CN117359644A - 一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法及系统，具体涉及激光标定领域，本发明通过标定基于机器人基坐标系的激光器的发射点位姿和发射方向，并通过算法直接计算照射点基于机器人世界坐标系下的位姿，解决算法原理带来的误差的同时，提高了激光器使用的精度。本发明所提出的系统对激光器的要求不高，激光器可以以任意姿态安装在机器人法兰末端；标定过程对激光照射点位姿无任何要求；经标定后的激光器可以以任意姿态使用，而无需垂直照射，只要在激光器的工作区间即可。
Description
技术领域
本发明涉及机器人激光标定领域，具体是一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法及系统。
背景技术
在机器人打磨、焊接、码垛等领域，有一些需要进行定位或测量的需求，需要用到点激光。传统的使用方法是将激光的发射方向相对于机器人坐标系的Z轴水平安装，同时采集坐标时使激光垂直照射在待测物体表面，这样机器人当前TCP的Z值，加上激光传感器的数值，就可以获取待测目标点相对于机器人基坐标系的位姿信息。
这样的使用方法有以下弊端：
安装姿态问题。垂直安装对机械夹具的设计以及安装的要求比较高，并且机器人在使用过程中，难免会出现因为机器人高速运动，而出现的负载晃动的问题，从而影响激光识别的精度；
精度问题。这种计算方法的前提是激光的发射点位与机器人六轴的法兰中心点重合，实际由于硬件的限制不可能实现，因此从原理上就存在计算误差。
测量点位限制问题。当产品存在孔洞或者产品特征比较多时，部分待测量点位的激光光线会被产品其他部位遮挡，点激光的泛用性会降低。
对于标定系统，传统点激光的使用缺点是对机械设计要求比较严苛，且精度粗糙，使用者无法将“简单实用”与“精度要求”兼顾；使用线激光虽然能解决精度和安装问题，但是线激光处理算法复杂度高，标定误差对整体影响较大，且线激光成本比点激光高出很多。
因此有必要研究一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法及系统用于解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于在标定和使用过程中，对点激光的安装位置及使用时的位姿无要求，可解决上述问题带来的缺点；同时本系统标定了基于机器人基坐标系的激光器的发射点位姿和发射方向，通过算法直接计算照射点基于机器人世界坐标系下的位姿，解决算法原理带来的误差的同时，提高了激光器使用的精度。
其中，一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法，包括以下步骤：
S1. 通过机器人带点激光，控制激光点照射在标定板上的任一圆形图案中心，获取第一法兰位姿 ，激光器数值为SV1；
S2. 重复步骤S1，分别获取第二法兰位姿 和第三法兰位姿/>，并分别获取第二激光器数值SV2和第三激光器数值SV3；
S3. 通过机器人带标定工具，依次获取照射的三个圆形图案中心的世界坐标，得到第一世界坐标，第二世界坐标/>和第三世界坐标/>；
S4. 通过得到的三个圆形图案中心的世界坐标，结合基于世界坐标系的法兰坐标系，对激光坐标系与工件坐标系进行重合，得到末端坐标系下的激光坐标系；
其中，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S401. 通过坐标系转换公式，将法兰坐标系下的点转换为世界坐标系下的点，具体为：
；
激光照射在标定板上，可得到激光照射点的世界坐标，则通过对世界坐标系下激光坐标系的点和世界坐标系下标定板的点进行重合，具体为：
；
S402. 获取三点以上的对应数据，建立计算矩阵；
S403. 通过计算矩阵得到末端坐标系下的激光坐标系。
进一步的，所述步骤S4还包括法兰坐标系获取，具体步骤为：通过机器人对世界坐标系下的法兰坐标系进行获取。
进一步的，所述步骤S402中，计算矩阵具体为：
；
其中，所述表示法兰坐标系下激光坐标系的点，所述/>表示世界坐标系下的法兰坐标系下的点，所述/>表示矩阵转置。
