WO2016074646A1 - 一种工具在机器人法兰坐标系上的标定方法及装置 - Google Patents

一种工具在机器人法兰坐标系上的标定方法及装置 Download PDF

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calibration
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穆文锋
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深圳配天智能技术研究院有限公司
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    • G05B2219/50291—Multi-tool, several tools

Definitions

  • the invention relates to the field of robots, in particular to a calibration method and device for a tool on a robot flange coordinate system.
  • the prior art in the calibration process of the tool coordinate system usually uses the four-point calibration method to determine the coordinates of the tool center point in the flange coordinate system.
  • the four-point calibration method is specifically: the center of the tool to be calibrated by the tool coordinate system.
  • the points are respectively moved from four different directions to the same calibration reference point, so as to obtain the rotation angle corresponding to each joint of the robot during the four motions of the tool center point; and then the tool center point is obtained according to the obtained rotation angle and the four-point calibration algorithm.
  • the coordinate value in the blue coordinate system is specifically: the center of the tool to be calibrated by the tool coordinate system.
  • the inventor of the present application found in the long-term research and development that in the prior art four-point calibration method, the tool center point needs to move from four directions to the calibration reference point, and more motion paths need to be selected, that is, each in the actual calibration operation process.
  • the calibration of the tool center requires at least four operations of moving the tool center point to the calibration reference point.
  • the calibration operation is cumbersome and the calibration efficiency of the tool coordinate system is low, which affects the machining efficiency of the workpiece.
  • the technical problem mainly solved by the present invention is to provide a calibration method and device for a tool on a robot flange coordinate system, which can reduce the required number of motion points of the tool center point, and the calibration operation is relatively simple, so that the calibration efficiency of the tool coordinate system is better. high.
  • a first aspect of the present invention is to provide a calibration method of a tool on a robot flange coordinate system, comprising: acquiring a fixed joint on a joint end of a robot The calibration tool moves to a rotation angle of each joint of the robot when the center point of the tool to be calibrated coincides with the calibration reference point; and obtains calibration information of the center point of the calibrated tool on the robot flange coordinate system; according to the calibrated tool The calibration information of the center point and the rotation angle of the tool to be calibrated complete the calibration of the center point of the tool to be calibrated on the robot flange coordinate system.
  • a second aspect of the present invention is to provide a calibration device for a tool on a robot flange coordinate system, comprising: a rotation angle acquisition module for acquiring a calibration to be fixed on a joint mounting portion of a robot end The tool moves to a rotation angle of each joint of the robot when the center point of the tool to be calibrated coincides with the calibration reference point; and the calibration information acquisition module is configured to obtain calibration information of the center point of the calibrated tool on the coordinate system of the robot flange And a calibration module, configured to perform calibration of the center point of the tool to be calibrated on the robot flange coordinate system according to the calibration information of the center point of the calibrated tool and the rotation angle of the tool to be calibrated.
  • the invention obtains the rotation angle of each joint of the robot when the center point of the tool to be calibrated moves to the calibration reference point, and the center point of the calibrated tool is in the robot flange coordinate system.
  • the calibration information on the tool further obtains the center point of the tool to be calibrated according to the rotation angle of each joint of the robot when the center point of the tool to be calibrated moves to the calibration reference point, and the calibration information of the center point of the calibrated tool on the robot flange coordinate system. Calibration on the flange coordinate system.
  • FIG. 1 is a flow chart of an embodiment of a calibration method of a tool of the present invention on a robot flange coordinate system
  • FIG. 2 is a flow chart showing steps of obtaining a coordinate point of a center point of a calibrated tool in a robot flange coordinate system in an embodiment of the calibration method of the tool of the present invention on a robot flange coordinate system;
  • Figure 3 is a schematic diagram of a method for calibrating the tool of the present invention on a robot flange coordinate system. Calculating a flow chart of the calibration step of the center point of the tool to be calibrated on the robot flange coordinate system according to the calibration information of the center point of the calibration tool and the rotation angle of the tool to be calibrated;
  • FIG. 4 is a schematic structural view of a workpiece processing system in which an embodiment of a calibration device of the tool of the present invention is arranged on a robot flange coordinate system;
  • FIG. 5 is a schematic structural view of an embodiment of a calibration apparatus for a tool of the present invention on a robot flange coordinate system.
  • an embodiment of a calibration method for a tool of the present invention on a robot flange coordinate system includes:
  • Step S11 Acquire a rotation angle of each joint of the robot when the to-be-calibrated tool fixed on the robot end joint mounting portion moves to a point where the center point of the tool to be calibrated coincides with the calibration reference point.
  • the robot is generally an industrial robot of not less than four joints, preferably a six-joint industrial robot.
  • the robot may also be other types of robots such as a primary intelligent robot of not less than four joints, and there is no limitation here.
  • the tool to be calibrated is moved so that the center point of the tool to be calibrated coincides with the calibration reference point, and the rotation angle of each joint of the robot during the movement is obtained.
  • the rotation angles of the joints of all the robots can be obtained by sensors on the joints. It can be understood that the present invention does not need to limit the position of the starting point of the tool center point when the center point of the measuring tool moves to the rotation angle of each joint of the robot when the reference point is calibrated, and may be any other than the calibration reference point. point.
  • Step S12 Obtain calibration information of the center point of the calibrated tool on the robot flange coordinate system.
  • the Tool Center Point is the origin of the tool coordinate system.
  • the tool coordinate system is the coordinate system fixed on the tool.
  • the tool coordinate system is based on the tool.
  • the calibration of the tool center point that is, the calibration of the tool coordinate system, is the process of determining the position and attitude of the tool coordinate system relative to the flange coordinate system, that is, determining the coordinates of the tool center point in the flange coordinate system and the tool coordinate system.
  • obtaining calibration information of the center point of the calibrated tool on the robot flange coordinate system includes: obtaining a rotation angle of the calibrated tool and a coordinate of a center point of the calibrated tool in a robot flange coordinate system.
  • the angle of rotation of the calibrated tool is when the calibrated tool is fixed on the mounting portion of the robot end joint, moving to the point where the center point of the calibrated tool coincides with the calibrated reference point Rotation angle.
  • the flange coordinate system uses the end joint of the robot as a reference.
  • the angle of rotation of the calibrated tool and the coordinates of the center point of the calibrated tool in the robotic flange coordinate system may be obtained directly in advance in the memory, or may be acquired by instantaneous measurement or calculation.
  • the rotation angle of the calibrated tool is pre-stored in the memory, and the coordinates of the center point of the calibrated tool in the robot flange coordinate system are based on the calibrated tool pre-stored in the memory.
  • the rotation angle is calculated instantaneously; or the coordinates of the center point of the calibrated tool in the robot flange coordinate system and the rotation angle of the calibrated tool are pre-stored in the memory; or, the rotation of the calibrated tool
  • the coordinates of the angle and the center point of the calibrated tool in the robot flange coordinate system are instantly acquired.
