CN115781676A - 一种机械臂标定方法及其标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种机械臂标定方法，包括以下步骤：1.将智能移动终端平放至机械臂可达范围之内；2.将球柱体置于机械臂末端处，并通过机械臂将球柱体缓慢放置于智能移动终端的平面触屏上；3.当平面触屏被球柱体触碰时，机械臂停止运动，并获取机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标；4.重复执行步骤2和3，共将至少四个高度不等的球柱体放置于平面触屏上的不同位置；5.将视觉扫描仪固定安装至机械臂上，并通过机械臂控制视觉扫描仪进行运动，并计算出每一个球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标；6.求解出机器人基坐标系与扫描仪坐标系之间的变换矩阵。还公开了一种实现上述机械臂标定方法的标定装置。本发明提高标定精度。

Description

一种机械臂标定方法及其标定装置

技术领域

本发明涉及机械臂标定技术领域，尤其涉及一种机械臂标定方法及其标定装置。

背景技术

随着人工智能技术、计算机技术等相关技术的发展，机械臂在多个行业得到了广泛的应用。在工业应用领域，机械臂通常需要依靠手眼系统执行机械加工及安装等任务。其中，手眼系统是由摄像机和机械手构成的机械臂视觉系统，机械臂视觉系统中摄像机相当于人的眼睛，机械人末端执行器相当于人的手。

摄像机采集到空间物体在视觉坐标系中的空间位置，而末端执行器需要在机械臂基坐标系中抓取空间物体，需要将空间物体在视觉坐标系中的空间位置转换至机械臂基坐标系中。摄像机的视觉坐标系与机械臂基坐标系之间关系的确定即机械臂的手眼标定过程。

现有的机械臂标定方法主要采用手和眼分离放置，需要用两个机械臂或者一个机械臂和一个支架配合进行操作，其标定过程如下：

步骤1，将扫描仪固定在机械臂之外的固定位置；

步骤2，利用机械臂夹持住已知半径的标准球；

步骤3，控制机械臂移动至扫描仪可视范围内的任一位置，并记录下机械臂此时的位置坐标，该位置坐标可由机械臂读取，其为标准球中心相对于机器人的基准坐标，也就是机械臂基坐标；

步骤4，启动扫描仪进行扫描，获取到一个半球形曲面，并通过曲面点拟合方法得到球心坐标，该球心坐标为标准球在扫描仪中的扫描仪坐标；

步骤5，重复执行上述步骤3和4，一般重复次数为四次，保证每次标准球在不同的位置，并且每次标准球不能处于同一平面，这样就获取到两组坐标，一组坐标包含四个不同的机械臂坐标，另一组坐标包含四个不同的扫描仪坐标；

步骤6，利用SVD分解法对两组坐标进行分解处理，求出扫描仪坐标到机械臂坐标的变换矩阵；

步骤7，在扫描仪的位置固定不变的情况下，利用扫描仪对目标物体进行扫描，获取目标物体在扫描仪下的坐标，并通过计算机选择某个坐标，再利用求解得到的变换矩阵即可求出目标物体在机器人的基准坐标下的坐标，便可指导机械臂进行工作。

然而，由于扫描仪与机械臂相分离，无法固定在一起，不仅占用空间，同时还限制了应用，同时由于手眼分离，需要保证工作中二者的相对位置完全固定不变，需要时刻保证两者的稳定性，对相对稳定性要求较高。

为此，本申请人经过有益的探索和研究，找到了解决上述问题的方法，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一在于：针对现有技术的不足而提供一种提高标定精度的机械臂标定方法。

本发明所要解决的技术问题之二在于：提供一种实现上述机械臂标定方法的标定装置。

作为本发明第一方面的一种机械臂标定方法，包括以下步骤：

步骤S10，将智能移动终端平放至机械臂可达范围之内，所述智能移动终端在其平面触屏被触碰时向机械臂发送停止运动指令；

步骤S20，将球柱体置于机械臂末端处，并通过所述机械臂将球柱体缓慢放置于所述智能移动终端的平面触屏上；

步骤S30，当所述平面触屏被球柱体触碰时，所述智能移动终端向所述机械臂发送停止运动指令，使得所述机械臂停止运动，并获取此时的机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标；

