CN116136388A - 机器人工具坐标系的标定方法、装置、设备以及存储介质 - Google Patents

机器人工具坐标系的标定方法、装置、设备以及存储介质 Download PDF

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CN116136388A
CN116136388A CN202111359619.8A CN202111359619A CN116136388A CN 116136388 A CN116136388 A CN 116136388A CN 202111359619 A CN202111359619 A CN 202111359619A CN 116136388 A CN116136388 A CN 116136388A
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申博宇
马文瑞
孙小峰
张刚
刘攀
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Shanghai Aircraft Manufacturing Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种机器人工具坐标系的标定方法、装置、设备以及存储介质，属于机器人应用技术领域。该方法包括：确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时所述工具坐标系的原点位置变化映射在所述机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式；确定在末端执行器从所述第一位置移动至所述第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式；根据设定基点，以及所述第一距离关系式和所述第二距离关系式的相等关系，确定所述末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据；根据所述至少两组位姿数据，对所述工具坐标系的原点进行标定。上述技术方案，实现了机器人工具坐标系的快速标定。

Description

机器人工具坐标系的标定方法、装置、设备以及存储介质
技术领域
本发明实施例涉及机器人应用技术领域，尤其涉及一种机器人工具坐标系的标定方法、装置、设备以及存储介质。
背景技术
工业机器人通过在末端安装不同的操作工具来完成各种作业任务，工具中心点几何参数(Tool Center Point，TCP)的准确度直接影响着机器人操作轨迹的精度，没有精确的工具坐标系，即使高精度的工业机器人也不能实现轨迹误差极高的机器人离线编程任务。同时，考虑到在实际生产过程中，机器人系统的高度柔性化，时常需要频繁更换执行机构(如各种规格的刀具)来提高兼容性，因而机器人TCP标定系统在满足精度要求的同时还须具有多维度、多平台的适应能力和生产现场快速部署。
传统四点法受操作人员水平的影响，机器人TCP标定结果存在较大差异，一致性差。此外，基于激光跟踪仪标定，标定过程复杂，且激光跟踪仪价格昂贵，无法集成应用于一般工业机器人应用场景当中。
发明内容
本发明提供一种机器人工具坐标系的标定方法、装置、设备以及存储介质，以实现工业机器人工具坐标系的原点的快速自动标定。
第一方面，本发明实施例提供了一种机器人工具坐标系的标定方法，该方法包括：
根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时所述工具坐标系的原点位置变化映射在所述机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式；
控制相机分别拍摄在末端执行器从所述第一位置移动至所述第二位置时气动抓手的标定图像，根据所述标定图像和相机外参，确定在末端执行器从所述第一位置移动至所述第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式；所述气动抓手安装于所述末端执行器上；
根据设定基点，以及所述第一距离关系式和所述第二距离关系式的相等关系，确定所述末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据；
根据所述至少两组位姿数据，对所述工具坐标系的原点进行标定。
第二方面，本发明实施例还提供了一种机器人工具坐标系的标定装置，该装置包括：
第一关系式确定模块，用于根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时所述工具坐标系的原点位置变化映射在所述机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式；
第二关系式确定模块，用于控制相机分别拍摄在末端执行器从所述第一位置移动至所述第二位置时气动抓手的标定图像，根据所述标定图像和相机外参，确定在末端执行器从所述第一位置移动至所述第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式；所述气动抓手安装于所述末端执行器上；
位姿数据确定模块，用于根据设定基点，以及所述第一距离关系式和所述第二距离关系式的相等关系，确定所述末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据；