  • the specific manner of obtaining the rotation angle of the calibrated tool may be: fixing the calibrated tool to the mounting portion of the end joint of the robot, and acquiring the calibrated tool to move to the center point of the calibrated tool The angle of rotation of each joint of the robot when it coincides with the calibration reference point.
  • the fixed mounting part of the calibrated tool and the tool to be calibrated should be the same. Move the calibrated tool on the mounting part so that the center point of the calibrated tool coincides with the calibration reference point to obtain the robots during the moving process.
  • the angle of rotation of the joint may be: fixing the calibrated tool to the mounting portion of the end joint of the robot, and acquiring the calibrated tool to move to the center point of the calibrated tool The angle of rotation of each joint of the robot when it coincides with the calibration reference point.
  • the step is the same point as the calibration reference point described in step S11, and the punctuation reference point is any point other than the center point of the calibrated tool and the starting point of the movement of the center point of the tool to be calibrated, and the calibration reference point is at the world coordinate.
  • the coordinates in the system are (X Y Z 1).
  • the specific acquisition method of the coordinates of the center point of the calibrated tool in the robot flange coordinate system may be a four-point calibration method. See Figure 2 for the center point of the calibrated tool at the robot flange coordinates
  • the coordinates in the system may specifically include the following sub-steps:
  • Sub-step S121 acquiring a first rotation angle and a second rotation angle, wherein the first rotation angle and the second rotation angle are that the calibrated tool moves to the center of the calibrated tool in the first direction and the second direction, respectively The angle of rotation of each joint of the robot when the point coincides with the calibration reference point.
  • the six-joint industrial robot is exemplified, and the calibrated tool is fixed on the mounting portion of the end joint of the robot, and moves in the first direction so that the center point of the tool coincides with the calibration reference point, and the joints of the robot during the moving process are acquired.
  • First angle of rotation Moving in the second direction causes the center point of the tool to coincide with the calibration reference point to obtain a second rotation angle of each joint of the robot during the movement
  • the first direction and the second direction are two different directions.
  • Step S122 Substituting the first rotation angle and the second rotation angle into the known forward kinematics equation of the robot respectively, obtaining the transformation matrices F 1 and F 2 of the robot flange coordinate system with respect to the world coordinate system, and establishing Equation 1.
  • Equation 1 is as follows:
  • T is the transformation matrix of the calibrated tool coordinate system relative to the flange coordinate system, specifically
  • (X Y Z 1) is the coordinate of the calibration reference point in the world coordinate system.
  • Sub-step S123 The coordinates of the formula 2 is calculated center point of the calibration tool in the robot flange coordinate system (X-Y has already been Z).
  • Equation 2 is as follows:
  • the calibrated tool center point in the robot flange coordinate system the coordinates may have coordinates in the robot flange coordinate system as the final calibrated tool center point, but in order to make the center of the calibration tool has
  • the calibration of the point in the robot flange coordinate system is more accurate, and the present embodiment also performs the following sub-step S124 - sub-step S127.
  • Sub-step S124 acquiring a third rotation angle and a fourth rotation angle, wherein the third rotation angle and the fourth rotation angle are that the calibrated tool moves to the center of the calibrated tool in the third direction and the fourth direction, respectively The angle of rotation of each joint of the robot when the point coincides with the calibration reference point.
  • a third rotation angle of each joint of the robot when the calibration tool is moved in the third direction so that the center point of the tool coincides with the calibration reference point is acquired.
  • Obtaining a fourth rotation angle of each joint of the robot when the calibrated tool moves in the fourth direction such that the center point of the tool coincides with the calibration reference point is acquired.
  • the calibration reference points in the sub-steps S121 and S124 are the same calibration reference point, but the calibration reference points in step S11 can be different reference points.
  • the calibrated tool required to be acquired in step S11 may be directly selected from the rotation angles acquired in the sub-steps S121 and S124. Rotation angle.
  • Sub-step S125 Substituting the third rotation angle and the fourth rotation angle into a known forward kinematics equation of the robot respectively, obtaining a transformation matrix F 3 , F 4 of the robot flange coordinate system with respect to the world coordinate system, and establishing Equation 3.
  • Equation 3 is as follows:
  • T is the transformation matrix of the calibrated tool coordinate system in the sub-step S122 with respect to the flange coordinate system
  • (X Y Z 1) is the coordinate of the calibration reference point in the world coordinate system.
  • Sub-step S126 The formula of formula 3 4 finishing, calculated according to the formula 4 calibrated tool center point coordinates in the robot flange coordinate system again (X 'is Y' is Z 'is).
  • Equation 4 is as follows:
  • the calibration tool has a center point coordinates in the robot flange coordinate system (X 'is Y' is Z 'is).
  • Sub-step S127 According to (X is Y is Z is) and (X 'is Y' is Z 'have) been obtained average value of the calibration tool center point in the robot flange coordinate calibration coordinate system (X-Y correction Z calibration correction), the calibrated check tool center point coordinates in the robot flange coordinate system (X-Y correction correction correction Z) is determined as the final value of the center point of the calibration tool has a robot flange The coordinates in the coordinate system.
  • the present embodiment uses a four-point calibration method has two coordinates obtained calibration tool center point in the robot flange coordinate system (X-Y has already been Z) and (X 'is Y' is Z 'is) as the average
  • the coordinates of the final center point of the calibrated tool in the robot flange coordinate system make the calibration of the tool's robot flange coordinate system more accurate.
  • Step S13 The calibration of the center point of the tool to be calibrated on the robot flange coordinate system is completed according to the calibration information of the center point of the calibrated tool and the rotation angle of the tool to be calibrated.
  • the step includes the following substeps. :
  • Sub-step S131 rotation angle is the rotation angle of the calibration tool and the calibration tool are to be substituted into the equation for forward kinematics known to give the robot flange coordinate system relative to the world coordinate system transformation matrix F has, to be F, and Establish Equation 5 below.
  • step S12 when the calibration tool moves to the center point of the to-be-calibrated tool and coincides with the calibration reference point, the rotation angle of each joint of the robot is Specific rotation angle Substituting the forward kinematics equation of the robot Thereby, the transformation matrix F of the flange coordinate system relative to the world coordinate system when the tool center point is moved to the calibration reference point in the calibration process of the tool coordinate system of the calibrated tool is obtained .
