CN117651916A - 用于校准机器人的方法和电子设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于校准机器人(200)的方法(400)和电子设备(300)。该方法(400)包括：获取在机器人的基础坐标系中的第一参考点(2021)的至少两组位置数据(410)，第一参考点(2021)固定地布置在外轴线(201)上，至少两组位置数据对应于在外轴线(201)的移动期间第一参考点(2021)的至少两个位置；根据至少两组位置数据来确定基础坐标系与外轴线(201)的用户坐标系之间的变换关系(420)；基于基础坐标系和变换关系来确定校准用户坐标系(430)；以及控制机器人(200)在校准用户坐标系下处理布置在外轴线(201)上的对象(440)。利用该方法，可以自动校准外轴线(201)。与由操作者进行的校准过程相比，消除了人为因素造成的误差，可以显著提高校准的可靠性。

Description

用于校准机器人的方法和电子设备

技术领域

本公开的实施例总体上涉及机器人，并且更具体地涉及用于校准机器人的方法和电子设备。

背景技术

工业机器人是一种可以在三个或更多个轴线中进行编程的自动控制的、可重新编程的、多用途的操纵器。工业机器人的典型应用包括焊接、喷漆、熨烫、组装、拾取和放置、码垛、产品检查和测试，所有这些都以高耐力、高速度和高精度完成。

辅助或外轴线是被添加到机器人单元以添加额外自由度和/或扩展机器人移动范围的任何额外机构。它们既可以附接到机器人本身，也可以附接到工件。使用外轴线有多种好处，包括增加灵活性、在较大工件上工作的能力、以及访问工作空间的先前无法访问的区域。一个额外好处是还可以降低成本——在某些情况下，使用带有辅助轴线的小型机器人比投资大型机器人更便宜。

在现代机器人系统中，机器人程序中的所有位置通常存储在与限定的坐标系(或框架)相关的笛卡尔(Cartesian)坐标(例如，位置的xyz值)中。该坐标系可以与链中的另一坐标系相关。当外轴线最初被用于机器人系统中或者其位置相对于机器人系统已经发生变化时，需要建立机器人的坐标系与外轴线的坐标系之间的链，即，需要相对于机器人的坐标系来校准外轴线坐标系。

发明内容

本公开的实施例提供了一种用于校准和操纵机器人的方法和电子设备。

在第一方面，提供了一种操纵机器人的方法。该方法包括获取在机器人的基础坐标系中的第一参考点的至少两组位置数据，第一参考点固定地布置在外轴线上，至少两组位置数据对应于在外轴线的移动期间第一参考点的至少两个位置；根据至少两组位置数据来确定基础坐标系与外轴线的用户坐标系之间的变换关系；基于基础坐标系和变换关系来确定校准用户坐标系；以及控制机器人在校准用户坐标系下处理布置在外轴线上的对象。

通过根据本公开的实施例的方法，可以自动校准外轴线。与由操作者进行的校准过程相比，消除了人为因素造成的误差，可以显著提高校准的可靠性。此外，校准结果可以自动记录在存储器中，也可以以有线或无线方式传输到物联网中的其他外部设备，以便由这些外部设备使用，以帮助提高包括机器人和一个或多个外轴线的机器人处理系统的可操作性和精度。

在一些实施例中，获取至少两组位置数据包括：当第一参考点处于原始位置时，利用布置在机器人上的传感器获取第一参考点的第一组位置数据；以及在外轴线的移动期间，获取与第一参考点的至少两个移动位置相对应的第一参考点的至少一组位置数据。

在一些实施例中，确定变换关系包括通过拟合第一参考点的至少两组位置数据来确定参考线；以及根据参考线和基础坐标系来确定变换关系。以这种方式，可以以更容易的方式执行校准。

在一些实施例中，该方法还包括确定第一参考点的至少两组位置数据与参考线之间的偏差；以及根据所确定的偏差来确定校准的误差范围。然后可以使用该误差范围来做出决策。例如，当确定可以通过一些分析而确定的所确定的误差范围是由外轴线的误差引起的时，操作者可以根据误差范围来维护或更换外轴线，以提高利用外轴而加工的工件的精度。

在一些实施例中，确定变换关系还包括获取在基础坐标系中固定地布置在外轴线上的第二参考点的至少两组位置数据，至少两组位置数据对应于在外轴线的移动期间第二参考点的至少两个位置；确定在用户坐标系中第一参考点与第二参考点之间的位置关系；以及根据位置关系、第一参考点的至少两组位置数据和第二参考点的至少两组位置数据来确定变换关系。以这种方式，可以更准确地校准外轴线。此外，在使用多于一个参考点的情况下，每个参考点可以独立地参与上述校准过程。使用这些参考点的校准过程和结果(即，变换关系和/或误差范围)可以相互验证，以提高校准的可靠性。

在一些实施例中，获取至少两组位置数据还包括获取与参考点所在的参考对象的表面上的多个点相对应的多组表面数据；通过拟合多组表面数据来确定参考形状；以及根据所确定的参考形状来获取至少两组位置数据中的一组位置数据。