进一步的，所述步骤S403中，具体计算流程为：
S4031. 由矩阵的初等运算，将两边转化为法兰坐标系下的世界坐标系下的点，和法兰坐标系下激光坐标系的点，具体为：
；
S4032. 由矩阵的初等运算，得出所求的矩阵，即法兰坐标系下的激光坐标系，具体为：
。
一种基于机器人的点激光发射点位姿标定系统，该系统基于任一项所述的一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法来实现，包括：
标定机构，用于通过点激光进行标定；
标定板，用于接收标定机构的点激光；
机器人和工具TOOL；
其中，所述机器人包括有第一安装部，所述工具TOOL与机器人的末端连接，所述标定机构与第一安装部连接，所述机器人的底座与工作台面固定，所述标定板固定于工作台面并与标定机构所发射的点激光位置对应。
进一步的，所述标定板上等间距设置有n*m个圆形图案的标定矩阵，所述n表示圆形图案的行数，所述m表示圆形图案的列数。
进一步的，所述第一安装部通过六轴法兰连接标定机构。
本发明的有益效果是：
（1） 本发明所提出的方法解决了激光位移传感器的外部参数标定问题，降低基于激光视觉传感器应用系统外部设备间的误差，以及传统线激光外部参数标定方法精度低的问题；
（2） 本发明所提出的系统对激光器的要求不高，激光器可以以任意姿态安装在机器人法兰末端；标定过程对激光照射点位姿无任何要求；经标定后的激光器可以以任意姿态使用，而无需垂直照射，只要在激光器的工作区间即可；对一些产品，特征点在产品内部，传统方法无法将工具塞进去，但是激光器只要能照到相关区域，就能实现特征点采集；
（3） 本发明经标定后的激光器，照射点位即是世界坐标系下的产品坐标系，算法将激光器的数据转化为机器人坐标系下实际物体的位置，提高了激光器在机器人行业的使用精度。
附图说明
图1为本发明实施例提出的一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法的方法流程图；
图2为本发明实施例提出的一种基于机器人的点激光发射点位姿标定系统的结构及坐标系示意图；
图3为本发明实施例提出的一种基于机器人的点激光发射点位姿标定系统的标定板示意图；
图中：1-标定机构，2-第一安装部，3-标定板。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
如图1所示，一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法，包括以下步骤：
S1. 通过机器人带点激光，控制激光点照射在标定板3上的任一圆形图案中心，获取第一法兰位姿 ，激光器数值为SV1；
S2. 重复步骤S1，分别获取第二法兰位姿 和第三法兰位姿/>，并分别获取第二激光器数值SV2和第三激光器数值SV3；
S3. 通过机器人带标定工具，依次获取照射的三个圆形图案中心的世界坐标，得到第一世界坐标，第二世界坐标/>和第三世界坐标/>；
S4. 通过得到的三个圆形图案中心的世界坐标，结合基于世界坐标系的法兰坐标系，对激光坐标系与工件坐标系进行重合，得到末端坐标系下的激光坐标系；
其中，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S401. 通过坐标系转换公式，将法兰坐标系下的点转换为世界坐标系下的点，具体为：
；
激光照射在标定板3上，可得到激光照射点的世界坐标，则通过对世界坐标系下激光坐标系的点和世界坐标系下标定板3的点进行重合，具体为：
；
S402. 获取三点以上的对应数据，建立计算矩阵；
S403. 通过计算矩阵得到末端坐标系下的激光坐标系。
具体的，本实施的具体原理如下：
采用这样一个体系，即存在一个世界坐标系，讨论任何问题都能参照这个坐标系。定义的位姿都是参照世界坐标系，或者由世界坐标系定义的笛卡尔坐标系。通常用矢量来描述空间中的点的位置，用固连在物体上的坐标系来描述物体的姿态，进而可以用坐标系上3个主轴的单位矢量顺序排列来组成一个旋转矩阵来形容一个坐标系对另一个坐标系的表达，故而工件在世界坐标系下的描述逐渐清晰：
用符号 来表示姿态，其中W为世界坐标系，G为工件坐标系；
；
用符号 来表示位置与姿态；