  • step S11 when the to-be-calibrated tool moves to the center point of the to-be-calibrated tool and coincides with the calibration reference point, the rotation angle of each joint of the robot is Rotation angle Substituting the forward kinematics equation of the robot To thereby obtain the calibration tool center point is moved to be calibrated flange coordinate system relative to the world coordinate system transformation matrix F, the reference point in the calibration procedure to be the tool coordinate system to be calibrated tool, particularly the following formula 6,
  • the tool center point coordinates in the coordinate system of the flange is calibrated (X Y has already been Z) refers to the calibration tool has been finalized in the flange of the center point coordinates
  • the coordinates such as the coordinates of the center point of the calibrated tool in the flange coordinate system, are determined by sub-steps 121-127, that is, the coordinates of the center point of the calibrated tool referred to herein in the flange coordinate system are ( X is Y is Z is) the center point of the calibration tool has a sub-step S127, a check in the robot flange coordinate coordinate system (X-Y correction correction correction Z).
  • Sub-step S132 formula into equation 5 6 formula 7, to be calculated coordinates of the center point of the calibration tool flange coordinate system (X-Y be be be Z).
  • Equation 7 is as follows: 7
  • calibration transformation matrix is set tool coordinate system relative to the flange of the tool coordinate system T is to be the calibration tool relative to the tool coordinate system transformation matrix flange coordinate system T is to be, since already Both the calibration tool center point and the center point of the tool to be calibrated move to the same calibration reference point (XYZ 1), so there are:
  • Equation 8 To further formulate Equation 8, there are:
  • transformation matrix F is known to be a vector in columns 1-3 of matrix F 'to be, a transformation matrix F has the coordinates of the point in the tool coordinate system of the flange calibrated And a transformation matrix F is a vector of 4
  • the coordinates of the center point of the tool to be calibrated in the flange coordinate system can be obtained, that is, the position calibration of the coordinate system origin in the calibration process of the tool coordinate system of the tool to be calibrated is completed, and the coordinates in the tool coordinate system are also performed.
  • the calibration of the axis direction vector to complete the calibration of the tool coordinate system of the tool to be calibrated.
  • step S11 may be performed first. After step 12 is performed, step 11 is performed first, then step 11 is performed, or steps S11 and 12 are performed simultaneously.
  • the calibration method of the tool of the invention on the robot flange coordinate system can be used for processing the workpiece.
  • the robot can use the calibration tool to be calibrated on the robot flange coordinate system.
  • the workpiece is machined. Since the operation complexity of the calibration method of the present invention can be reduced by 75% compared with the four-point calibration method, the calibration operation is relatively simple, which makes the calibration efficiency of the tool coordinate system higher, thereby improving the processing efficiency of the workpiece.
  • FIG. 4 is a schematic structural view of an embodiment of a machining system in which the calibration device of the tool of the present invention is located on a robot flange coordinate system
  • FIG. 5 is a calibration device of the tool of the present invention on a robot flange coordinate system.
  • the machining system includes a robot 41, a calibrated tool 42, a tool to be calibrated 43, a calibration device 44 on the robot flange coordinate system, and a machining control device 45.
  • the robot 41 is specifically a robot of not less than four joints.
  • the calibration device 44 of the tool on the robot flange coordinate system includes a rotation angle acquisition module 442, a calibration information acquisition module 443, and a calibration module 444. The specific functions of each module are as follows:
  • the rotation angle obtaining module 442 is configured to acquire a rotation angle of each joint of the robot 41 when the to-be-calibrated tool 43 fixed on the robot end joint mounting portion moves to a point where the center point of the to-be-calibrated tool 43 coincides with the calibration reference point.
  • the calibration information acquisition module 443 is configured to acquire calibration information of the center point of the calibration tool 42 on the flange coordinate system of the robot 41.
  • the specific calibration information acquisition module 443 includes a rotation angle acquisition unit 4431 and a coordinate acquisition unit 4432.
  • the rotation angle acquiring unit 4431 is configured to acquire a rotation angle of the calibrated tool 42, and the rotation angle of the calibrated tool 42 is when the calibrated tool 42 is fixed on the end joint mounting portion of the robot 41.
  • the coordinate acquiring unit 4432 is configured to acquire the coordinates of the center point of the calibrated tool 42 in the flange coordinate system of the robot 41.
  • the angle of rotation of the calibrated tool and the coordinates of the center point of the calibrated tool in the robotic flange coordinate system may be obtained directly in advance in the memory, or may be acquired by instantaneous measurement or calculation.
  • the calibration information acquisition module 443 further includes a memory (not shown) for storing the rotation angle of the calibrated tool only, the coordinate acquisition unit according to the rotation of the calibrated tool stored in the memory in advance
  • the angle is instantaneously calculated to obtain the coordinates of the center point of the calibrated tool in the robot flange coordinate system; or the memory is simultaneously used to pre-store the coordinates and the calibrated tool of the center point of the calibrated tool in the robot flange coordinate system
  • the rotation angle; or the rotation angle of the calibrated tool and the coordinates of the center point of the calibrated tool in the robot flange coordinate system are obtained as described immediately below by the rotation angle acquisition unit 4431 and the coordinate acquisition unit 4432.
  • the rotation angle acquiring unit 4431 is specifically configured to acquire and fix the robot 41.
  • the calibrated tool 42 on the mounting portion of the end joint moves to the angle of rotation of the joints of the robot 41 when the center point of the calibrated tool 42 coincides with the calibrated reference point.
  • the rotation angle acquisition unit 4431 is the same point as the calibration reference point in the rotation angle acquisition module 442, and the puncture reference point is any point other than the center point of the calibrated tool 42 and the center point of the tool to be calibrated 43, and the calibration reference point is at
  • the coordinates in the world coordinate system are (X Y Z 1).
  • the coordinate obtaining unit 4432 is specifically configured to:
  • T is the transformation matrix of the calibrated tool coordinate system relative to the flange coordinate system
  • (X Y Z 1) is the coordinate of the calibration reference point in the world coordinate system
  • T is the transformation matrix of the calibrated tool coordinate system relative to the flange coordinate system
  • (X Y Z 1) is the coordinate of the calibration reference point in the world coordinate system
  • the coordinate acquiring unit may be calibrated tool center point coordinates in the robot flange coordinate system (X-Y has already been Z) is determined directly as the final calibrated tool center point The coordinates in the robot flange coordinate system.
  • the calibration module 444 is specifically configured to:
  • Rotation angle is the rotation angle of the calibration tool 42 and the tool 43 to be calibrated by using the respective forward kinematics equations known to give the robot flange coordinate system relative to the world coordinate system transformation matrix F has, to be F, and established as follows Equation 5,
  • (X Y pending pending pending Z) of the calibration tool is to be the center point coordinates in the coordinate system of the flange, said flange tool center point coordinates of the coordinate system is calibrated (X is Y is Z is), the robot flange coordinate system relative to the world coordinate system transformation matrix F to be specific the following formula 6,
  • the calibration information acquisition module 443 can select the calibration information of the center point of the first calibration tool on the robot flange coordinate system, and the last calibration of the previous implementation calibration.