原点标定模块，用于根据所述至少两组位姿数据，对所述工具坐标系的原点进行标定。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如本发明任一实施例所提供的机器人工具坐标系的标定方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明任一实施例所提供的机器人工具坐标系的标定方法。
本发明实施例的技术方案，通过根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时工具坐标系的原点位置变化映射在机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式，之后控制相机分别拍摄在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的标定图像，根据标定图像和相机外参，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式；气动抓手安装于末端执行器上，进而根据设定基点，以及第一距离关系式和第二距离关系式的相等关系，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据，最后根据至少两组位姿数据，对工具坐标系的原点进行标定。上述技术方案，借助视觉相机拍摄的标定图像，并利用距离约束，实现工具坐标系的原点标定，实现了机器人的工具坐标系的原点的快速标定，为机器人的工具坐标系的标定提供了一种新思路。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种机器人工具坐标系的标定方法的流程图；
图2是本发明实施例二提供的一种机器人工具坐标系的标定方法的流程图；
图3A是本发明实施例三提供的一种机器人工具坐标系的标定方法的流程图；
图3B是本发明实施例三提供的一种机器人标定过程的示意图；
图4是本发明实施例四提供的一种机器人工具坐标系的标定方法的结构示意图；
图5是本发明实施例五提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种机器人工具坐标系的标定方法的流程图，本实施例可适用于机器人工具坐标系标定的情况，该方法可以由机器人工具坐标系的标定装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件的方式实现，并可集成于承载机器人工具坐标系的标定功能的电子设备中，如机器人控制器中。可选的，在机器人的末端法兰盘上固定末端执行器，在末端执行器上可以安装不同的作业工具。
如图1所示，该装置具体可以包括：
S110、根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时工具坐标系的原点位置变化映射在机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式。
本实施例中，本实施例中，机器人基坐标系是指以机器人的中心为原点所构建的坐标系；末端连接杆坐标系是指以末端执行器的中心为原点所构建的坐标系；工具坐标系是指以工具中心点为原点构建的坐标系。
可选的，可以控制末端执行器改变位姿，即从第一位置移动至第二位置，进而可以根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的转换关系，构建工具坐标系的原点，之后确定末端执行器在第一位置时工具坐标系的原点在机器人基坐标系下的第一坐标，以及末端执行器在第二位置时工具坐标系的原点在机器人基坐标系下的第二坐标，进而根据第一坐标和第二坐标，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时工具坐标系的原点位置变化映射在机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式。
可选的，还可以根据工具坐标系相对于机器人基坐标系的第一齐次转换矩阵，工具坐标系相对于末端连接杆坐标系的第二齐次转换矩阵，以及末端连接杆坐标系相对于机器人基坐标系的第三齐次转换矩阵三者之间的关系，确定工具坐标系的原点在机器人基坐标系下的原点特征表示，之后确定末端执行器位于第一位置时原点特征表示的第一特征表示，以及末端执行器位于第二位置处原点特征表示的第二特征表示，进而根据第一特征表示和第二特征表示，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时工具坐标系的原点位置变化映射在机器人基坐标系下的距离的第一距离关系式。
其中，齐次转换矩阵由旋转矩阵和平移矩阵组成，旋转矩阵中包含位姿状态，平移矩阵中包含位置坐标。
具体的，首先根据工具坐标系相对于机器人基坐标系的第一齐次转换矩阵，工具坐标系相对于末端连接杆坐标系的第二齐次转换矩阵，以及末端连接杆坐标系相对于机器人基坐标系的第三齐次转换矩阵三者之间的关系，即第一齐次转换矩阵等于第三齐次转换矩阵和第二齐次转换矩阵的积，定义工具坐标系的原点在机器人基坐标系下的原点特征表示，例如可以通过如下公式确定工具坐标系的原点在机器人基坐标系下的原点特征表示：
Figure BDA0003358636280000061
Figure BDA0003358636280000062
将公式(1)和公式(2)合并，可得
Figure BDA0003358636280000063
/>
其中，
Figure BDA0003358636280000064
表示工具坐标系相对于机器人基坐标系的第一齐次转换矩阵，/>
Figure BDA0003358636280000065
表示工具坐标系相对于机器人基坐标系的第一旋转矩阵，/>