步骤S40，重复执行步骤S20和步骤S30，共将至少四个高度不等的球柱体放置于所述智能移动终端的平面触屏上的不同位置；

步骤S50，将视觉扫描仪固定安装至所述机械臂上，并通过所述机械臂控制所述视觉扫描仪进行运动，使得所述视觉扫描仪对每一个球柱体进行扫描处理，并根据扫描结果计算出每一个球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标；

步骤S60，对若干机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标和若干球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标进行配准处理，求解出机器人基坐标系与扫描仪坐标系之间的变换矩阵。

在本发明的一个优选实施例中，所述智能移动终端为智能手机或平板电脑。

在本发明的一个优选实施例中，每一球柱体与机械臂末端之间通过磁吸方式进行连接，当所述球柱体放置到位后，使得所述球柱体与机械臂末端分离。

在本发明的一个优选实施例中，所述视觉扫描仪通过专用固定支架固定安装在所述机械臂的末端上。

在本发明的一个优选实施例中，在步骤S50中，通过3DMax软件或者Solidworks软件对所述视觉扫描仪的扫描结果进行模型处理，并采用梯度上升法对得到的三维模型进行找点处理，得到每一个球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标。

在本发明的一个优选实施例中，在步骤S60中，通过SVD分解法对若干机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标和若干球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标进行配准处理，求解出机器人基坐标系与扫描仪坐标系之间的变换矩阵。

作为本发明第二方面的一种实现上述机械臂标定方法的标定装置，包括：

智能移动终端，所述智能移动终端通过无线方式或有线方式与机器人系统连接，所述智能移动终端具有一个平面触屏，当所述平面触屏被触碰时，所述智能移动终端向所述机器人系统发送停止运动指令，使得所述机器人系统的机械臂停止运动；

至少四个不同高度的球柱体，每一球柱体可设置在所述机械臂的末端处，并可在所述机械臂的带动下放置于所述智能移动终端的平面触屏上；

位置坐标获取模块，所述位置坐标获取模块用于机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标；

视觉扫描仪，所述视觉扫描仪固定安装在所述机械臂上，并由所述机械臂控制进行运动，使得所述视觉扫描仪对位于所述智能移动终端的平面触屏上的每一个球柱体进行扫描处理，并根据扫描结果计算出每一个球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标；以及

变换矩阵求解模块，所述变换矩阵求解模块用于获取若干机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标和若干球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标，并对获取到的坐标信息进行配准处理，以求解机器人基坐标系与扫描仪坐标系之间的变换矩阵。

由于采用了如上技术方案，本发明的有益效果在于：

1.本发明采用智能移动终端代替了其他配准系统中的配准工装，利用智能移动终端的平面触屏的灵敏性以及表面平整性，还有编程的便利性，提高标定精度，避免肉眼观查造成的误差；

2.本发明可有效地降低校准工装安装时带来的误差，提高了系统的标定精度，有效地控制机械臂在相应的实物位置进行工作，并实现精准定位；

3.本发明的视觉扫描仪集成到机械臂末端，无需分开设置，节省了硬件部分的使用空间，同时保证了视觉扫描仪与机械臂相对位置关系的稳定，解决了机器人手眼一体式工作中扫描仪与机械臂的标定问题；

4.本发明在完成视觉扫描仪和机械臂的坐标系关系配准后，使用高精度模型进行了精度验证，机械臂末端到达指定的空间位置处，该实际误差在1mm以下，已经能够达到商用精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1是本发明的机械臂标定方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1，图中给出的是一种机械臂标定方法，包括以下步骤：

步骤S10，将智能移动终端平放至机械臂可达范围之内，智能移动终端具有一个平面触屏，智能移动终端在其平面触屏被触碰时向机械臂发送停止运动指令。

步骤S20，将球柱体置于机械臂末端处，并通过机械臂将球柱体缓慢放置于智能移动终端的平面触屏上。

步骤S30，当所述平面触屏被球柱体触碰时，所述智能移动终端向所述机械臂发送停止运动指令，使得机械臂停止运动，并获取此时的机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标。

步骤S40，重复执行步骤S20和步骤S30，共将四个高度不等的球柱体放置于所述智能移动终端的平面触屏上的不同位置。

步骤S50，将视觉扫描仪固定安装至所述机械臂上，并通过所述机械臂控制所述视觉扫描仪进行运动，使得所述视觉扫描仪对每一个球柱体进行扫描处理，并根据扫描结果计算出每一个球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标。