；
而在描述姿态时由于这9个元素线性相关，且有6个约束，故而用3个角度描述姿态的方法便应运而生。
；
示例性的，埃夫特机器人使用zyx欧拉角描述坐标系的姿态。
；
此时，用上述内容进行描述则有，基于世界坐标系的工件坐标系命名为 ，基于世界坐标系的激光器坐标系为 />，需要计算的是基于法兰坐标系的激光器坐标系/>，在已知世界坐标系的法兰坐标系的情况下/>（可以从机器人中读取到），需要把激光坐标系与工件坐标系进行重合，则根据以上条件有：
此时，由于激光点与工件坐标系的点重合
故有 , 取三点以上的对应数据则可构成相应计算矩阵
据上可得 ；
=> ；
=> ；
则末端坐标系下的激光坐标系可根据计算得出。
进一步的，所述步骤S4还包括法兰坐标系获取，具体步骤为：通过机器人对世界坐标系下的法兰坐标系进行获取。
进一步的，所述步骤S402中，计算矩阵具体为：
。
进一步的，所述步骤S403中，具体计算流程为：
S4031. 由矩阵的初等运算，将两边转化为法兰坐标系下的世界坐标系下的点，和法兰坐标系下激光坐标系的点，具体为：
；
S4032. 由矩阵的初等运算，得出所求的矩阵，即法兰坐标系下的激光坐标系，具体为：
。
一种基于机器人的点激光发射点位姿标定系统，该系统基于任一项所述的一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法来实现，如图2，包括：
标定机构1，用于通过点激光进行标定；
标定板3，用于接收标定机构1的点激光；
机器人和工具；
其中，所述机器人包括有第一安装部2，所述工具TOOL与机器人的末端连接，所述标定机构1与第一安装部2连接，所述机器人的底座与工作台面固定，所述标定板3固定于工作台面并与标定机构1所发射的点激光位置对应。具体的，对于现有获取机器人坐标系下的产品坐标系，传统的使用方法是在机器人六轴法兰末端安装工具TOOL，将机器人的法兰中心平移到工具TOOL上，然后利用工具TOOL去点产品的特征点。传统的点激光使用方法是将激光的发射方向相对于机器人坐标系的Z轴水平安装，同时采集坐标时使激光垂直照射在待测物体表面，这样机器人当前TCP的Z值，加上激光传感器的数值，获取待测目标点相对于机器人基坐标系的位姿信息。作为本实施例优选的实施方案，线激光通过标定后也能实现与点激光相似的功能，即获取工件表面特定的点。其中，图中01表示机器人的基坐标系，02表示工具TOOL的安装，03表示激光传感器的坐标系。
进一步的，本实施中所提到的具体结构说明如下：
工具TOOL：
安装在机器人法兰盘的辅助系统，利用三点法可标定出工具TOOL。
标定板3：
标定板3放置在水平面。
激光器（即本实施例所提到的标定机构1）：
激光器安装在机器人六轴法兰中间，姿态任意。
进一步的，所述标定板3上等间距设置有n*m个圆形图案的标定矩阵，所述n表示圆形图案的行数，所述m表示圆形图案的列数。本实施例中，采用3*3个圆形图案的标定矩阵，如图3。
进一步的，所述第一安装部2通过六轴法兰连接标定机构1。
进一步的，对于本实施所提到的系统，其机器人的动作关系如下：
1. 机器人带点激光，使其光点照射在标定板3上的任一圆形图案中心；
2. 记录此时法兰位姿为 ，激光器数值为SV1；
3. 重复上述操作两次，分别获取 ，/>3,激光器数值SV2，SV3；
4. 利用机器人带工具TOOL，按次序获取上述圆形图案中心的世界坐标。记为，，/>。
进一步的，作为本实施例优选的具体实施方式，所述步骤S4得到激光坐标系后，[01] ，其步骤原理如下：
S501. 获取两组点云数据，一组是在激光坐标系中的点云，另一组是在工件坐标系中的实际点云；
S502. 对于激光坐标系中的每个点，使用已知的变换矩阵将其转换到工件坐标系中；变换包括平移和旋转成分，用于描述激光坐标系与工件坐标系之间的相对位置和方向；
S503. 对于每个已经转换到工件坐标系的点，计算其与最近工件表面点之间的距离；该距离即为点的残差；示例性的，通过欧式距离公式计算，具体为：
d = sqrt((x2 - x1)^2 + (y2 - y1)^2 + (z2 - z1)^2)
其中，(x1, y1, z1)表示激光坐标系中的点坐标，(x2, y2, z2)表示工件坐标系中的实际点坐标；