Figure BDA0003358636280000066
表示工具坐标系相对于机器人基坐标系的第一平移矩阵；/>
Figure BDA0003358636280000067
表示末端连接杆坐标系相对于机器人基坐标系的第三齐次转换矩阵，/>
Figure BDA0003358636280000068
表示末端连接杆坐标系相对于机器人基坐标系的第三旋转矩阵，/>
Figure BDA0003358636280000069
表示末端连接杆坐标系相对于机器人基坐标系的第三平移矩阵；/>
Figure BDA0003358636280000071
表示工具坐标系相对于末端连接杆坐标系的第二齐次转换矩阵，/>
Figure BDA0003358636280000072
表示工具坐标系相对于末端连接杆坐标系的第二旋转矩阵，/>
Figure BDA0003358636280000073
表示工具坐标系相对于末端连接杆坐标系的第二平移矩阵。公式(3)中
Figure BDA0003358636280000074
为工具坐标系的原点在机器人基坐标系下的原点特征表示。
在确定工具坐标系的原点在机器人基坐标系下的原点特征表示后，分别控制末端执行器移动到第一位置和第二位置，可以得到末端执行器位于第一位置时原点特征表示的第一特征表示，以及末端执行器位于第二位置处原点特征表示的第二特征表示，如下公式：
Figure BDA0003358636280000075
其中，
Figure BDA0003358636280000076
表示末端执行器位于第一位置时原点特征表示的第一特征表示，/>
Figure BDA0003358636280000077
表示末端执行器位于第二位置处原点特征表示的第二特征表示，/>
Figure BDA0003358636280000078
表示末端执行器位于第一位置时末端连接杆坐标系相对于机器人基坐标系的第三旋转矩阵，/>
Figure BDA0003358636280000079
表示末端执行器位于第一位置时表示工具坐标系相对于末端连接杆坐标系的第二平移矩阵，/>
Figure BDA00033586362800000710
表示末端连接杆坐标系相对于机器人基坐标系的第三平移矩阵；/>
Figure BDA00033586362800000711
表示末端执行器位于第二位置时末端连接杆坐标系相对于机器人基坐标系的第三旋转矩阵，/>
Figure BDA00033586362800000712
表示末端执行器位于第二位置时表示工具坐标系相对于末端连接杆坐标系的第二平移矩阵，/>
Figure BDA00033586362800000713
表示末端连接杆坐标系相对于机器人基坐标系的第三平移矩阵。
进而，根据第一特征表示和第二特征表示，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时工具坐标系的原点位置变化映射在机器人基坐标系下的距离的第一距离关系式，例如可以通过如下公式：
Figure BDA00033586362800000714
其中，
Figure BDA0003358636280000081
已知，/>
Figure BDA0003358636280000082
未知，即表示末端执行器的工具中心点的位姿(位置和姿态)。
S120、控制相机分别拍摄在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的标定图像，根据标定图像和相机外参，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式。
本实施例中，气动抓手安装于末端执行器上。相机固定在机器人外侧，相机可以拍摄包含气动抓手的标定图像。
本实施例中，可以控制相机分别拍摄在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的标定图像。其中，标定图像是指气动抓手投影至标定板后，相机所拍摄到的图像。
可选的，可以根据拍摄的气动抓手的标定图像，得到气动抓手的中心点的图像坐标；根据图像坐标，以及标定板坐标系和图像坐标系之间的透视变换，确定气动抓手的中心点在标定坐标系下的标定坐标；其中，标定板坐标系是预先设定的世界坐标系；根据标定坐标和相机外参，确定气动抓手的中心点在相机坐标系下的相机坐标；根据相机坐标，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离关系式。
具体的，根据拍摄的气动抓手的标定图像，标定图像中的气动抓手的中心点是通过拟合圆柱的圆心得到，即根据标定图像中灰度值选取气动抓手所在区域，并拟合圆心，得到气动抓手的中心点的图像坐标，也就是分别得到末端执行器在第一位置时和在第二位置时的气动抓手的中心点的图像坐标，记为第一图像坐标和第二图像坐标。
在确定气动抓手的中心点的图像坐标后，根据图像坐标，以及标定板坐标系和图像坐标系之间的透视变换，确定气动抓手的中心点在标定坐标系下的标定坐标。其中，标定板坐标系和图像坐标系之间的透视变换是通过标定板上的至少三个关键点在标定板坐标系的标定坐标和标定板上的至少三个关键点在图像坐标系的图像坐标建立的。例如，可以通过如下公式确定气动抓手的中心点在标定坐标系下的标定坐标：
Figure BDA0003358636280000091
其中，(xw，yw)是气动抓手的中心点在标定板坐标系的标定坐标，(u，v)表示气动抓手的中心点在图像坐标系的图像坐标，
Figure BDA0003358636280000092
表示透视变换。