  • the calibration information of the center point of the calibration tool on the robot flange coordinate system, or the calibration information of the center point of any of the calibrated tools on the robot flange coordinate system, as the center point of the calibrated tool described in the above method The calibration information on the robot flange coordinate system, the calibration module 444 determines the calibration of the center point of the tool to be calibrated on the robot flange coordinate system according to the calibration information selected by the calibration information acquisition module 443.
  • the first and the previous ones are defined in the order in which the tools are calibrated on the robot.
  • the calibration information acquisition module 443 may also select calibration information of the center point of the at least two previously calibrated tools on the robot flange coordinate system, and perform weighted averaging on the calibration information; the calibration module 444 is based on the weighted average
  • the calibration information of the center point of the calibrated tool and the rotation angle of the tool to be calibrated complete the calibration of the center point of the tool to be calibrated on the robot flange coordinate system.
  • the machining control device 45 is used to cause the robot 41 to machine the workpiece using the to-be-calibrated tool 43 that has been calibrated on the robot flange coordinate system.
  • the calibration device of the tool of the present invention on the robot flange coordinate system is not limited to the above-mentioned workpiece processing system, and the calibration device of the tool of the present invention on the robot flange coordinate system can be used as a separate device for any calibration that needs to be performed. In the system.
  • the invention further obtains the calibration information of the rotation angle of each joint of the robot when the center point of the tool to be calibrated moves to the calibration reference point, the calibration point of the center point of the calibrated tool on the robot flange coordinate system, and further moves to the calibration according to the center point of the tool to be calibrated At the reference point, the rotation angle of each joint of the robot, the calibration point of the center point of the calibrated tool on the robot flange coordinate system, and the calibration of the center point of the tool to be calibrated on the flange coordinate system.

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Abstract

一种工具在机器人法兰坐标系上的标定方法及装置，该工具在机器人法兰坐标系上的标定方法包括：获取固定在机器人末端关节安装部上的待标定工具移动至所述待标定工具的中心点与标定参考点重合时所述机器人各关节的旋转角度（S11）；获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息（S12）；根据已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定（S13）。本发明能够减少所需的工具中心点运动路径数量，标定操作较简单而使得工具坐标系的标定效率较高

Description

一种工具在机器人法兰坐标系上的标定方法及装置 【技术领域】
本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种工具在机器人法兰坐标系上的标定方法及装置。
【背景技术】
在机器人编程中，通常需要将对工件的操作任务定义在机器人的法兰坐标系等坐标系下，因此在对工件进行加工前需要事先确定固定在工具上的工具坐标系与固定工具的末端关节所在的法兰坐标系的关系，即进行工具坐标系的标定，工具坐标系的标定为确定工具中心点在法兰坐标系中的坐标以及工具坐标系相对法兰坐标系的坐标轴方向。其中，对工具坐标系的标定过程中现有技术通常采用四点标定法确定工具中心点在法兰坐标系中的坐标，四点标定法具体为：使待进行工具坐标系标定的工具的中心点分别从四个不同的方向运动至同一标定参考点，从而获取工具中心点四次运动过程中机器人各关节对应的旋转角度；再根据获得的旋转角度以及四点标定算法获得工具中心点在法兰坐标系中的坐标值。
本申请发明人在长期研发中发现，现有技术的四点标定法中工具中心点需从四个方向运动至标定参考点，需选取的运动路径较多，即在实际标定操作过程中每个工具中心的标定均至少需要进行四次工具中心点向标定参考点运动的操作，标定操作较繁琐而使得工具坐标系的标定效率较低，进而影响工件的加工效率。
【发明内容】
本发明主要解决的技术问题是提供一种工具在机器人法兰坐标系上的标定方法及装置，能够减少所需的工具中心点运动路径数量，标定操作较简单而使得工具坐标系的标定效率较高。
为解决上述技术问题，本发明的第一方面是：提供一种工具在机器人法兰坐标系上的标定方法，包括：获取固定在机器人末端关节安装部上的 待标定工具移动至所述待标定工具的中心点与标定参考点重合时所述机器人各关节的旋转角度；获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息；根据已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。
为解决上述技术问题，本发明的第二方面是：提供一种工具在机器人法兰坐标系上的标定装置，包括：旋转角度获取模块，用于获取固定在机器人末端关节安装部上的待标定工具移动至所述待标定工具的中心点与标定参考点重合时所述机器人各关节的旋转角度；标定信息获取模块，用于获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息；标定模块，用于根据已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过获取待标定工具中心点移动至标定参考点时机器人的各关节的旋转角度、已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息，进一步根据待标定工具中心点移动至标定参考点时机器人的各关节的旋转角度、已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息获取待标定工具的中心点在法兰坐标系上的标定。通过上述方式，实现在待标定工具的工具坐标系标定过程中只需从一个方向运动至标定参考点，能够减少所需的工具中心点运动路径数量，即最少只需一次进行待标定工具中心点运动至标定参考点的操作，在确保矩阵F′待为可逆的同等概率下，本发明相对现有的四点标定法的操作复杂度能够降低75％，标定操作较简单而使得工具坐标系的标定效率较高，进而提高工具在机器人法兰坐标系上的标定效率。
【附图说明】
图1是本发明工具在机器人法兰坐标系上的标定方法一实施方式的流程图；
图2是本发明工具在机器人法兰坐标系上的标定方法一实施方式中获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标步骤的流程图；
图3是本发明工具在机器人法兰坐标系上的标定方法一实施方式中根 据已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定步骤的流程图；
图4是本发明工具在机器人法兰坐标系上的标定装置一实施方式所在的工件加工系统的结构示意图；
图5是本发明工具在机器人法兰坐标系上的标定装置一实施方式一实施方式的结构示意图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，均属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明工具在机器人法兰坐标系上的标定方法一实施方式包括：
步骤S11：获取固定在机器人末端关节安装部上的待标定工具移动至所述待标定工具的中心点与标定参考点重合时所述机器人各关节的旋转角度。
