2, ∆y2,∆z2)；（2）对于工具坐标系位姿的微调，基于抛光轮11在实际零位时的姿态及其理论值的偏差，对抛光轮11的实际零位姿态进行微调，并进一步修正抛光轮11最低点相对于末端法兰盘5中心点的偏置量(∆X2′, ∆Y2′, ∆Z2′)，机器人磁流变加工设备的加工工具高精度标定完成。
结合图2和图3所示，本发明实施例中提供了一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，以光学加工工具为小磨头工具模块，具体包括：
如图2所示首先搭建激光跟踪仪测量系统，将靶球6放置于末端法兰盘5侧面圆柱面上并固定。驱动机器人3的小磨头加工模块2分别沿着法兰坐标系{F}的X轴、Y轴和Z轴移动，小磨头加工模块2包括小磨头加工工具8，同时利用激光跟踪仪1测量各个方向在不同位置点的坐标，每个方向的测量点数不少于2个，通过激光跟踪仪1的直线拟合功能，确定测量坐标系{M}的X轴、Y轴和Z轴方向，使得测量坐标系{M}的X轴、Y轴和Z轴方向与法兰坐标系{F}一致。旋转机器人3末端第六轴，同时测量靶球6在不同位置坐标，测量点数不少于4个点，利用激光跟踪仪1的球拟合功能确定靶球6所在球的中心点坐标(x0′,y0′,z0′)，将靶球6放置于末端法兰盘5端面并测量此时的位置坐标(x0′′,y0′′,z0′′)，则末端法兰盘5的中心点坐标为(x0,y0,z0)=( x0′,y0′, z0′′-R1)，其中R1表示靶球半径。
如图3所示，将小磨头加工模块2安装于六自由度工业机器人3的末端法兰盘5上，小磨头加工模块2包括驱动电机4、末端法兰盘5、靶球6、安装板7和小磨头加工工具8、直角靶球把持器10和抛光轮11，驱动电机4和小磨头加工工具8通过安装板7与末端法兰盘5安装在一起，抛光轮11安装在小磨头加工工具8上，计算小磨头加工模块2在零点时的理论姿态旋转矩阵输入到示教器中，同时将小磨头加工工具8的中心点相对于末端法兰盘5中心点坐标的理论偏移量(∆X0, ∆Y0, ∆Z0)输入到示教器中，示教器的主要功能有通信暂时中断、功能复位、功能触摸屏无效化功能、机器人系统重启，得到小磨头加工工具8的理论工具坐标系{T1}。
将小磨头加工模块2设置为工具坐标系{T1}模式，调整小磨头加工模块2，使小磨头加工模块2处于零位姿态。将靶球6放置于圆柱安装板7侧面的不同位置并测量其对应的空间坐标，测量个数不少于3个，利用激光跟踪仪1圆拟合功能确定安装板7所在的中心点坐标(y1,z1)，因为小磨头加工工具8中心点在安装板7中心线上，因此小磨头加工工具8中心点的Y-Z坐标为(y1,z1)，将靶球6放置于小磨头加工工具8的加工面上，测量靶球6坐标为(x1′,y1′,z1′)，此时小磨头加工工具8中心点坐标为(x1′ -R1, y1,z1)，相对于法兰中心点坐标的偏置量为(x1′- x0′ -R1, y1- y0′,z1- z0′′+R1)，在工具坐标系{T1}下，工具坐标系{T1}相对于末端法兰盘5中心点坐标的偏置量为(∆X1, ∆Y2, ∆Z3)=( z1- z0′′+R1, y1- y0′,x1′- x0′ -R1)，由此初步确定了小磨头工具坐标系{T1}相对于法兰坐标系{F}的偏移量(∆X1, ∆Y2, ∆Z3)，并将偏移量(∆X1, ∆Y2, ∆Z3)输入示教器中，工具坐标系{T1}偏移量粗调完成，得到工具坐标系{T2}。
将小磨头加工模块2设置为工具坐标系{T2}模式。驱动小磨头加工模块2分别沿着工具坐标系{T2}的X轴、Y轴和Z轴移动，同时利用激光跟踪仪1测量各个方向在不同位置点的坐标，每个方向的测量点数不少于2个，通过激光跟踪仪1的直线拟合功能，确定工具坐标系{T2}的X轴、Y轴和Z轴方向，计算工具坐标系{T2}的X轴、Y轴和Z轴方向分别与测量坐标系{M}的Z、Y和X轴的夹角。如果误差角小于θ，关于θ取值范围为0° <θ<arctan(∆/L)，其中∆表示在X轴、Y轴和Z轴方向的定位允差，L表示在X轴、Y轴和Z轴方向的工作距离，工具坐标系{T2}的姿态符合设定值，工具坐标系{T2}姿态精调完成，得到工具坐标系{T3}；如果对应夹角大于θ，计算工具坐标系{T2}相对于测量坐标系{M}对应轴的误差旋转矩阵，并对工具坐标系{T2}的旋转误差进行修正，并将修正后的旋转矩阵相关参数输入示教器中，得到工具坐标系{T3}，保证工具坐标系{T3}与测量坐标系{M}的各轴夹角小于θ，工具坐标系{T2}姿态精调完成，得到工具坐标系{T3}。