在确定气动抓手的中心点在标定坐标系下的标定坐标后，根据标定坐标和相机外参，确定气动抓手的中心点在相机坐标系下的相机坐标。其中，相机外参是通过现有方法得到的，例如可以通过张正友所提出的基于平面模板的定标方法得到相机外参。示例性的，可以通过如下公式确定：
Figure BDA0003358636280000093
其中，(xc，yc，zc)表示气动抓手的中心点在相机坐标系的相机坐标，(xw，yw，0)表示气动抓手的中心点在标定坐标系下的标定坐标，[r1，r2，r3，t]表示相机外参。
在确定气动抓手的中心点在相机坐标系下的相机坐标之后，根据相机坐标，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离关系式。具体的，控制机器人改变位姿使末端执行器从第一位置变换到第二位置时，气动抓手相对于辅助相机的位置也从
Figure BDA0003358636280000101
改变到/>
Figure BDA0003358636280000102
例如可以通过如下公式确定：
Figure BDA0003358636280000103
其中，
Figure BDA0003358636280000104
表示在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离关系式，/>
Figure BDA0003358636280000105
表示末端执行器在第一位置时气动抓手的中心点相对于相机的位置，也即末端执行器在第一位置时工具坐标系的原点相对于相机坐标系的相机坐标，/>
Figure BDA0003358636280000106
表示末端执行器在第二位置时气动抓手的中心点相对于相机的位置，(xa，ya，za)表示末端执行器在第一位置时工具坐标系的原点相对于相机坐标系的相机坐标，(xb，yb，zb)表示末端执行器在第二位置时工具坐标系的原点相对于相机坐标系的相机坐标。
S130、根据设定基点，以及第一距离关系式和第二距离关系式的相等关系，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据。
本实施例中，第一距离关系式和第二距离关系式的相等关系为：
Figure BDA0003358636280000107
本实施例中，分别控制末端执行器平移至三个不同的位置，得到三个气动抓手的中心点的位置点，分别为第一基点、第二基点和第三基点；将第一基点、第二基点和第三基点进行两两组合，得到三组线段数据；分别采用三组线段数据更新第一距离关系式和第二距离关系式；基于第一距离关系式和第二距离关系式的相等关系，根据更新后的三组第一距离关系式和三组第二距离关系式，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据。
具体的，在相机可拍摄范围内，分别控制末端执行器平移至三个不同的位置，得到三个气动抓手的中心点的位置点，分别为第一基点、第二基点和第三基点，相对于机器人基坐标分别记为
Figure BDA0003358636280000111
相对于相机坐标系分别记为/>
Figure BDA0003358636280000112
进而将第一基点、第二基点和第三基点进行两两组合，得到三组线段数据，在机器人基坐标系下分别记为：/>
Figure BDA0003358636280000113
Figure BDA0003358636280000114
在相机坐标系下分别记为：
Figure BDA0003358636280000115
然后，分别采用三组线段数据更新第一距离关系式和第二距离关系式，并基于第一距离关系式和第二距离关系式的相等关系，根据更新后的三组第一距离关系式和三组第二距离关系式，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据，具体的，构建一个三元二次方程组，如下公式，通过求解方程组，即可得到末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据，即/>
Figure BDA0003358636280000116
未知，即表示末端执行器的工具中心点的位姿(位置和姿态)。/>
Figure BDA0003358636280000117
其中，(x1，y1，z1)表示第一基点在相机坐标系下的相机坐标；(x2，y2，z2)表示第二基点在相机坐标系下的相机坐标；(x3，y3，z3)表示第三基点在相机坐标系下的相机坐标。
S140、根据至少两组位姿数据，对工具坐标系的原点进行标定。
本实施例中，可以从至少两则位姿数据中，随机选择一组位姿数据，采用该位姿数据中的位置数据，对工具坐标系的原点进行标定。
本发明实施例的技术方案，通过根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时工具坐标系的原点位置变化映射在机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式，之后控制相机分别拍摄在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的标定图像，根据标定图像和相机外参，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式；气动抓手安装于末端执行器上，进而根据设定基点，以及第一距离关系式和第二距离关系式的相等关系，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据，最后根据至少两组位姿数据，对工具坐标系的原点进行标定。上述技术方案，借助视觉相机拍摄的标定图像，并利用距离约束，实现工具坐标系的原点标定，实现了机器人的工具坐标系的原点的快速标定，为机器人的工具坐标系的标定提供了一种新思路。