在一些实施例中，参考对象包括形成在外轴线上或固定地布置在外轴线上的球、圆柱体、孔或多面体中的至少一种。

在一些实施例中，外轴线包括平移工作台或转台或其组合中的至少一种。

在第二方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括至少一个处理单元；以及耦合到至少一个处理单元并且存储指令的至少一个存储器，该指令在由至少一个处理单元执行时引起至少一个处理单元：获取在机器人的基础坐标系中的第一参考点的至少两组位置数据，第一参考点固定地布置在外轴线上，至少两组位置数据对应于在外轴线的移动期间第一参考点的至少两个位置；根据至少两组位置数据来确定基础坐标系与外轴线的用户坐标系之间的变换关系；基于基础坐标系和变换关系来确定校准用户坐标系；并且控制机器人在校准用户坐标系下处理布置在外轴线上的对象。

在一些实施例中，至少一个处理单元还被配置为：当第一参考点处于原始位置时，利用布置在机器人上的传感器获取第一参考点的第一组位置数据；以及在外轴线的移动期间，获取与第一参考点的至少两个移动位置相对应的第一参考点的至少一组位置数据。

在一些实施例中，至少一个处理单元还被配置为通过拟合第一参考点的至少两组位置数据来确定参考线；以及根据参考线和基础坐标系来确定变换关系。

在一些实施例中，至少一个处理单元还被配置为确定第一参考点的至少两组位置数据与参考线之间的偏差；以及根据所确定的偏差来确定校准的误差范围。

在一些实施例中，至少一个处理单元还被配置为获取在基础坐标系中固定地布置在外轴线上的第二参考点的至少两组位置数据，至少两组位置数据对应于在外轴线的移动期间第二参考点的至少两个位置；确定在用户坐标系中第一参考点与第二参考点之间的位置关系；以及根据位置关系、第一参考点的至少两组位置数据和第二参考点的至少两组位置数据来确定变换关系。

在一些实施例中，至少一个处理单元还被配置为获取与参考点所在的参考对象的表面上的多个点相对应的多组表面数据；通过拟合多组表面数据来确定参考形状；以及根据所确定的参考形状来获取至少两组位置数据中的一组位置数据。

在一些实施例中，参考对象包括形成在外轴线上或固定地布置在外轴线上的球、圆柱体、孔或多面体中的至少一种。

在一些实施例中，外轴线包括平移工作台或转台或其组合中的至少一种。

在第三方面，提供了一种计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质具有存储在其上的计算机可读程序指令，该计算机可读程序指示在由处理单元执行时引起处理单元执行如上述第一方面中所述的方法。

应当理解，本“发明内容”不旨在标识本公开的实施例的关键或基本特征，也不旨在用于限制本公开的范围。通过以下描述，本公开的其他特征将变得容易理解。

附图说明

通过结合附图对本公开的示例实施例的更详细的描述，本公开的上述和其他目的、特征和优点将变得更加明显，其中在本公开的示例实施例中，相同的附图标记通常表示相同的组件。

图1示出了根据本公开的实施例的使用机器人来自动校准外轴线的示意图；

图2示出了图示根据本公开的实施例的操纵机器人的方法的流程图；

图3和图4示出了根据本公开的实施例的在校准期间的平移工作台的透视图；

图5和图6示出了根据本公开的实施例的在校准期间的转台的透视图；

图7示出了根据本公开的实施例的使用机器人来自动校准定位器的示意图；以及

图8示出了适合于实现本公开的示例实施例的示例计算系统/设备的框图。

在整个附图中，相同或相似的附图标记用于指示相同或相似的元素。

具体实施方式

现在将参考若干示例实施例来讨论本公开。应当理解，讨论这些实施例仅仅是为了使得本领域技术人员能够更好地理解并且因此实现本公开，而没有对主题的范围提出任何限制。

如本文中使用的，术语“包括”及其变体应当理解为开放术语，意思是“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分基于”。术语“一个实施例”和“实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”应当理解为“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同或相同的对象。以下可以包括其他明确和隐含的定义。除非上下文另有明确指示，否则术语的定义在整个说明书中是一致的。

在工业应用中，外轴线通常表示设备的各种机械工作台。平移工作台203(其属于基本类型的外轴线)被设计为扩展机器人的平移工作区域，这使得同一机器人200能够在各种工作位置进行服务，诸如在装配线上的机器人200。转台206是另一种基本类型的外轴线201，其可以为机器人200提供具有附加旋转自由度的工作平台。图1示出了这两种基本类型的外轴线。另一典型的外轴线201是定位器，其允许完全协调的移动，包括位移和旋转。定位器通常是一个或多个基本外轴线的组合，即平移工作台203和/或转台206。

尽管机器人200具有非常好的机械特性，但其内部坐标系是复杂的。因此，机器人200的内部坐标系、用于光学设计的坐标系、和用于实际处理的坐标系的转换是非常重要的。这也是工业机器人200用于高精度光学抛光的关键因素中的一个。对于工业机器人200，其内部坐标系包括基础坐标系、世界坐标系、用户坐标系、对象坐标系和工具坐标系等。所有这些坐标系都遵循右手定律。