如图4所示，卸下小磨头加工工具8，安装直角靶球把持器10并将靶球6放置在上面，驱动电机4缓慢转动，使得直角靶球把持器10上的靶球6缓慢做圆周运动，同时测量靶球6在不同位置的坐标，测量点个数至少为4个。计算测量点所在面的法线与测量坐标系{M}各轴的夹角，如果对应夹角小于θ，则小磨头加工工具8标定完成；如果对应夹角大于θ，计算工具坐标系{T3}相对于测量坐标系{M}对应轴的误差旋转矩阵，并对工具坐标系{T3}的旋转误差进行修正，并将修正后的旋转矩阵相关参数输入示教器中，得到工具坐标系{T4}，保证工具坐标系{T4}与测量坐标系{M}的各轴夹角小于θ。安装小磨头加工工具8，按照上述过程再次测量并计算小磨头加工工具8中心点坐标相对于末端法兰盘5中心点坐标的偏置量(∆X1′, ∆Y1′, ∆Z1′)，进一步校正工具坐标系{T4}相对于法兰坐标系{F}的平移矩阵，得到工具坐标系{T5}，并将校正后的工具坐标系{T5}中平移矩阵输入到示教器中，工具坐标系{T5}的位姿矩阵微调完成，机器人小磨头加工模块工具8高精度标定完成。
通过对上述小磨头加工工具8的工具坐标系粗调、精调和微调的标定过程，不仅实现了小磨头加工工具8中心点所在坐标系的位姿标定，而且准确标定了小磨头加工工具8工作面的姿态，保证了加工过程机器人小磨头加工模块加工时加工工具位姿的准确。
如图5和图6所示，本发明实施例中提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，以光学加工工具为磁流变加工模块，具体包括：
对于工具坐标系位姿粗调的过程：将磁流变加工模块设置为理论工具坐标系{T1}模式，调整磁流变加工模块处于零位姿态，各个坐标系对应的位姿如图6所示。将靶球6放置于抛光轮11外表面至少4个不同位置，利用激光跟踪仪1测量不同位置处的靶球6坐标，通过激光跟踪仪1的拟合球功能可以计算出抛光轮11中心点坐标(x2, y2,z2)和抛光轮11半径R2，因此抛光轮最低点坐标为(x2, y2,z2)=( x2, y2,z2′-R2)，进而确定抛光轮11最低点相对于末端法兰盘5中心点坐标的偏置量(∆X2, ∆Y2, ∆Z2)= ( x2-x0,y2-y0,z2′-R2-z0) 并将偏移量输入示教器中，工具坐标系{T1}粗调完成；
对于工具坐标系位姿微调的过程：将磁流变加工模块设置为工具坐标系{T3}模式。由于抛光轮处于磁场环境中，可以直接将靶球6通过磁场吸附于抛光轮11外表面，缓慢转动抛光轮11并测量至少4个不同位置的靶球6坐标，计算测量点所在面的法线与测量坐标系{M}Y轴的夹角，如果计算测量点所在面的法线与测量坐标系{M}Y轴的夹角小于β，则工具坐标系{T3}姿态符合设定值，机器人磁流变加工模块高精度标定完成。如果二者的夹角大于β，计算测量点所在面相对于测量坐标系{M}X轴和Z轴的旋转角，并根据X轴和Z轴的旋转角误差矩阵对工具坐标系{T2}的X轴和Z轴的旋转矩阵进行进一步修正，得到工具坐标系{T4}，将工具坐标系{T4}相关参数输入示教器中。再次测量抛光轮11最低点相对于末端法兰盘5中心点的偏置量(∆X2′, ∆Y2′, ∆Z2′)，进一步校正了工具坐标系{T4}相对于法兰坐标系{F}的平移矩阵，得到工具坐标系{T5}，并将校正后的工具坐标系{T5}中平移矩阵输入到示教器中，完成机器人磁流变加工设备加工工具的精准标定。
需要说明的是，本发明实施里提供的方案不仅仅适用小磨头加工工具和磁流变抛光工具，还适用于气囊加工工具、砂带机加工工具等具有明显几何尺寸的加工工具。此外该方法还适用于精密机床与加工工具之间的高精度标定。
本发明实施例中提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，基于加工工具的几何外形特征通过激光跟踪仪完成加工工具坐标系的粗调，精调工具坐标系的姿态使其与机器人法兰坐标系平行，对工具坐标系的姿态进行微调，同时进一步修正工具工作点相对于法兰盘中心点的偏置量，保证加工过程工具位姿的准确性。基于加工工具的几何外形尺寸，利用激光跟踪仪不仅高精度的标定了加工工具工作点相对于机器人法兰坐标系的位姿转换关系，而且准确标定了加工工具的工作面姿态，同时加工工具工作面姿态的高精度标定与校正又进一步修正加工工具工作点相对于机器人法兰中心点的位置转换关系。通过粗调、精调与微调的相结合的方法，实现了工具坐标系的准确标定。
相应地，本发明实施例中提供一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定装置，包括六自由度工业机器人3、光学加工工具和激光跟踪仪1，应用于如上述基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法。
在一些实施例中，所述光学加工工具包括小磨头加工模块2或磁流变加工模块。
结合图3和图4所示，当光学加工工具为小磨头加工模块2时，小磨头加工模块2包括驱动电机4、末端法兰盘5、靶球6、安装板7和小磨头加工工具8、直角靶球把持器10和抛光轮11，驱动电机4和小磨头加工工具8通过安装板7与末端法兰盘5安装在一起，抛光轮11安装在小磨头加工工具8上。
结合图5所示，当光学加工工具为磁流变加工模块时，磁流变加工模块包括末端法兰盘5、靶球6、抛光轮11和磁流变加工头12，抛光轮11和靶球6安装在磁流变加工头12上。