图2是本发明实施例二提供的一种机器人工具坐标系的标定方法的流程图，在上述实施例的基础上，进一步优化，提供一种可选实施方式。
如图2所示，该方法具体可以包括：
S210、根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时工具坐标系的原点位置变化映射在机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式。
S220、控制相机分别拍摄在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的标定图像，根据标定图像和相机外参，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式。
其中，气动抓手安装于末端执行器上。
S230、根据设定基点，以及第一距离关系式和第二距离关系式的相等关系，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据。
S240、根据至少两组位姿数据，对工具坐标系的原点进行标定。
本实施例中，可以控制机器人的末端执行器改变位姿，得到气动抓手的中心点的第四基点，在机器人基坐标系中记为
Figure BDA0003358636280000131
在相机坐标系中记为/>
Figure BDA0003358636280000132
将第四基点分别与第一基点、第二基点和第三基点进行两两组合，得到三组验证线段数据，即在机器人基坐标系下/>
Figure BDA0003358636280000133
在相机坐标系下
Figure BDA0003358636280000134
分别采用三组验证线段数据更新第一距离关系式和第二距离关系式；根据跟新后的三组第一距离关系式和三组第二距离关系式构建残差表达式，如下式：
Figure BDA0003358636280000135
其中，δi表示第i组位移数据下在机器人基坐标下和相机坐标系下对应的线段之差的和的残差。
进而，根据至少两组位姿数据和残差表达式，从至少两组位姿数据中选择目标位姿数据；采用目标位姿数据，对工具坐标系的原点进行标定。具体的，将至少两则位姿数据代入将至少两组位姿数据分别代入至残差表达式，得到至少两个残差值；将至少两个残差值中最小的残差值对应的位姿数据，作为目标位姿数据，然后采用目标位姿数据，对工具坐标系的原点进行标定。
本发明实施例的技术方案，通过根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时工具坐标系的原点位置变化映射在机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式，之后控制相机分别拍摄在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的标定图像，根据标定图像和相机外参，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式；气动抓手安装于末端执行器上，进而根据设定基点，以及第一距离关系式和第二距离关系式的相等关系，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据，最后根据至少两组位姿数据，对工具坐标系的原点进行标定。上述技术方案，借助视觉相机拍摄的标定图像，并利用距离约束，实现工具坐标系的原点标定，实现了机器人的工具坐标系的原点的快速标定，为机器人的工具坐标系的标定提供了一种新思路。
实施例三
图3A是本发明实施例三提供的一种机器人工具坐标系的标定方法的流程图，在上述实施例的基础上，提供一种优选实施方式。可选的，如图3B所示，给出了一种机器人工具坐标系标定过程的示意图，在标定过程中，涉及六轴工业机器人1-1、六轴工业机器人的末端执行器1-2、黑色圆柱体1-3、机器视觉标定板1-4、透明板1-5、机器视觉系统1-6；其中，末端执行器1-2与六轴工业机器人1-2的末端法兰盘固定；机器视觉系统1-6安装在六轴工业机器人1-1的可达工作空间内；黑色圆柱体1-3安装在末端执行器1-2的最前端，在黑色圆柱体1-3前面安装透明板1-5，透明板1-5上安装机器视觉标定板1-4；机器视觉标定板1-为圆点标定板，圆间距4mm，圆半径1mm，标定点有7行7列；在机器人控制器中建立一个工具坐标系，命名为{T}，用于存放标定的工具坐标系数据；建立机器视觉的相机坐标系，命名为{C}。标定过程中工业相机视觉系统1-6保持不动，手动操作六轴工业机器人1-1，在保证六轴工业机器人末端执行器1-2在相机视野中并且相机能够拍摄到高质量的标定板图片时尽可能大的改变机器人的姿态。重复以上动作流程，取得4组测量数据，即第一基点、第二基点、第三基点和第四基点对应的图像坐标。
如图3A所示，该方法具体可以包括：
S310、基于公式(6)建立标定板坐标系和图像坐标系之间的透视变换，根据气动抓手的中心点的图像坐标，确定气动抓手的中心点在标定坐标系下的标定坐标。
S320、基于公式(7)，根据相机外参，以及气动抓手的中心点在标定坐标系下的标定坐标，确定气动抓手的中心点在相机坐标系的相机坐标。
S330、基于公式(10)求解出所有的位姿数据，即8组解。
S340、基于公式(11)，找到残差值最小的一组真实解，即找到目标位姿数据，对工具坐标系的原点进行标定。
根据以上步骤求得的四幅图像中气动抓的中心点在相机坐标系中的位置由表1所示，求解出来所有解即8组位姿数据由表2所示。