基础坐标系通常限定在主机器人200的安装法兰上。其原点通常是第一轴线的旋转轴线在机器人200基座的平面上的投影，其定义为XOY。世界坐标系可以与基础坐标系重合。

对于过程用户来说，工作台的坐标系(诸如外轴线201)通常用作编程的参考。工作台的坐标系通常命名为用户坐标系。

通常，有一条链来关联这些坐标系。当机器人200移动到编程位置时，目的是使工具(刀具基准)与编程位置重合以闭合该链。

当外轴线201最初被用于机器人系统中或者其位置相对于机器人200已经发生变化时，需要至少在基础坐标系与外轴线201的用户坐标系之间建立链。也就是说，外轴线201的用户坐标系需要相对于机器人200的基础坐标系进行校准。虽然其坐标系称为用户坐标系，但这并不表示它只能用作用于布置工件的工作台。应当理解，除了作为工作台而被附接到工件之外，本公开中提到的外轴线还可以附接到机器人基座或机器人的末端执行器。以下，将以外轴线被用作工作台为例来讨论本公开的概念。应当理解，其他情况也是类似的，并且在下文中将不再单独描述。

在常规解决方案中，外轴线201的用户坐标系通常由操作者手动校准。它费时费力，并且校准效果不理想。此外，校准的精度完全取决于操作者的操作。因此，当坐标系由不同操作者校准时，很难确保校准的一致性。此外，传统的校准过程要求操作者具有丰富的经验和背景知识，这对企业的人员成本构成了挑战。

为了至少部分地解决上述和其他潜在问题，本公开的实施例提供了一种相对于机器人200来自动校准外轴线201的方法。该方法可以由机器人200的至少一个处理单元执行，例如通过将该方法编程为存储在至少一个存储器中的指令。当然，该方法也可以由独立于机器人200的处理单元的任何专用处理器来执行。以下，将以该方法由机器人200的处理单元来执行为例来讨论本公开的概念。应当理解，其他情况也是类似的，并且在下文中将不再单独描述。

为了执行该方法，机器人200可以是具有多个关节和多个自由度(例如，6个自由度)的工业机器人200，如图1所示。机器人200可以包括适于处理布置在外轴线201上的对象或工件的至少一个末端执行器。机器人200还可以包括传感器205，该传感器205例如布置在机器人200的末端或末端执行器上，以促进根据本公开的实施例的方法的执行。传感器205的示例可以包括触摸探针或电极球。电极球可以用于确定在其接触导电对象表面时对象的位置。

应当理解，上面示出传感器205包括触摸探针或电极球的示例仅仅是说明性的，而没有对本公开的范围提出任何限制。任何其他合适的传感器205也是可能的。例如，在一些实施例中，备选地或附加地，传感器205还可以包括诸如相机等的视频传感器205。以下，将以触摸探针用作传感器205为例来讨论本公开的概念。应当理解，其他情况也是类似的，并且在下文中将不再单独描述。在执行根据本公开的实施例的方法之前，已经在机器人200的基础坐标系与诸如传感器205的传感器坐标系等的其他坐标系之间建立了链。

此外，在一些实施例中，传感器205也可以被布置在外轴线201上。例如，触摸探针也可以被布置在外轴线201上的预定位置处。在这种情况下，机器人200保持被测量对象，例如球或立方体等，以触摸触摸探针，从而获取在基础坐标系中触摸探针的位置数据。以下，将以传感器205被布置在机器人200的末端上为例来讨论本公开的概念。应当理解，其他情况也是类似的，并且在下文中将不再单独描述。

图2示出了根据本公开的实施例的相对于机器人200来校准外轴线201的方法的流程图。如图2所示，在框410中，获取在基础坐标系中的第一参考点2021的至少两组位置数据。第一参考点2021被固定地布置在外轴线201上。例如，在一些实施例中，参考点可以是固定地布置在外轴线201上或形成在外轴线201上的参考对象(称为第一参考对象202)的质心。此外，一组位置数据可以是基础坐标系中对应点的三坐标值。

在一些实施例中，第一参考对象202可以是布置在外轴线201上的球，该球专门用于根据本公开的实施例的方法。例如，图3和图4示出了第一参考对象202可以是布置在平移工作台203的平移体2031上的两个球，该两个球沿着平移工作台的轨道2032滑动。图5和图6示出了第一参考对象202可以是布置在围绕其轴线旋转的转台206上的球。在一些备选实施例中，第一参考对象202也可以是最初形成在外轴线201上的孔、凹陷或突起。以下，将以如图3-图6所示的参考点是参考球的质心为例来讨论本公开的概念。应当理解，其他情况也是类似的，并且在下文中将不再单独描述。

将参考图3至图6，以外轴线201的基本类型(即，平移工作台203和转台206)为例，讨论如何实现框410所示的动作的示例过程。在一些实施例中，当第一参考点2021处于原始位置时，传感器205可以由机器人200的处理单元控制以获取第一参考点2021的第一组位置数据，如图3所示。