本发明提供的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定装置，基于加工工具的几何外形特征通过激光跟踪仪完成加工工具坐标系的粗调，精调工具坐标系的姿态使其与机器人法兰坐标系平行，对工具坐标系的姿态进行微调，同时进一步修正工具工作点相对于法兰盘中心点的偏置量，保证加工过程工具位姿的准确性。通过粗调、精调与微调的相结合的方法，实现了工具坐标系的准确标定。
相应地，根据本发明的实施例，本发明还提供了一种计算机设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
图7为本发明实施例中提供的一种计算机设备100的结构示意图。图7示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性计算机设备100的框图。图7显示的计算机设备100仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图7所示，计算机设备100以通用计算设备的形式表现。计算机设备100旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本发明的实现。
计算机设备100的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。
总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。
计算机设备100典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备100访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备100可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图7未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图7中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM、DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。系统存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如系统存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备100也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备100交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备100能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，计算机设备100还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备100的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合计算机设备100使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法。
本发明实施例中还提供一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时本申请所有发明实施例提供的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法。
本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时实现根据上述的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，其特征在于，包括：
基于预先搭建的机器人末端法兰盘坐标系{F}建立激光跟踪仪的测量坐标系{M}，并使得所述测量坐标系{M}与末端法兰盘坐标系{F}平行，所述机器人的末端法兰盘的第一中心点坐标(x0,y0,z0)；
根据光学加工工具的第二中心点坐标确定抛光轮相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量，完成粗调操作；
调节所述光学加工工具的工作坐标系与所述末端法兰坐标系平行，对所述光学加工工具的零位姿态进行调整并修正所述第二中心点坐标与所述第一中心点坐标的第二偏置量，完成标定。