表1机器人末端执行器在相机坐标系中的位置
Figure BDA0003358636280000161
表2求解出的所有解
Figure BDA0003358636280000162
根据公式(11)对求出的前四个实数解求残差，求得结果得知第二组结果的残差最小，即工业机器人TCP的标定结果为[40.584,0.482,250.545]。最后，将标定结果写入机器人控制器中。
实施例四
图4是本发明实施例四提供的一种机器人工具坐标系的标定方法的结构示意图，本实施例可适用于机器人工具坐标系标定的情况，该装置可以由软件和/或硬件的方式实现，并可集成于承载机器人工具坐标系的标定功能的电子设备中，如机器人控制器中。
如图4所示，该装置具体可以包括：
第一关系式确定模块410，用于根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时工具坐标系的原点位置变化映射在机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式；
第二关系式确定模块420，用于控制相机分别拍摄在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的标定图像，根据标定图像和相机外参，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式；气动抓手安装于末端执行器上；
位姿数据确定模块430，用于根据设定基点，以及第一距离关系式和第二距离关系式的相等关系，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据；
原点标定模块440，用于根据至少两组位姿数据，对工具坐标系的原点进行标定。
本发明实施例的技术方案，通过根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时工具坐标系的原点位置变化映射在机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式，之后控制相机分别拍摄在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的标定图像，根据标定图像和相机外参，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式；气动抓手安装于末端执行器上，进而根据设定基点，以及第一距离关系式和第二距离关系式的相等关系，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据，最后根据至少两组位姿数据，对工具坐标系的原点进行标定。上述技术方案，借助视觉相机拍摄的标定图像，并利用距离约束，实现工具坐标系的原点标定，实现了机器人的工具坐标系的原点的快速标定，为机器人的工具坐标系的标定提供了一种新思路。
进一步地，第一关系式确定模块410具体用于：
根据工具坐标系相对于机器人基坐标系的第一齐次转换矩阵，工具坐标系相对于末端连接杆坐标系的第二齐次转换矩阵，以及末端连接杆坐标系相对于机器人基坐标系的第三齐次转换矩阵三者之间的关系，确定工具坐标系的原点在机器人基坐标系下的原点特征表示；
确定末端执行器位于第一位置时原点特征表示的第一特征表示，以及末端执行器位于第二位置处原点特征表示的第二特征表示；
根据第一特征表示和第二特征表示，确定在末端执行器从所第一位置移动至第二位置时工具坐标系的原点位置变化映射在机器人基坐标系下的距离的第一距离关系式。
进一步地，第二关系式确定模块420具体用于：
根据拍摄的气动抓手的标定图像，得到气动抓手的中心点的图像坐标；
根据图像坐标，以及标定板坐标系和图像坐标系之间的透视变换，确定气动抓手的中心点在标定坐标系下的标定坐标；其中，标定板坐标系是预先设定的世界坐标系；
根据标定坐标和相机外参，确定气动抓手的中心点在相机坐标系下的相机坐标；
根据相机坐标，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离关系式。
进一步地，位姿数据确定模块430具体用于：
分别控制末端执行器平移至三个不同的位置，得到三个气动抓手的中心点的位置点，分别为第一基点、第二基点和第三基点；
将第一基点、第二基点和第三基点进行两两组合，得到三组线段数据；
分别采用三组线段数据更新第一距离关系式和第二距离关系式；
基于第一距离关系式和第二距离关系式的相等关系，根据更新后的三组第一距离关系式和三组第二距离关系式，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据。
进一步地，原点标定模块440包括：
第四基点确定单元，用于控制机器人的末端执行器改变位姿，得到气动抓手的中心点的第四基点；
验证数据确定单元，用于将第四基点分别与第一基点、第二基点和第三基点进行两两组合，得到三组验证线段数据；
关系式更新单元，用于分别采用三组验证线段数据更新第一距离关系式和第二距离关系式；
残差表达式确定单元，用于根据跟新后的三组第一距离关系式和三组第二距离关系式构建残差表达式；
目标位姿数据确定单元，用于根据至少两组位姿数据和残差表达式，从至少两组位姿数据中选择目标位姿数据；
原点标定单元，用于采用目标位姿数据，对工具坐标系的原点进行标定。
进一步地，目标位姿数据确定单元具体用于：
将至少两组位姿数据分别代入至残差表达式，得到至少两个残差值；
将至少两个残差值中最小的残差值对应的位姿数据，作为目标位姿数据。