步骤S60，对四个机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标和四个球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标进行配准处理，求解出机器人基坐标系与扫描仪坐标系之间的变换矩阵。

在步骤S10中，智能移动终端通过有线方式或无线方式直接或间接与机器人系统连接，可向机器人系统发送控制指令。具体地，智能移动终端通过网络将控制指令传输到电脑主机程序，再由电脑主机程序向机器人系统发送控制指令。在本实施例中，智能移动终端优选地为智能手机或者平板电脑。利用智能移动终端的平面触屏的灵敏性以及表面平整性，还有编程的便利性，当球柱体缓慢降落时，触碰到平面触屏，智能移动终端生成一个停止运动指令，并发送至机器人系统，机器人系统接收到停止运动指令后控制机械臂停止动作。当球柱体与机械臂分离时，需保证球柱体的位置不会发生任何变化。本发明采用智能移动终端代替了其他配准系统中的配准工装，利用智能移动终端的平面触屏的灵敏性以及表面平整性，还有编程的便利性，提高标定精度，避免肉眼观查造成的误差。

在步骤S20中，每一球柱体与机械臂末端之间通过磁吸方式进行连接，当球柱体放置到位后，使得球柱体与机械臂末端分离。当然，也可以采用其他的方式进行连接，只需要在球柱体与机械臂末端在分离时保证球柱体在平面触屏上的位置不发生改变即可。此外，在整个标定过程中，为了避免出现球柱体摇摆的情况，需要保证环境尽量密闭，没有空气流动的干扰，同时机械臂下降速度尽量缓慢，保证球柱体顺利落在平面触屏上。

在本实施例中，球柱体由圆柱体以及设置在圆柱体上的球体构成，球体能够更好地计算出球心坐标，圆柱体能够保证接触到平面触屏时，触发智能手机的响应，同时保证球柱体可立于平面触屏上。本发明需要精确寻找球心坐标在机械臂坐标系和扫描仪坐标系中的位置，球心坐标在机械臂中的位置，可以通过球形半径以及加持装置的物理长度，在机器人系统中求出来；球心坐标在视觉扫描仪中的位置，可由视觉扫描仪扫出的物体表面的点拟合出来。若采用其他物体，将无法满足要求。此外，需要保证机械臂加持球形物体降落时，垂直降落，正好可以利用球柱体的重力使其缓缓下落，保证垂直降落的稳定性。

在步骤S40中，球柱体的数量并不局限于本实施例中的数量，其应根据实际精度要求而确定。但需要保证球柱体为至少四个，且每一个球柱体的高度不相等，即保证每一个球柱体的球体中心不在同一个水平面上，这是因为坐标系配准时需要至少四个坐标才能实现配准。

在步骤S50中，视觉扫描仪通过专用固定支架固定安装在机械臂的末端上，专用固定支架可通过3D打印方式进行制造。由于视觉扫描仪集成到机械臂末端，无需分开使之，节省了硬件部分的使用空间，同时保证了视觉扫描仪与机械臂相对位置关系的稳定，解决了机器人手眼一体式工作中扫描仪与机械臂的标定问题。视觉扫描仪在扫描时选择一个合适的高度进行扫描，视觉扫描仪高度在没有触碰到平面触屏的情况下越低越好，越低受到外界干扰的影响就会越小，可以选择距离平面触屏1cm～10cm的高度进行扫描。

在步骤S50中，通过3DMax软件或者Solidworks软件对视觉扫描仪的扫描结果进行模型处理，并采用梯度上升法对得到的三维模型进行找点处理，得到每一个球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标。

在步骤S60中，通过SVD分解法对若干机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标和若干球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标进行配准处理，求解出机器人基坐标系与扫描仪坐标系之间的变换矩阵。其中，SVD分解法简称为奇异值分解方法，其是本领域常规算法，在此不在展开赘述。变换矩阵的作用是将机械臂坐标系与扫描仪坐标系进行匹配，当知晓一个坐标系下的坐标时，通过与变换矩阵进行矩阵乘法，可获得另一个坐标系下的坐标，这样在扫描仪模型中选取一个点，可控制机械臂精确的到达该点，完成相应的操作。