在一些实施例中，为了获取第一参考点2021的第一组位置数据，传感器205可以被控制为相对于第一参考对象202在特定方向上远离第一参考对象202移动到一定距离的位置处。例如，在获取第一参考点2021的第一组位置数据之前，传感器205可以被移动到第一参考对象202正上方的预定位置。该操作可以手动实现。例如，操作者可以操作机器人200以将传感器205移动到预定位置。

在一些备选实施例中，传感器205也可以在获取第一参考点2021的第一组位置数据之前自动移动到预定位置。例如，机器人200的处理单元可以通过诸如视觉传感器等适当传感器获取第一参考对象202的位置，并且在没有人为干扰的情况下将传感器205移动到第一参考对象202的位置。

为了获取第一参考对象202的质心的第一组位置数据，在一些实施例中，处理单元可以控制传感器205沿着第一参考对象202的表面移动，以获取基础坐标系中的多组表面数据。多组表面数据对应于第一参考对象202的表面上的多个点。表面数据可以是在机器人200的基础坐标系中的这些点的三坐标数据。

使用该多组表面数据，可以利用适当的算法来拟合参考形状。用于拟合的算法可以包括但不限于：最小二乘算法、随机样本一致性(RANSAC)等。“最小二乘”算法是一种数学回归分析形式，其用于确定针对一组数据的最佳拟合线，以提供数据点之间的关系的可视化演示。每个数据点表示已知自变量与未知因变量之间的关系。

RANSAC是一种迭代方法，其用于从包含异常值(当异常值对估计值没有影响时)的一组观测数据来估计数学模型的参数。因此，它也可以被解释为一种异常值检测方法。一个基本假定是，数据由“正常值”和“异常值”组成，“正常值”是其分布可以通过某组模型参数来解释的数据，尽管可能会受到噪声的影响，而“异常值”是不符合模型的数据。例如，异常值可以来自噪声的极值，或者来自关于数据解释的错误测量或错误假定。RANSAC还假定，给定一组(通常是小的)正常值，存在一个可以估计模型参数的过程，该过程可以最佳地解释或拟合该数据。

通过使用上述算法中的任何一种或其组合，可以将参考形状与多组表面数据拟合。利用所确定的参考形状，可以确定基础坐标系中参考形状的质心的第一组位置数据。

如图3所示，在外轴线201为平移工作台203的情况下，在第一参考点2021的第一组位置数据被获取之后，处理单元可以控制平移工作台203的平移体2031沿着其轨道2032滑动预定距离。然后，如图4所示，处理单元控制机器人200移动传感器205，以利用上述确定第一参考点2021的第一组位置数据的方法来获取第一参考点2021的另一组位置数据。以这种方式，可以获取第一参考点2021的两组位置数据。可以重复上述移动第一参考对象202和获取参考点的位置数据的动作，以获取第一参考点2021的多于两组的位置数据。

对于平移工作台203，在下一操作可以被执行之前，必须获取参考点的至少两组位置数据。然而，对于转台206，参考点的至少三组位置数据是进行下一步骤所必需的。

例如，在外轴线201是转台206的情况下，如图5和图6所示，在第一参考点2021的第一组位置数据被获取之后，处理单元可以控制转台206围绕其轴线旋转预定角度。然后，处理单元控制机器人200移动传感器205，以利用上述确定第一参考点2021的第一组位置数据的方法来获取第一参考点2021的另一组位置数据，如图6所示。之后，转台206可以被控制以在与第一旋转相同的方向上围绕其轴线旋转另一预定角度。然后，处理单元控制机器人200移动传感器205以获取第一参考点2021的另一组位置数据。以这种方式，可以获取第一参考点2021的至少三组位置数据。

为了更准确地校准外轴线201，如上所述的预定距离和预定角度可以被设置在预定范围内。例如，针对转台206的每次旋转的预定角度可以大于45°并且小于180°，例如，针对每次旋转为90°。平移工作台203的预定距离也优选地大于轨道2032的总长度的1/4。当然，应当理解，这些角度和距离的图示仅仅是说明性的，而没有对本公开的范围提出任何限制。任何其他合适的角度或距离都是可能的。在一些实施例中，针对转台206的多次旋转的预定角度或针对平移工作台203的多次平移的预定距离也可以是不同的。例如，针对第一旋转的预定角度可以是90°，而针对第二旋转的预定角度可以是45°。

再次参考图2，在足够多组第一参考点2021的位置数据被获取之后，在框420中，处理单元根据所获取的位置数据来确定基础坐标系与外轴线201的用户坐标系之间的变换关系。变换关系可以包括用户坐标系的原点与基础坐标系的原点之间的距离偏差、以及用户坐标系的坐标轴与基础坐标系的坐标轴之间的角度偏差。