本实施方式中机器人一般为不少于四关节的工业机器人，优选为六关节的工业机器人。在其他实施方式中，机器人也可为不少于四关节的初级智能机器人等其他类型的机器人，此处不作过多限制。
在将待标定工具固定在机器人的末端关节的安装部之后，移动待标定工具，以使待标定工具的中心点与标定参考点重合，获取在此移动过程中机器人各关节的旋转角度。本发明中所有机器人各关节的旋转角度均可通过各关节上的传感器获取。可以理解的是，本发明在测量工具中心点移动到标定参考点时的机器人各关节的旋转角度时，均无需限定该工具中心点的起点的位置，可以为除与标定参考点之外的任意点。
步骤S12：获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息。
工具中心点(Tool Center Point，TCP)为工具坐标系的原点，工具坐标系为固定在工具上的坐标系，工具坐标系以工具为参考物。工具中心点的标定，也即工具坐标系的标定，是计算工具坐标系相对于法兰坐标系的位置和姿态的辨识过程，即确定工具中心点在法兰坐标系中的坐标以及工具坐标系相对法兰坐标系的坐标轴方向。
具体，获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息包括：获取所述已标定工具的旋转角度和已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标。已标定工具的旋转角度为当所述已标定工具被固定在所述机器人末端关节的安装部上时，其移动至所述已标定工具的中心点与标定参考点重合时所述机器人各关节的旋转角度。法兰坐标系以机器人的末端关节为参照物。在不同的实施例中，已标定工具的旋转角度和已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标可以是预先存储在存储器中直接获取的，也可以是即时测量或计算获取的。例如，仅所述已标定工具的旋转角度是预先存储在存储器中的，所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标是根据所述预先存储在存储器中的已标定工具的旋转角度即时计算得到的；或者，所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标和已标定工具的旋转角度均是预先存储在存储器中的；又或者，已标定工具的旋转角度和已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标均即时获取。
其中，已标定工具的旋转角度的具体获取方式可以为：将所述已标定工具固定在所述机器人的末端关节的安装部，并获取所述已标定工具移动至所述已标定工具的中心点与标定参考点重合时所述机器人各关节的旋转角度。已标定工具和待标定工具所安装固定的安装部应是相同的，移动该安装部上的已标定工具，以使已标定工具的中心点与标定参考点重合，获取在此移动过程中机器人各关节的旋转角度。其中，本步骤与步骤S11所述的标定参考点为同一点，标点参考点为除已标定工具的中心点以及待标定工具的中心点移动的起点以外的其他任意一点，标定参考点在世界坐标系中的坐标为(X Y Z 1)。
已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标的具体获取方式可以为四点标定法。请参阅图2，获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标 系中的坐标可具体包括以下子步骤：
子步骤S121：获取第一旋转角度和第二旋转角度，所述第一旋转角度和第二旋转角度是所述已标定工具分别沿第一方向和第二方向移动至所述已标定工具的中心点与标定参考点重合时机器人各关节的旋转角度。
具体以六关节的工业机器人举例说明，将已标定工具固定在机器人的末端关节的安装部上，沿第一方向移动使得该工具的中心点与标定参考点重合，获取该移动过程中机器人各关节的第一旋转角度
Figure PCTCN2015094608-appb-000001
沿第二方向移动使得该工具的中心点与该标定参考点重合，获取该移动过程中机器人各关节的第二旋转角度
Figure PCTCN2015094608-appb-000002
其中，第一方向和第二方向为不同的两个方向。
步骤S122：将第一旋转角度、第二旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F1、F2，并建立等式①。
等式①具体如下：
Figure PCTCN2015094608-appb-000003
   ①
其中，已标定工具的中心点在法兰坐标系中的坐标是(X已 Y已 Z已)；
T为已标定工具坐标系相对于法兰坐标系的变换矩阵，具体
Figure PCTCN2015094608-appb-000004
工具坐标系相对法兰坐标系的三个坐标轴方向分别为：A＝[R11 R21 R31]、B＝[R12 R22 R32]、C＝[R13 R23 R33]；
(X Y Z 1)为标定参考点在世界坐标系中的坐标。
子步骤S123：根据式②求得已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X已 Y已 Z已)。
式②具体如下：
Figure PCTCN2015094608-appb-000005
   ②，
整理可得：
Figure PCTCN2015094608-appb-000006
设
Figure PCTCN2015094608-appb-000007
F′为可逆矩阵，则有：
Figure PCTCN2015094608-appb-000008
故求得已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X已 Y已 Z已)。
该已标定工具中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X已 Y已 Z已)已可以作为最终的已标定工具中心点在机器人法兰坐标系中的坐标，但为了使得已标定工具中心点在机器人法兰坐标系的标定更准确，本实施例还执行下面子步骤S124-子步骤S127。
子步骤S124：获取第三旋转角度和第四旋转角度，所述第三旋转角度和第四旋转角度是所述已标定工具分别沿第三方向和第四方向移动至所述已标定工具的中心点与标定参考点重合时机器人各关节的旋转角度。
同理于子步骤S121，获取将已标定工具沿第三方向移动使得该工具的中心点与标定参考点重合时机器人各关节的第三旋转角度
Figure PCTCN2015094608-appb-000009
获取已标定工具沿第四方向移动使得该工具的中心点与标定参考点重合时机器人各关节的第四旋转角度
Figure PCTCN2015094608-appb-000010
其中，第三方向和第四方向为不同的两个方向。
可以理解的是，子步骤S121和S124中的标定参考点为同一个标定参考点，但与步骤S11中的标定参考点可以为不同的参考点。当子步骤S121 和S124中的标定参考点与步骤S11中的标定参考点为相同的标定参考点时，可以直接从本子步骤S121和S124中获取的旋转角度中选取作为步骤S11中所需获取的已标定工具的旋转角度。
子步骤S125：将第三旋转角度和第四旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F3、F4，建立等式③。
式③具体如下：
Figure PCTCN2015094608-appb-000011
   ③
式③中，T为子步骤S122中的已标定工具坐标系相对于法兰坐标系的变换矩阵，(X Y Z 1)为标定参考点在世界坐标系中的坐标。
子步骤S126：根据式③整理得到式④，根据式④再次求得已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X′已 Y′已 Z′已)。
式④具体如下：
Figure PCTCN2015094608-appb-000012
   ④
同理于子步骤S123可求得，又一个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X′已 Y′已 Z′已)。
子步骤S127：根据(X已 Y已 Z已)和(X′已 Y′已 Z′已)的平均值获得已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的校验坐标(X校 Y校 Z校)，将所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的校验坐标(X校 Y校 Z校)值确定为最终的所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标。
本实施例采用四点标定方法得到两个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X已 Y已 Z已)和(X′已 Y′已 Z′已)的平均值作为最终的所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标，使得该工具的机器人法兰坐标系的标定更加准确。
步骤S13：根据已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。
根据已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定，请参阅图3，本步骤具体包括以下子步骤：
子步骤S131：将已标定工具的旋转角度和待标定工具的旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F已、F待，并建立如下等式⑤。
继续以六关节机器人进行举例说明，根据上述步骤S12得到已标定工具移动至所述待标定工具的中心点与标定参考点重合时所述机器人各关节的旋转角度为
Figure PCTCN2015094608-appb-000013
具体将旋转角度
Figure PCTCN2015094608-appb-000014
代入机器人正运动学方程
Figure PCTCN2015094608-appb-000015
从而获得在已标定工具的工具坐标系的标定过程中已标定工具中心点运动至标定参考点时法兰坐标系相对世界坐标系的变换矩阵F已。
同理，根据上述步骤S11得到待标定工具移动至所述待标定工具的中心点与标定参考点重合时所述机器人各关节的旋转角度为
Figure PCTCN2015094608-appb-000016
将旋转角度
Figure PCTCN2015094608-appb-000017
代入机器人正运动学方程
Figure PCTCN2015094608-appb-000018
从而获得在待标定工具的工具坐标系的标定过程中待标定工具中心点运动至标定参考点时法兰坐标系相对世界坐标系的变换矩阵F待，具体如下式⑥，
Figure PCTCN2015094608-appb-000019
   ⑥；
建立如下等式⑤，
Figure PCTCN2015094608-appb-000020
   ⑤，
其中，(X待 Y待 Z待)为所述待标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐 标，所述已标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标为(X已 Y已 Z已)。