2.根据权利要求1所示的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，其特征在于，所述光学加工工具为小磨头加工模块，所述根据光学加工工具的第二中心点坐标确定抛光轮相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量，包括：
根据光学加工工具的几何结构确定所述光学加工工具的第二中心点坐标(x1 ′, y1,z1)，根据所述第二中心点坐标确定抛光轮的最低点相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量(∆X1, ∆Y1, ∆Z1)。
3.根据权利要求2所示的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，其特征在于，所述对所述光学加工工具的零位姿态进行调整并修正所述第二中心点坐标与所述第一中心点坐标的第二偏置量包括：
基于直角靶球把持器的辅助，对所述光学加工工具的实际零位姿态进行微调，并进一步修正所述光学加工工具的第二中心点坐标相对于所述第一中心点坐标的第二偏置量(∆X1 ′, ∆Y1 ′, ∆Z1 ′)。
4.根据权利要求1所示的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，其特征在于，所述光学加工工具为磁流变加工模块，所述根据光学加工工具的第二中心点坐标确定抛光轮相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量，包括：
通过所述激光跟踪仪的球面拟合功能确定所述抛光轮的中心点坐标(x2,y2,z2 ′)和所述抛光轮的半径R2，根据所述抛光轮的中心点坐标和所述抛光轮的半径确定所述抛光轮的最低点坐标(x2,y2,z2)=( x2,y2,z2 ′- R2)，利用所述抛光轮的最低点坐标确定所述抛光轮最低点相对于所述第一中心点坐标的第一偏置量(∆x2, ∆y2, ∆z2)。
5.根据权利要求4所示的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，其特征在于，所述对所述光学加工工具的零位姿态进行调整并修正所述第二中心点坐标与所述第一中心点坐标的第二偏置量包括：
基于所述抛光轮在实际零位姿态及零位姿态理论值的偏差，对所述抛光轮的实际零位姿态进行微调，并进一步修正所述抛光最低点相对于所述第一中心点坐标的第二偏置量(∆X2 ′, ∆Y2 ′, ∆Z2 ′)。
6.根据权利要求1所示的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法，其特征在于，所述基于预先搭建的机器人末端法兰盘坐标系{F}建立激光跟踪仪的测量坐标系{M}，并使得所述测量坐标系{M}与末端法兰盘坐标系{F}平行，所述机器人的末端法兰盘的第一中心点坐标(x0,y0,z0)包括：
搭建激光跟踪仪的测量系统，将靶球放置于法兰盘侧面圆柱面上并固定；
驱动所述光学加工设备分别沿着所述末端法兰盘坐标系{F}的X轴、Y轴和Z轴移动，利用所述激光跟踪仪测量多个方向在不同位置点的坐标，每个方向的测量点数不少于2个；
通过所述激光跟踪仪的直线拟合功能确定所述测量坐标系{M}的X轴、Y轴和Z轴方向，使得测量坐标系{M}的X轴、Y轴和Z轴方向与法兰坐标系{F}一致
旋转所述机器人的末端第六轴，测量靶球在多个不同位置坐标，测量点数不少于4个点，利用所述激光跟踪仪的球拟合功能确定所述靶球所在球的中心点坐标(x0 ′,y0 ′,z0 ′)，将所述靶球放置于所述末端法兰盘端面并测量位置坐标(x0 ′′,y0 ′′,z0 ′′)，则所述末端法兰盘的中心点坐标为(x0,y0,z0)=( x0 ′,y0 ′, z0 ′′-R1)，其中R1表示靶球半径。
7.一种基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定装置，其特征在于，包括六自由度工业机器人、光学加工工具和激光跟踪仪，应用于如权利要求1至6中任一项所述基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法。
8.根据权利要求7所述的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定装置，其特征在于，所述光学加工工具包括小磨头加工模块或磁流变加工模块。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至6中任一项所述的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法。
10.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1至6中任一项所述的基于激光跟踪仪的机器人光学加工工具标定方法。
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