由于第一组位置数据体现为基础坐标系中的坐标阀，如果第一参考对象202的第一组位置数据被设置为用户坐标系的原点，则可以确定用户坐标系的原点与基础坐标系的原点之间的距离偏差。对于如图3和图4所示的平移工作台203，通过将平移体2031的滑动方向作为用户坐标系的X轴，利用以上获取的第一参考点2021的位置数据，可以确定用户坐标系的坐标轴与基础坐标系的坐标轴之间的角度偏差(其可以通过欧拉角(Euler Angles)体现)。欧拉角是由Leonhard Euler引入的用于描述刚体相对于固定坐标系的取向的三个角度。关于本公开，用户坐标系的坐标轴与基础坐标系的坐标轴之间的角度偏差可以通过欧拉角来体现。

具体地，在一些实施例中，处理单元可以通过拟合第一参考点2021的至少两组位置数据来确定参考直线。拟合算法可以使用上述算法，例如，最小二乘算法、随机样本一致性(RANSAC)或其组合。拟合的参考直线与平移体2031的滑动方向(即，用户坐标系的X轴)基本对准。由于参考直线是由坐标值(即，在基础坐标系中获取的位置数据)拟合的，因此拟合的参考直线的函数表示也可以体现在基础坐标系中。因此，根据拟合的参考直线，可以至少确定用户坐标系的X轴与基础坐标系的X轴之间的欧拉角。此外，由于坐标系的XYZ轴之间的固定角度关系，还可以确定用户坐标系的Y轴和Z轴与基础坐标系的Y轴和Z轴之间的欧拉角。以这种方式，对于平移工作台203，可以确定基础坐标系与用户坐标系之间的变换关系。

对于如图5和图6所示的外轴线201是转台206的情况，通过将转台206的旋转轴线作为Z轴，利用以上获取的第一参考点2021的位置数据，可以通过合适的算法(例如，最小二乘算法、随机样本一致性(RANSAC)或其组合)来拟合参考曲线，即圆。利用拟合圆，可以确定其中心在基础坐标系中的坐标值以及穿过该中心的旋转轴线。在第一参考点2021与转台206的平面具有一定距离的情况下，当转台的平面的中心被设置为用户坐标系的原点时，基础坐标系中用户坐标系的原点的坐标值可以根据所确定的拟合圆的中心的坐标值和在第一参考点2021与转台206的平面之间的上述一定距离来确定。

以这种方式，通过将转台206的旋转轴线作为Z轴，利用所确定的中心和旋转轴线的坐标值，至少可以确定用户坐标系的Z轴与基础坐标系的Z轴之间的角度偏差(其可以通过欧拉角来体现)。以这种方式，可以在用户坐标系与基础坐标系之间建立链，即，可以确定基础坐标系与用户坐标系之间的变换关系。

在变换关系被确定之后，在如图2所示的框430中，然后可以基于基础坐标系和变换关系来确定校准用户坐标系。例如，校准用户坐标系可以通过指示基础坐标系中用户坐标系的原点的坐标值以及用户坐标系的坐标轴与基础坐标系的坐标轴之间的角度偏差(其可以通过欧拉角来体现)来表示。以这种方式，可以在用户坐标系与基础坐标系之间建立链。

以上描述了相对于机器人200来校准作为外轴线201的基本类型的平移工作台203和转台206的示例过程。可以看出，这些过程可以由机器人200自动执行。与由操作者手动执行的校准过程相比，消除了人为因素造成的误差，可以显著提高校准的可靠性。

此外，根据本公开的方法，可以利用根据第一参考点2021的位置数据而拟合的直线或曲线来确定校准的误差范围。例如，在一些实施例中，在包括如上所述的直线和曲线在内的参考线已经被拟合之后，处理单元可以确定第一参考点2021的至少两组位置数据与拟合的参考线之间的偏差。然后，处理单元可以根据偏差确定校准的误差范围。

也就是说，根据本公开的方法，校准的误差范围可以与外轴线201相对于机器人200的自动校准一起确定。然后可以使用该误差范围来做出决策。例如，当确定可以通过一些分析而确定的所确定的误差范围是由外轴线201的误差引起的时，操作者可以根据误差范围来维持或更换外轴线201，以提高利用外轴线201而加工的工件的精度。

此外，根据本公开的实施例的方法不仅可以应用于上述平移工作台203或转台206，还可以应用于具有至少一个平移工作台203和/或至少一个转台206的任何组合的定位器。在使用根据本公开的实施例的方法来校准定位器期间，如上所述，定位器可以被划分为多个基本类型的外轴线200，即平移工作台203或转台206。

例如，图7示出了简单的定位器，该定位器包括平移工作台203和布置在平移工作台203的平移体2031上的转台206。当校准如图7所示的定位器时，可以首先根据上述方法相对于机器人200的基础坐标系来校准平移工作台203的第一用户坐标系。在第一用户坐标系与基础坐标系之间的链已经建立之后，然后可以通过在第一用户坐标系与第二用户坐标系之间建立链来校准转台206的第二用户坐标系。

以这种方式，无论定位器的结构有多复杂，都可以将其划分为基本类型，诸如上述平移工作台203或转台206。结果，可以使用根据本公开的实施例的方法来校准具有复杂结构的定位器。