可以理解的是，该已标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标为(X已 Y已 Z已)指的是最终确定的已标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标，如已标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标由子步骤121-127而确定的，即此处所指的已标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标为(X已 Y已 Z已)为子步骤S127中的已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的校验坐标(X校 Y校 Z校)。
子步骤S132：将式⑥代入式⑤得到式⑦，求得所述待标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标(X待 Y待 Z待)。
式⑦具体如下：
Figure PCTCN2015094608-appb-000021
   ⑦
其中，
Figure PCTCN2015094608-appb-000022
且F′待为正交矩阵。
上述公式⑦的具体推导过程为：设已标定工具的工具坐标系相对法兰坐标系的变换矩阵为T已，待标定工具的工具坐标系相对法兰坐标系的变换矩阵为T待，由于已标定工具中心点与待标定工具中心点均运动至同一标定参考点(X Y Z 1)，因此有：
Figure PCTCN2015094608-appb-000023
   ⑧
其中，
Figure PCTCN2015094608-appb-000024
进一步对公式⑧进行整理，则有：
Figure PCTCN2015094608-appb-000025
   ⑨
由于
Figure PCTCN2015094608-appb-000026
因此由公式⑨可以得到：
Figure PCTCN2015094608-appb-000027
   ⑩
设
Figure PCTCN2015094608-appb-000028
且F′待为正交矩阵，则根据公式⑩可以得到：
Figure PCTCN2015094608-appb-000029
   
Figure PCTCN2015094608-appb-000030
由于F′待为正交矩阵，即F′待为可逆矩阵，根据正交矩阵的性质有(F′待)-1＝(F′待)T，因此根据上述公式
Figure PCTCN2015094608-appb-000031
可以得到公式⑦：
Figure PCTCN2015094608-appb-000032
   ⑦
即得到上述公式⑦，进一步将已知的变换矩阵F待中第1-3列的向量矩阵F′待、变换矩阵F已、已标定工具点在法兰坐标系中的坐标
Figure PCTCN2015094608-appb-000033
以及变换矩阵F已第4列的向量
Figure PCTCN2015094608-appb-000034
代入公式⑦即可获得待标定工具的中心点在法兰坐标系中的坐标，即完成待标定工具的工具坐标系的标定过程中的坐标系原点的位置标定，此外还进行工具坐标系中坐标轴方向向量的标定，以完成待标定工具的工具坐标系的标定。
本实施方式通过获取待标定工具中心点移动至标定参考点时机器人的 各关节的旋转角度、已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息，进一步根据待标定工具中心点移动至标定参考点时机器人的各关节的旋转角度、已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息获取待标定工具的中心点在法兰坐标系上的标定。通过上述方式，实现在待标定工具的工具坐标系标定过程中只需从一个方向运动至标定参考点，能够减少所需的工具中心点运动路径数量，即最少只需一次进行待标定工具中心点运动至标定参考点的操作，在确保矩阵F′待为可逆的同等概率下，本发明相对现有的四点标定法的操作复杂度能够降低75％，标定操作较简单而使得工具坐标系的标定效率较高，进而提高工具在机器人法兰坐标系上的标定效率。
可以理解的是，本发明方法步骤的先后顺序仅为了方便说明，并不应当起到限定作用，如本实施例中的步骤S11和步骤12的即不具有先后之分，即可先执行步骤S11后执行步骤12、先执行步骤S12后执行步骤11、或者同时执行步骤S11和步骤12。
另外，当已标定工具有多个的时候，可以选择第一个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息、上一个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息、或者任意一个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息，作为上述方法中所述的已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息，以求得待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。其中，上述第一个和上一个是以工具在该机器人上进行标定的先后顺序来定义的。当然，也可以选取获取之前至少两个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息，并对所述标定信息做加权平均；根据加权平均后的已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。
本发明工具在机器人法兰坐标系上的标定方法可用于对工件的加工上，在完成对待标定工具的标定后，可使机器人利用已完成在机器人法兰坐标系上的标定的待标定工具对工件进行加工。由于本发明标定方法相对四点标定法的操作复杂度能够降低75％，标定操作较简单而使得工具坐标系的标定效率较高，进而也提高工件的加工效率。
请参阅图4-5，图4是本发明工具在机器人法兰坐标系上的标定装置所在的加工系统一实施方式的结构示意图，图5是本发明工具在机器人法兰坐标系上的标定装置一实施方式的结构示意图。
该加工系统包括：机器人41、已标定工具42、待标定工具43、工具在机器人法兰坐标系上的标定装置44及加工控制装置45。其中，机器人41具体为不少于四关节的机器人。工具在机器人法兰坐标系上的标定装置44包括旋转角度获取模块442、标定信息获取模块443、标定模块444，各模块的具体功能如下所述：
旋转角度获取模块442，用于获取固定在机器人末端关节安装部上的待标定工具43移动至所述待标定工具43的中心点与标定参考点重合时所述机器人41各关节的旋转角度。
标定信息获取模块443，用于获取已标定工具42的中心点在机器人41法兰坐标系上的标定信息。
具体标定信息获取模块443包括旋转角度获取单元4431和坐标获取单元4432。旋转角度获取单元4431用于获取所述已标定工具42的旋转角度，已标定工具42的旋转角度为当所述已标定工具42被固定在所述机器人41的末端关节安装部上时，其移动至所述已标定工具42的中心点与标定参考点重合时所述机器人41各关节的旋转角度。坐标获取单元4432用于获取已标定工具42的中心点在机器人41法兰坐标系中的坐标。
在不同的实施例中，已标定工具的旋转角度和已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标可以是预先存储在存储器中直接获取的，也可以是即时测量或计算获取的。例如，标定信息获取模块443还包括存储器(图未示)，所述存储器仅用于预先存储已标定工具的旋转角度，所述坐标获取单元根据所述预先存储在存储器中的已标定工具的旋转角度即时计算得到已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标；或者所述存储器同时用于预先存储所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标和已标定工具的旋转角度；又或者已标定工具的旋转角度和已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标均如下面旋转角度获取单元4431和坐标获取单元4432所描述进行即时获取。
其中，旋转角度获取单元4431具体用于，获取固定在所述机器人41 的末端关节的安装部上的已标定工具42移动至所述已标定工具42的中心点与标定参考点重合时所述机器人41各关节的旋转角度。旋转角度获取单元4431与旋转角度获取模块442中的标定参考点为同一点，标点参考点为除已标定工具42的中心点以及待标定工具43的中心点以外的其他任意一点，标定参考点在世界坐标系中的坐标为(X Y Z 1)。
坐标获取单元4432具体用于：
获取第一旋转角度和第二旋转角度，所述第一旋转角度和第二旋转角度是所述已标定工具42分别沿第一方向和第二方向移动至所述已标定工具42的中心点与标定参考点重合时机器人41各关节的旋转角度；
将第一旋转角度、第二旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F1、F2，并建立等式①，
Figure PCTCN2015094608-appb-000035
   ①，
式①中，T为已标定工具坐标系相对于法兰坐标系的变换矩阵，(X Y Z 1)为标定参考点在世界坐标系中的坐标；
根据式②求得已标定工具42的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X已 Y已 Z已)，
Figure PCTCN2015094608-appb-000036
   ②；
获取第三旋转角度和第四旋转角度，所述第三旋转角度和第四旋转角度是所述已标定工具42分别沿第三方向和第四方向移动至所述已标定工具42的中心点与标定参考点重合时机器人41各关节的旋转角度；
将第三旋转角度和第四旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F3、F4，建立等式③，
Figure PCTCN2015094608-appb-000037
   ③，
式③中，T为已标定工具坐标系相对于法兰坐标系的变换矩阵，(X Y Z 1)为标定参考点在世界坐标系中的坐标；
根据式③整理得到式④，根据式④再次求得已标定工具42的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X′已 Y′已 Z′已)，
Figure PCTCN2015094608-appb-000038
   ④；
根据(X已 Y已 Z已)和(X′已 Y′已 Z′已)的平均值获得已标定工具42的中心点在机器人法兰坐标系中的校验坐标(X校 Y校 Z校)，将所述已标定工具42的中心点在机器人法兰坐标系中的校验坐标(X校 Y校 Z校)值确定为最终的所述已标定工具42的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标。
当然，在其他实施例中，坐标获取单元可以直接将已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X已 Y已 Z已)确定为最终的所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标。
标定模块444具体用于：
将已标定工具42的旋转角度和待标定工具43的旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F已、F待，并建立如下等式⑤，