本发明在完成视觉扫描仪和机械臂的坐标系关系配准后，使用高精度模型进行了精度验证，机械臂末端到达指定的空间位置处，该实际误差在1mm以下，已经能够达到商用精度。

本发明的标定装置，包括智能移动终端、四个不同高度的球柱体、位置坐标获取模块、视觉扫描仪以及变换矩阵求解模块。

智能移动终端通过无线方式或有线方式与机器人系统连接，智能移动终端具有一个平面触屏，当平面触屏被触碰时，智能移动终端向机器人系统发送停止运动指令，使得机器人系统的机械臂停止运动。

每一球柱体可设置在机械臂的末端处，并可在机械臂的带动下放置于智能移动终端的平面触屏上。

位置坐标获取模块用于机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标。

视觉扫描仪固定安装在机械臂上，并由机械臂控制进行运动，使得视觉扫描仪对位于智能移动终端的平面触屏上的每一个球柱体进行扫描处理，并根据扫描结果计算出每一个球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标。

变换矩阵求解模块用于获取若干机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标和若干球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标，并对获取到的坐标信息进行配准处理，以求解机器人基坐标系与扫描仪坐标系之间的变换矩阵。

本发明的标定装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是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非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种机械臂标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10，将智能移动终端平放至机械臂可达范围之内，所述智能移动终端在其平面触屏被触碰时向机械臂发送停止运动指令；

步骤S20，将球柱体置于机械臂末端处，并通过所述机械臂将球柱体缓慢放置于所述智能移动终端的平面触屏上；

步骤S30，当所述平面触屏被球柱体触碰时，所述智能移动终端向所述机械臂发送停止运动指令，使得所述机械臂停止运动，并获取此时的机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标；

步骤S40，重复执行步骤S20和步骤S30，共将至少四个高度不等的球柱体放置于所述智能移动终端的平面触屏上的不同位置；

步骤S50，将视觉扫描仪固定安装至所述机械臂上，并通过所述机械臂控制所述视觉扫描仪进行运动，使得所述视觉扫描仪对每一个球柱体进行扫描处理，并根据扫描结果计算出每一个球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标；

步骤S60，对若干机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标和若干球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标进行配准处理，求解出机器人基坐标系与扫描仪坐标系之间的变换矩阵。

2.如权利要求1所述的机械臂标定方法，其特征在于，所述智能移动终端为智能手机或平板电脑。

3.如权利要求1所述的机械臂标定方法，其特征在于，每一球柱体与机械臂末端之间通过磁吸方式进行连接，当所述球柱体放置到位后，使得所述球柱体与机械臂末端分离。

4.如权利要求1所述的机械臂标定方法，其特征在于，所述视觉扫描仪通过专用固定支架固定安装在所述机械臂的末端上。

5.如权利要求1所述的机械臂标定方法，其特征在于，在步骤S50中，通过3DMax软件或者Solidworks软件对所述视觉扫描仪的扫描结果进行模型处理，并采用梯度上升法对得到的三维模型进行找点处理，得到每一个球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标。

6.如权利要求1所述的机械臂标定方法，其特征在于，在步骤S60中，通过SVD分解法对若干机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标和若干球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标进行配准处理，求解出机器人基坐标系与扫描仪坐标系之间的变换矩阵。

7.一种实现如权利要求1至6中任一项所述的机械臂标定方法的标定装置，其特征在于，包括：

智能移动终端，所述智能移动终端通过无线方式或有线方式与机器人系统连接，所述智能移动终端具有一个平面触屏，当所述平面触屏被触碰时，所述智能移动终端向所述机器人系统发送停止运动指令，使得所述机器人系统的机械臂停止运动；

至少四个不同高度的球柱体，每一球柱体可设置在所述机械臂的末端处，并可在所述机械臂的带动下放置于所述智能移动终端的平面触屏上；

位置坐标获取模块，所述位置坐标获取模块用于机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标；

视觉扫描仪，所述视觉扫描仪固定安装在所述机械臂上，并由所述机械臂控制进行运动，使得所述视觉扫描仪对位于所述智能移动终端的平面触屏上的每一个球柱体进行扫描处理，并根据扫描结果计算出每一个球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标；以及

变换矩阵求解模块，所述变换矩阵求解模块用于获取若干机械臂末端在机器人基坐标系下的位置坐标和若干球柱体在扫描仪坐标系下的顶点坐标，并对获取到的坐标信息进行配准处理，以求解机器人基坐标系与扫描仪坐标系之间的变换矩阵。

Images