在一些实施例中，可以使用多于一个参考对象和/或参考点来更准确地确定变换关系。例如，如图3和图4所示，使用两个参考对象，即第一参考对象202和第二参考对象204。两个参考对象分别具有两个参考点，即第一参考对象202的质心和第二参考对象204的质心。在一些实施例中，两个参考对象可以被布置为使得其连接线与坐标轴(例如，用户坐标系的Y轴)对准。对于多于一个参考对象，其每个参考点可以用于执行上述校准方法。

例如，在第一参考点2021的至少两组位置数据被获取之后，处理单元还可以被配置为获取第二参考对象204的第二参考点2041的至少两组位置数据。然后，处理单元可以确定用户坐标系中第一参考点与第二参考点之间的位置关系。

例如，在一些实施例中，当两个参考对象被放置在外轴线201上或形成在外轴线201上时，第一参考点2021与第二参考点2041之间的位置关系根据其放置来确定，并且已经存储在存储器中。在这种情况下，处理单元只需要从存储器中检索对应位置关系。

在一些备选实施例中，处理单元还可以根据第一参考点2021的至少两组位置数据和第二参考点2041的至少两组位置数据来确定第一参考点2021与第二参考点2041之间的位置关系。

在第一参考点2021与第二参考点2041之间的位置关系被确定之后，处理单元可以根据该位置关系、第一参考点2021的至少两组位置数据和第二参考点2041的至少两组位置数据来确定用户坐标系与基础坐标系之间的上述变换关系。以这种方式，可以更准确地校准外轴线201。

此外，在一些实施例中，在使用多于一个参考点的情况下，每个参考点可以独立地参与上述校准过程。使用这些参考点进行的校准过程和结果(即，变换关系和/或误差范围)可以相互验证，从而提高校准的可靠性。

应当理解，使用两个参考对象和/或参考点进行校准的上述实施例仅是说明性的，而没有对本公开的范围提出任何限制。任何其他数目的参考对象和/或参考点也是可能的。例如，在一些实施例中，也可以使用三个或更多个参考点来相对于机器人200校准外轴线201。

此外，参考点不必被布置为使得它们之间的连接线与用户坐标系中的坐标轴对准。只要它们的位置相对固定，针对它们之间的位置关系，就可以采用任何适当的情况。

在一些实施例中，多个参考点可以属于一个参考对象。例如，在一些实施例中，立方体可以用作参考对象。在这种情况下，立方体的拐角处的点可以用作参考点。换言之，参考点不一定是参考对象的质心，它可以是参考对象上的任何适当的点。

此外，无论何时外轴线201相对于机器人200的位置发生变化，也就是说，无论何时外轴线201被设计或意外地移位，根据本公开的实施例的方法都可以用来校准外轴线201。校准结果(例如，如上所述的每个校准的变换关系和/或确定的误差范围)可以自动记录在存储器中。在一些实施例中，这些记录还可以以有线或无线方式传输到物联网中的其他外部设备，以便由这些外部设备使用，以帮助提高包括机器人200和一个或多个外轴线201的机器人处理系统的可操作性和精度。

例如，在一些实施例中，可以通过历史校准记录来分析机器人处理系统的状态。通过分析，可以比较在多次校准之后的变换关系和/或确定的误差范围，以确定机器人处理系统的外轴线201是否被磨损或意外地移位。

在一些实施例中，当外轴线201相对于机器人200的位置在预定方向上被改变预定距离时，新的变换关系可以根据旧的变换关系以及预定的距离和方向而被确定。新的变换关系指示在外轴线201相对于机器人200移动之后在基础坐标系与用户坐标系之间的变换关系。旧的变换关系指示在外轴线201相对于机器人200移动之前基础坐标系与用户坐标系之间的变换关系。这里的“外轴线201相对于机器人200的位置被改变”是指外轴线201相对于机器人200的位移。例如，对于平移工作台203，外轴线201的位移表示包括平移体2031和轨道2032的整个平移工作台相对于机器人200被位移。

也就是说，当外轴线201相对于机器人200的位移距离和方向可以被确定时，可以不使用上述方法进行重新校准，而只根据移动距离、移动方向和旧的变换关系就可以确定新的变换关系，这可以显著提高校准的效率。

此外，根据本公开的实施例的自动校准方法也可以用于确认机器人处理系统的状态。例如，在机器人处理系统的维护期间，即使没有外轴线201相对于机器人200的已知位移，处理单元也可以周期性地执行上述自动校准方法，以确定新确定的变换关系和/或误差范围是否相对于先前确定的变换关系和/或误差范围变化了。这可以提高维护的可靠性。

再次参考图2，在外轴线201的用户坐标系已经相对于机器人200的基础坐标系被校准之后，在框440中，处理单元然后可以控制机器人200在校准用户坐标系下处理布置在外轴线201上的对象或工件。在此之前，还可以执行一些必要的动作。例如，布置在机器人200的端部上的传感器205可以被改变为末端执行器以处理对象。例如，在一些实施例中，可以建立要处理的对象的对象坐标系以及在该对象坐标系或机器人处理系统中的其他合适坐标系之间的链。