S503. 对于每个点，将其计算得到的残差与预定义的阈值进行比较；如果残差小于阈值，表示该点匹配良好，反之则表示该点可能是错配点。
通过上述实施方式中的计算残差，可以量化激光坐标系与工件坐标系之间的匹配误差，并识别出可能需要进一步处理的错配点。进一步提高对准的准确性和精度，确保激光加工或测量的可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 通过机器人带点激光，控制激光点照射在标定板上的任一圆形图案中心，获取第一法兰位姿 ，激光器数值为SV1，其中，所述/>表示机器人的基坐标系，记为世界坐标系，所述/>表示法兰坐标系，所述/>表示照射在标定板上的点；
S2. 重复步骤S1，分别获取第二法兰位姿和第三法兰位姿/>，并分别获取第二激光器数值SV2和第三激光器数值SV3；
S3. 通过机器人带标定工具，依次获取照射的三个圆形图案中心的世界坐标，得到第一世界坐标 ，第二世界坐标/>和第三世界坐标 />，其中，所述/>表示标定板；
S4. 通过得到的三个圆形图案中心的世界坐标，结合基于世界坐标系的法兰坐标系，对激光坐标系与工件坐标系进行重合，得到末端坐标系下的激光坐标系；
其中，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S401. 通过坐标系转换公式，将法兰坐标系下的点转换为世界坐标系下的点，具体为：
；
其中，所述表示世界坐标系下标定板的点，所述/>表示世界坐标系下法兰坐标系的点，所述/>表示法兰坐标系下标定板的点；
激光照射世界坐标系的点，标定板上，可得到激光照射点的世界坐标，则通过对世界坐标系下激光坐标系的点和世界坐标系下标定板的点进行重合，具体为：
；
其中，所述表示激光坐标系，所述/>表示世界坐标系下激光坐标系的点，所述/>表示世界坐标系下标定板的点；
S402. 获取三点以上的对应数据，建立计算矩阵；
S403. 通过计算矩阵得到末端坐标系下的激光坐标系。
2.如权利要求1所述的一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法，其特征在于，所述步骤S4还包括法兰坐标系获取，具体步骤为：通过机器人对世界坐标系下的法兰坐标系进行获取。
3.如权利要求1所述的一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法，其特征在于，所述步骤S402中，计算矩阵具体为：
；
其中，所述表示法兰坐标系下激光坐标系的点，所述/>表示世界坐标系下的法兰坐标系下的点，所述/>表示矩阵转置。
4.如权利要求1所述的一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法，其特征在于，所述步骤S403中，具体计算流程为：
S4031. 由矩阵的初等运算，将两边转化为法兰坐标系下的世界坐标系下的点，和法兰坐标系下激光坐标系的点，具体为：
；
其中，所述表示法兰坐标系下世界坐标系的点，所述/>表示法兰坐标系下激光坐标系的点；
S4032. 由矩阵的初等运算，得出所求的矩阵，即法兰坐标系下的激光坐标系，具体为：
。
5.一种基于机器人的点激光发射点位姿标定系统，该系统基于权利要求1-4中任一项所述的一种基于机器人的点激光发射点位姿标定方法来实现，其特征在于，包括：
标定机构，用于通过点激光进行标定；
标定板，用于接收标定机构的点激光；
机器人和工具；
其中，所述机器人包括有第一安装部，所述工具与机器人的末端连接，所述标定机构与第一安装部连接，所述机器人的底座与工作台面固定，所述标定板固定于工作台面并与标定机构所发射的点激光位置对应。
6.如权利要求5所述的一种基于机器人的点激光发射点位姿标定系统，其特征在于，所述标定板上等间距设置有n*m个圆形图案的标定矩阵，所述n表示圆形图案的行数，所述m表示圆形图案的列数。
7.如权利要求5所述的一种基于机器人的点激光发射点位姿标定系统，其特征在于，所述第一安装部通过六轴法兰连接标定机构。
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