上述机器人工具坐标系的标定装置可执行本发明任意实施例所提供的机器人工具坐标系的标定方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例五
图5是本发明实施例五提供的一种电子设备的结构示意图，图5示出了适于用来实现本发明实施例实施方式的示例性设备的框图。图5显示的设备仅仅是一个示例，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5所示，电子设备12以通用计算设备的形式表现。电子设备12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。
电子设备12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电子设备12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(高速缓存32)。电子设备12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5未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图5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实施例各实施例的功能。
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通常执行本发明实施例所描述的实施例中的功能和/或方法。
电子设备12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电子设备12交互的设备通信，和/或与使得该电子设备12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，电子设备12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与电子设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备12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机器人工具坐标系的标定方法。
实施例六
本发明实施例六还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序(或称为计算机可执行指令)，该程序被处理器执行时用于执行本发明实施例所提供的机器人工具坐标系的标定方法，该方法包括：
根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时工具坐标系的原点位置变化映射在机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式；
控制相机分别拍摄在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的标定图像，根据标定图像和相机外参，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式；气动抓手安装于末端执行器上；
根据设定基点，以及第一距离关系式和第二距离关系式的相等关系，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据；
根据至少两组位姿数据，对工具坐标系的原点进行标定。
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例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。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实施例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)。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明实施例进行了较为详细的说明，但是本发明实施例不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种机器人工具坐标系的标定方法，其特征在于，包括：
根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时所述工具坐标系的原点位置变化映射在所述机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式；
控制相机分别拍摄在末端执行器从所述第一位置移动至所述第二位置时气动抓手的标定图像，根据所述标定图像和相机外参，确定在末端执行器从所述第一位置移动至所述第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式；所述气动抓手安装于所述末端执行器上；
根据设定基点，以及所述第一距离关系式和所述第二距离关系式的相等关系，确定所述末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据；
根据所述至少两组位姿数据，对所述工具坐标系的原点进行标定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时所述工具坐标系的原点位置变化映射在所述机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式，包括：