从上面可以看出，使用本文中公开的方法对外轴线201相对于机器人200的整个校准过程不需要操作者具备太多背景知识。在校准之前，操作者只需要控制机器人将传感器移动到预定位置，而无需其他操作。这减少了对操作者的需求，从而降低了雇佣成本。

图8示出了适合于实现本公开的示例实施例的示例计算系统/设备300的框图。系统/设备300可以被实现为机器人的上述处理单元或者在机器人的上述处理器中实现。系统/设备300可以是通用计算机、物理计算设备或便携式电子设备，或者可以在分布式云计算环境中实践，在分布式云计算环境中，任务由通过通信网络而链接的远程处理设备执行。系统/设备300可以用于实现图2的过程400。

如图所示，系统/设备300包括处理器301，该处理器301能够根据存储在只读存储器(ROM)302中的程序或从存储单元308加载到随机存取存储器(RAM)303的程序来执行各种处理。在RAM 303中，还根据需要而存储在处理器301执行各种处理等时所需要的数据。处理器301、ROM 302和RAM 303经由总线304彼此连接。输入/输出(I/O)接口305也连接到总线304。

处理器301可以是适合于本地技术网络的任何类型，并且作为非限制性示例，可以包括以下中的一种或多种：通用计算机、专用计算机、微处理器、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)、协处理器和基于多核处理器架构的处理器。系统/设备300可以具有多个处理器，诸如在时间上服从于使主处理器同步的时钟的专用集成电路芯片。

系统/设备300中的多个组件连接到I/O接口305，包括：输入单元306，诸如键盘、鼠标等；输出单元307，包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等显示器、和扬声器等；存储单元308，诸如磁盘和光盘等；以及通信单元309，诸如网卡、调制解调器、无线收发器等。通信单元309允许系统/设备300经由诸如互联网、各种电信网络等通信网络与其他设备交换信息/数据。

上述方法和过程(诸如过程400)也可以由处理器301执行。在一些实施例中，过程400可以被实现为被有形地包括在计算机可读介质(例如，存储单元308)中的计算机软件程序或计算机程序产品。在一些实施例中，计算机程序可以经由ROM 302和/或通信单元309被部分地或完全地加载和/或体现在系统/设备300中。计算机程序包括由相关联的处理器301执行的计算机可执行指令。当计算机程序被加载到RAM 303并且由处理器301执行时，上述过程200的一个或多个动作可以被实现。备选地，在其他实施例中，处理器301可以经由任何其他合适的方式(例如，通过固件)来配置以执行过程200。

通常，本公开的各种示例实施例可以在硬件或专用电路、软件、逻辑或其任何组合中实现。一些方面可以在硬件中实现，而其他方面可以在固件或软件中实现，该固件或软件可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行。虽然本公开的示例实施例的各个方面被图示和描述为框图、流程图或使用一些其他图示，但是应当理解，作为非限制性示例，本文中描述的块、装置、系统、技术或方法可以在硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备、或其某种组合中实现。

本公开还提供了一种其上存储有计算机可读程序指令的计算机可读存储介质，该计算机可读程序指令在由处理单元执行时引起处理单元执行如上所述的方法/过程。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的或半导体的系统、装置或设备、或者前述各项的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例将包括具有一根或多根导线的电连接、便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储设备、磁存储设备、或前述各项的任何合适的组合。

以这种方式，用于执行根据实施例的相对于机器人200来校准外轴线201的方法的计算机可读程序指令可以被复制到具有处理单元和传感器的任何合适的机器人或设备并且由其使用。以这种方式，可以显著减少机器人处理系统的初始安装成本和时间。

用于执行本文中公开的方法的计算机可读程序指令可以用一种或多种编程语言的任何组合来编写。程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序指令在由处理器或控制器执行时引起在流程图和/或框图中指定的功能/操作被实现。程序指令可以完全在计算机上执行，部分地在计算机上执行，作为独立软件包来执行，部分地在计算机上并且部分地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。程序指令可以分布在专门编程的设备上，这些设备在本文中通常称为“模块”。

虽然操作是按特定顺序描述的，但这不应当被理解为要求这样的操作以所示的特定顺序或按顺序执行或者要求执行所有所示的操作以获取期望结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可以是有利的。同样，尽管在上述讨论中包含若干具体实现细节，但这些细节不应当被解释为对本公开的范围的限制，而是可以被解释为特定实施例所特有的特征的描述。在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合实现。

应当理解，本公开的上述详细实施例仅用于例示或解释本公开的原理，而不限制本公开。因此，在不偏离本公开的精神和范围的情况下的任何修改、等效替代和改进等都应当被包括在本公开的保护范围内。同时，本公开的所附权利要求旨在覆盖落在权利要求的范围和边界或该范围和边界的等价物下的所有变化和修改。

Claims (17)

1.一种操纵机器人(200)的方法，包括：

获取在所述机器人(200)的基础坐标系中的第一参考点(2021)的至少两组位置数据，所述第一参考点(2021)固定地布置在外轴线(201)上，所述至少两组位置数据对应于在所述外轴线(201)的移动期间所述第一参考点(2021)的至少两个位置；