Figure PCTCN2015094608-appb-000039
   ⑤，
其中，(X待 Y待 Z待)为所述待标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标，所述已标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标为(X已 Y已 Z已)，机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F待具体如下式⑥，
Figure PCTCN2015094608-appb-000040
   ⑥；
将式⑥代入式⑤得到式⑦，求得所述待标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标(X待 Y待 Z待)，
Figure PCTCN2015094608-appb-000041
   ⑦，
其中，
Figure PCTCN2015094608-appb-000042
且F′待为正交矩阵。
可以理解的是，当已标定工具有多个的时候，标定信息获取模块443可以选择第一个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息、上一个实现标定的上一个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息、或者任意一个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息，作为上述方法中所述的已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息，标定模块444根据标定信息获取模块443选择的标定信息求得待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。其中，上述第一个和上一个是以工具在该机器人上进行标定的先后顺序来定义的。当然，标定信息获取模块443也可以选取获取之前至少两个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息，并对所述标定信息做加权平均；标定模块444根据加权平均后的已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。
加工控制装置45用于使机器人41利用已完成在机器人法兰坐标系上的标定的待标定工具43对工件进行加工。
当然，本发明工具在机器人法兰坐标系上的标定装置并不限定用于上述工件加工系统，本发明工具在机器人法兰坐标系上的标定装置可以作为一个独立装置用于需要进行标定的任意系统中。
本发明通过获取待标定工具中心点移动至标定参考点时机器人的各关 节的旋转角度、已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息，进一步根据待标定工具中心点移动至标定参考点时机器人的各关节的旋转角度、已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息获取待标定工具的中心点在法兰坐标系上的标定。通过上述方式，实现在待标定工具的工具坐标系标定过程中只需从一个方向运动至标定参考点，能够减少所需的工具中心点运动路径数量，即最少只需一次进行待标定工具中心点运动至标定参考点的操作，在确保矩阵F′待为可逆的同等概率下，本发明相对现有的四点标定法的操作复杂度能够降低75％，标定操作较简单而使得工具坐标系的标定效率较高，进而提高工具在机器人法兰坐标系上的标定效率。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (20)

  1. 一种工具在机器人法兰坐标系上的标定方法，其中，包括：
    获取固定在机器人末端关节安装部上的待标定工具移动至所述待标定工具的中心点与标定参考点重合时所述机器人各关节的旋转角度；
    获取已标定工具的中心点在所述机器人法兰坐标系上的标定信息；
    根据所述已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在所述机器人法兰坐标系上的标定。
  2. 根据权利要求1所述的标定方法，其中，
    所述获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息的步骤包括：
    获取所述已标定工具的旋转角度和已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标，所述已标定工具的旋转角度为当所述已标定工具被固定在所述机器人末端关节的安装部上时，其移动至所述已标定工具的中心点与标定参考点重合时所述机器人各关节的旋转角度。
  3. 根据权利要求2所述的标定方法，其中，仅所述已标定工具的旋转角度是预先存储在存储器中的，所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标是根据所述预先存储在存储器中的已标定工具的旋转角度即时计算得到的；
    或者，所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标和已标定工具的旋转角度均是预先存储在存储器中的。
  4. 根据权利要求1所述的标定方法，其中，
    所述获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息的步骤包括：
    获取第一个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息；
    所述根据已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定的步骤包括：
    根据第一个已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。
  5. 根据权利要求1所述的标定方法，其中，
    所述获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息的步骤包括：
    获取上一个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息；
    所述根据已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定的步骤包括：
    根据上一个已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。
  6. 根据权利要求1所述的标定方法，其中，
    所述获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息的步骤包括：
    获取之前至少两个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息，并对所述标定信息做加权平均；
    所述根据已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定的步骤包括：
    根据加权平均后的已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。
  7. 根据权利要求2所述的标定方法，其中，
    所述根据已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定的步骤包括：
    将已标定工具的旋转角度和待标定工具的旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F已、F待，并建立如下等式⑤，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100001
    其中，(X待 Y待 Z待)为所述待标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标，所述已标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标为(X已 Y已 Z已)，机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F待具体如下式⑥，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100002
    将式⑥代入式⑤得到式⑦，求得所述待标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标(X待 Y待 Z待)，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100003
    其中，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100004
    且F′待为正交矩阵。
  8. 根据权利要求3所述的标定方法，其中，
    所述根据已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定的步骤包括：
    将已标定工具的旋转角度和待标定工具的旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F已、F待，并建立如下等式⑤，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100005
    其中，(X待 Y待 Z待)为所述待标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标，所述已标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标为(X已 Y已 Z已)，机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F待具体如下式⑥，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100006
    将式⑥代入式⑤得到式⑦，求得所述待标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标(X待 Y待 Z待)，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100007
    其中，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100008
    且F′待为正交矩阵。
  9. 根据权利要求7所述的标定方法，其中，
    所述获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中坐标的步骤包括：
    获取第一旋转角度和第二旋转角度，所述第一旋转角度和第二旋转角度是所述已标定工具分别沿第一方向和第二方向移动至所述已标定工具的中心点与标定参考点重合时机器人各关节的旋转角度；
    将第一旋转角度、第二旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F1、F2，并建立等式①，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100009