根据工具坐标系相对于机器人基坐标系的第一齐次转换矩阵，所述工具坐标系相对于末端连接杆坐标系的第二齐次转换矩阵，以及所述末端连接杆坐标系相对于所述机器人基坐标系的第三齐次转换矩阵三者之间的关系，确定所述工具坐标系的原点在所述机器人基坐标系下的原点特征表示；
确定所述末端执行器位于第一位置时所述原点特征表示的第一特征表示，以及所述末端执行器位于第二位置处所述原点特征表示的第二特征表示；
根据所述第一特征表示和所述第二特征表示，确定在末端执行器从所述第一位置移动至所述第二位置时所述工具坐标系的原点位置变化映射在所述机器人基坐标系下的距离的第一距离关系式。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述标定图像和相机外参，确定在末端执行器从所述第一位置移动至所述第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式，包括：
根据拍摄的气动抓手的标定图像，得到气动抓手的中心点的图像坐标；
根据所述图像坐标，以及标定板坐标系和图像坐标系之间的透视变换，确定所述气动抓手的中心点在标定坐标系下的标定坐标；其中，标定板坐标系是预先设定的世界坐标系；
根据所述标定坐标和相机外参，确定所述气动抓手的中心点在相机坐标系下的相机坐标；
根据所述相机坐标，确定在末端执行器从所述第一位置移动至所述第二位置时气动抓手的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离关系式。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据设定基点，以及所述第一距离关系式和所述第二距离关系式的相等关系，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据，包括：
分别控制所述末端执行器平移至三个不同的位置，得到三个气动抓手的中心点的位置点，分别为第一基点、第二基点和第三基点；
将所述第一基点、所述第二基点和所述第三基点进行两两组合，得到三组线段数据；
分别采用所述三组线段数据更新所述第一距离关系式和所述第二距离关系式；
基于所述第一距离关系式和所述第二距离关系式的相等关系，根据更新后的三组所述第一距离关系式和三组所述第二距离关系式，确定末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述至少两组位姿数据，对所述工具坐标系的原点进行标定，包括：
控制机器人的末端执行器改变位姿，得到气动抓手的中心点的第四基点；
将所述第四基点分别与所述第一基点、所述第二基点和所述第三基点进行两两组合，得到三组验证线段数据；
分别采用所述三组验证线段数据更新所述第一距离关系式和所述第二距离关系式；
根据跟新后的三组所述第一距离关系式和三组所述第二距离关系式构建残差表达式；
根据所述至少两组位姿数据和所述残差表达式，从至少两组位姿数据中选择目标位姿数据；
采用所述目标位姿数据，对所述工具坐标系的原点进行标定。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述至少两组位姿数据和所述残差表达式，从至少两组位姿数据中选择目标位姿数据，包括：
将所述至少两组位姿数据分别代入至所述残差表达式，得到至少两个残差值；
将所述至少两个残差值中最小的残差值对应的位姿数据，作为目标位姿数据。
7.一种机器人工具坐标系的标定装置，其特征在于，包括：
第一关系式确定模块，用于根据机器人基坐标系、末端连接杆坐标系、以及工具坐标系之间的关系，确定在末端执行器从第一位置移动至第二位置时所述工具坐标系的原点位置变化映射在所述机器人基坐标系下的第一距离的第一距离关系式；
第二关系式确定模块，用于控制相机分别拍摄在末端执行器从所述第一位置移动至所述第二位置时气动抓手的标定图像，根据所述标定图像和相机外参，确定在末端执行器从所述第一位置移动至所述第二位置时气动抓手的中心点的位置变化映射在相机坐标系下的第二距离的第二距离关系式；所述气动抓手安装于所述末端执行器上；
位姿数据确定模块，用于根据设定基点，以及所述第一距离关系式和所述第二距离关系式的相等关系，确定所述末端执行器的工具中心点的至少两组位姿数据；
原点标定模块，用于根据所述至少两组位姿数据，对所述工具坐标系的原点进行标定。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一关系式确定模块具体用于：
根据工具坐标系相对于机器人基坐标系的第一齐次转换矩阵，所述工具坐标系相对于末端连接杆坐标系的第二齐次转换矩阵，以及所述末端连接杆坐标系相对于所述机器人基坐标系的第三齐次转换矩阵三者之间的关系，确定所述工具坐标系的原点在所述机器人基坐标系下的原点特征表示；
确定所述末端执行器位于第一位置时所述原点特征表示的第一特征表示，以及所述末端执行器位于第二位置处所述原点特征表示的第二特征表示；
根据所述第一特征表示和所述第二特征表示，确定在末端执行器从所第一位置移动至所述第二位置时所述工具坐标系的原点位置变化映射在所述机器人基坐标系下的距离的第一距离关系式。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-6中任一项所述的机器人工具坐标系的标定方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的机器人工具坐标系的标定方法。
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