根据所述至少两组位置数据来确定所述基础坐标系与所述外轴线(201)的用户坐标系之间的变换关系；

基于所述基础坐标系和所述变换关系来确定校准用户坐标系；以及

控制所述机器人在所述校准用户坐标系下处理布置在所述外轴线上的对象。

2.根据权利要求1所述的方法，其中获取所述至少两组位置数据包括：

当所述第一参考点(2021)处于原始位置时，利用布置在所述机器人(200)上的传感器来获取所述第一参考点(2021)的第一组位置数据；以及

在所述外轴线(201)的所述移动期间，获取与所述第一参考点(2021)的至少两个移动位置相对应的所述第一参考点(2021)的至少一组位置数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述变换关系包括：

通过拟合第一参考点(2021)的所述至少两组位置数据来确定参考线；以及

根据所述参考线和所述基础坐标系来确定所述变换关系。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

确定第一参考点(2021)的所述至少两组位置数据与所述参考线之间的偏差；以及

根据所确定的偏差来确定校准的误差范围。

5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述变换关系还包括：

获取在所述基础坐标系中固定地布置在所述外轴线(201)上的第二参考点(2041)的至少两组位置数据，所述至少两组位置数据对应于在所述外轴线(201)的移动期间所述第二参考点(2041)的至少两个位置；

确定在所述用户坐标系中所述第一参考点(2021)与所述第二参考点(2041)之间的位置关系；以及

根据所述位置关系、所述第一参考点(2021)的所述至少两组位置数据和所述第二参考点(2041)的所述至少两组位置数据来确定所述变换关系。

6.根据权利要求1所述的方法，其中获取所述至少两组位置数据还包括：

获取与所述参考点所在的参考对象的表面上的多个点相对应的多组表面数据；

通过拟合所述多组表面数据来确定参考形状；以及

根据所确定的参考形状来获取所述至少两组位置数据中的一组位置数据。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述参考对象包括：形成在所述外轴线(201)上或固定地布置在所述外轴线(201)上的球、圆柱体、孔或多面体中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述外轴线(201)包括：平移工作台(203)、或转台(206)、或其组合中的至少一种。

9.一种电子设备，包括：

至少一个处理单元；以及

至少一个存储器，耦合到所述至少一个处理单元并且存储指令，所述指令在由所述至少一个处理单元执行时致使所述至少一个处理单元：

获取在机器人(200)的基础坐标系中的第一参考点(2021)的至少两组位置数据，所述第一参考点(2021)固定地布置在外轴线(201)上，所述至少两组位置数据对应于在所述外轴线(201)的移动期间所述第一参考点(2021)的至少两个位置；

根据所述至少两组位置数据来确定所述基础坐标系与所述外轴线(201)的用户坐标系之间的变换关系；

基于所述基础坐标系和所述变换关系来确定校准用户坐标系；以及

控制所述机器人在所述校准用户坐标系下处理布置在所述外轴线上的对象。

10.根据权利要求9所述的电子设备，其中所述至少一个处理单元还被配置为：

当所述第一参考点(2021)处于原始位置时，利用布置在所述机器人(200)上的传感器来获取所述第一参考点(2021)的第一组位置数据；以及

在所述外轴线(201)的所述移动期间，获取与所述第一参考点(2021)的至少两个移动位置相对应的所述第一参考点(2021)的至少一组位置数据。

11.根据权利要求9所述的电子设备，其中所述至少一个处理单元还被配置为：

通过拟合第一参考点(2021)的所述至少两组位置数据来确定参考线；以及

根据所述参考线和所述基础坐标系来确定所述变换关系。

12.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述至少一个处理单元还被配置为：

确定第一参考点(2021)的所述至少两组位置数据与所述参考线之间的偏差；以及

根据所确定的偏差来确定校准的误差范围。

13.根据权利要求9所述的电子设备，其中所述至少一个处理单元还被配置为：

获取在所述基础坐标系中固定地布置在所述外轴线(201)上的第二参考点(2041)的至少两组位置数据，所述至少两组位置数据对应于在所述外轴线(201)的移动期间所述第二参考点(2041)的至少两个位置；

确定在所述用户坐标系中所述第一参考点(2021)与所述第二参考点(2041)之间的位置关系；以及

根据所述位置关系、所述第一参考点(2021)的所述至少两组位置数据和所述第二参考点(2041)的所述至少两组位置数据来确定所述变换关系。

14.根据权利要求9所述的电子设备，其中所述至少一个处理单元还被配置为：

获取与所述参考点所在的参考对象的表面上的多个点相对应的多组表面数据；

通过拟合所述多组表面数据来确定参考形状；以及

根据所确定的参考形状来获取所述至少两组位置数据中的一组位置数据。

15.根据权利要求14所述的电子设备，其中所述参考对象包括：形成在所述外轴线(201)上或固定地布置在所述外轴线(201)上的球、圆柱体、孔或多面体中的至少一种。

16.根据权利要求9所述的电子设备，其中所述外轴线(201)包括：平移工作台(203)或转台(206)或其组合中的至少一种。

17.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读程序指令，所述计算机可读程序指令在由处理单元执行时引起所述处理单元执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。