      ①，
    式①中，T为已标定工具坐标系相对于法兰坐标系的变换矩阵，
    (X Y Z 1)为标定参考点在世界坐标系中的坐标；
    根据式②求得已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X已 Y已 Z已)，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100010
  10. 根据权利要求9所述的标定方法，其中，
    所述根据式②求得已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X已 Y已 Z已)的步骤之后还包括：
    获取第三旋转角度和第四旋转角度，所述第三旋转角度和第四旋转角度是所述已标定工具分别沿第三方向和第四方向移动至所述已标定工具的中心点与标定参考点重合时机器人各关节的旋转角度；
    将第三旋转角度和第四旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F3、F4，建立等式③，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100011
       ③，
    式③中，T为已标定工具坐标系相对于法兰坐标系的变换矩阵，
    (X Y Z 1)为标定参考点在世界坐标系中的坐标；
    根据式③整理得到式④，根据式④再次求得已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X′已 Y′已 Z′已)，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100012
    根据(X已 Y已 Z已)和(X′已 Y′已 Z′已)的平均值获得已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的校验坐标(X校 Y校 Z校)，将所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的校验坐标(X校 Y校 Z校)值确定为最终的所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标。
  11. 一种工具在机器人法兰坐标系上的标定装置，其中，包括：
    旋转角度获取模块，用于获取固定在机器人末端关节安装部上的待标 定工具移动至所述待标定工具的中心点与标定参考点重合时所述机器人各关节的旋转角度；
    标定信息获取模块，用于获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息；
    标定模块，用于根据已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。
  12. 根据权利要求11所述的标定装置，其中，所述标定信息获取模块包括：
    旋转角度获取单元，用于获取所述已标定工具的旋转角度，所述已标定工具的旋转角度为当所述已标定工具被固定在所述机器人的末端关节安装部上时，其移动至所述已标定工具的中心点与标定参考点重合时所述机器人各关节的旋转角度；
    坐标获取单元，用于获取已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标。
  13. 根据权利要求12所述的标定装置，其中，
    所述标定信息获取模块还包括存储器，所述存储器仅用于预先存储已标定工具的旋转角度，所述坐标获取单元根据所述预先存储在存储器中的已标定工具的旋转角度即时计算得到已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标；
    或者所述存储器同时用于预先存储所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标和已标定工具的旋转角度。
  14. 根据权利要求11所述的标定装置，其中，
    所述标定信息获取模块具体用于获取第一个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息；
    所述标定模块具体用于根据第一个已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。
  15. 根据权利要求11所述的标定装置，其中，
    所述标定信息获取模块具体用于获取上一个已标定工具的中心点在 机器人法兰坐标系上的标定信息；
    所述标定模块具体用于根据上一个已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。
  16. 根据权利要求11所述的标定装置，其中，所述标定信息获取模块具体用于获取之前至少两个已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定信息，并对所述标定信息做加权平均；
    所述标定模块具体用于根据加权平均后的已标定工具的中心点的标定信息和所述待标定工具的旋转角度完成所述待标定工具的中心点在机器人法兰坐标系上的标定。
  17. 根据权利要求12所述的标定装置，其中，
    所述标定模块具体用于：
    将已标定工具的旋转角度和待标定工具的旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F已、F待，并建立如下等式⑤，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100013
    其中，(X待 Y待 Z待)为所述待标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标，所述已标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标为(X已 Y已 Z已)，机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F待具体如下式⑥，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100014
    将式⑥代入式⑤得到式⑦，求得所述待标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标(X待 Y待 Z待)，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100015
    其中，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100016
    且F′待为正交矩阵。
  18. 根据权利要求13所述的标定装置，其中，
    所述标定模块具体用于：
    将已标定工具的旋转角度和待标定工具的旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F已、F待，并建立如下等式⑤，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100017
    其中，(X待 Y待 Z待)为所述待标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标，所述已标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标为(X已 Y已 Z已)，机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F待具体如下式⑥，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100018
    将式⑥代入式⑤得到式⑦，求得所述待标定工具中心点在所述法兰坐标系中的坐标(X待 Y待 Z待)，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100019
    其中，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100020
    且F′待为正交矩阵。
  19. 根据权利要求17所述的标定装置，其中，
    所述坐标获取单元具体用于：
    获取第一旋转角度和第二旋转角度，所述第一旋转角度和第二旋转角度是所述已标定工具分别沿第一方向和第二方向移动至所述已标定工具的中心点与标定参考点重合时机器人各关节的旋转角度；
    将第一旋转角度、第二旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F1、F2，并建立等式①，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100021
       ①，
    式①中，T为已标定工具坐标系相对于法兰坐标系的变换矩阵，
    (X Y Z 1)为标定参考点在世界坐标系中的坐标；
    根据式②求得已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X已 Y已 Z已)，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100022
  20. 根据权利要求19所述的标定装置，其中，
    所述坐标获取单元还用于在根据式②求得已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标(X已 Y已 Z已)后执行如下步骤：
    获取第三旋转角度和第四旋转角度，所述第三旋转角度和第四旋转角度是所述已标定工具分别沿第三方向和第四方向移动至所述已标定工具的中心点与标定参考点重合时机器人各关节的旋转角度；
    将第三旋转角度和第四旋转角度分别代入已知的机器人正运动学方程，获得机器人法兰坐标系相对于世界坐标系的转换矩阵F3、F4，建立等式③，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100023
       ③，
    式③中，T为已标定工具坐标系相对于法兰坐标系的变换矩阵，
    (X Y Z 1)为标定参考点在世界坐标系中的坐标；
    根据式③整理得到式④，根据式④再次求得已标定工具的中心点在机 器人法兰坐标系中的坐标(X′已 Y′已 Z′已)，
    Figure PCTCN2015094608-appb-100024
    根据(X已 Y已 Z已)和(X′已 Y′已 Z′已)的平均值获得已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的校验坐标(X校 Y校 Z校)，将所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的校验坐标(X校 Y校 Z校)值确定为最终的所述已标定工具的中心点在机器人法兰坐标系中的坐标。
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