CN100489448C - 一种工件坐标***的标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工件坐标***的标定方法，以实现对任意形状的工件坐标***进行精确标定；该方法通过控制机器人的运动，使测量装置能够测量出工件表面若干点的坐标，将测量到的点坐标与工件三维模型进行最优化匹配，进而完成工件坐标***的标定；通过该方法，可以使测量过程简单易行，以及实现了对任意形状工件的坐标***校准。

Description

一种工件坐标***的标定方法
技术领域
本发明涉及工件的位姿标定技术领域，特别涉及一种机器人领域中工件坐标***的标定方法。
背景技术
坐标***标定是机器人领域的关键技术，其任务是确定机器人加工***中工件、工具等的位置。由离线编程等方法得到的机器人加工仿真程序，需要结合工具/工件的标定才能实际应用。当前，现有的工件标定技术只能做到基于工件上的标准面等进行标定，实现对工件的简单定位。但随着机器人加工对象的日渐复杂，大量的加工工件(如复杂曲面等)都不存在可供定位的标准面或标准面的定位约束不够，这使得现有技术中的标定方法对于这些工件位置的标定不够精确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够对任意形状的工件坐标***进行精确标定的方法。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是提供一种工件坐标***的标定方法，该方法包括下列步骤：
A1.标定测量装置和机器人基座坐标系间的位置关系，在所述机器人末端固定所述工件，其中，所述测量装置及所述机器人基座位置固定；
A2.控制所述机器人运动，通过所述测量装置测量所述工件表面若干点的坐标；
A3.将测量到的点坐标与工件三维模型进行最优化匹配，完成所述工件坐标系到机器人末端坐标系间位姿关系的标定。
优选的，步骤A2还可以包括步骤：通过所述机器人的控制使所述工件在所述测量装置的测量范围内运动，使所述测量装置扫描到所述工件的表面。
优选的，步骤A3还可以包括步骤：设置所述三维模型基准坐标系的初始值，使所述三维模型与所述测量到的点坐标在三维空间中接近，通过三维最优匹配算法使所述测量到的点坐标与所述三维模型实现三维最优匹配；其中，所述最优匹配算法可以为迭代最近点算法、高斯-牛顿算法或注册算法。
优选的，上述技术方案中的测量装置可以为线激光测量器或点激光测量器。
本发明采取的另一种技术方案是提供一种工件坐标***的标定方法，该方法包括下列步骤：
B1.标定测量装置和机器人末端坐标系间的位置关系，其中，所述测量装置固定于所述机器人的末端，并且所述工件及所述机器人位置固定；
B2.控制所述机器人运动，通过所述测量装置测量所述工件表面若干点的坐标；
B3.将测量到的点坐标与工件三维模型进行最优化匹配，完成所述工件坐标系到机器人基座坐标系间位姿关系的标定。
优选的，步骤B2还可以包括步骤：通过所述机器人的控制使所述工件处于所述测量装置的测量范围内，使所述测量装置扫描到所述工件的表面。
优选的，步骤B3还可以包括步骤：设置所述三维模型基准坐标系的初始值，使所述三维模型与所述测量到的点坐标在三维空间中接近，通过三维最优匹配算法使所述测量到的点坐标与所述三维模型实现三维最优匹配；其中，所述最优匹配算法可以为迭代最近点算法、高斯-牛顿算法或注册算法。
优选的，上述技术方案中的测量装置可以为线激光测量器或点激光测量器。
同现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
1.可以运用接触与非接触式的测量装置作为测量工具，如线激光测量器、点激光测量器等，测量过程简单易行；
2.由于采取了将测量到的工件表面点坐标与工件三维模型进行最优化匹配，进而完成工件坐标***标定的方式，对工件的定位无需基于工件上的标准面，实现了对任意形状工件的坐标***校准。
附图说明
图1是本发明实施方式的结构图；
图2是本发明实施方式的流程图；
图3是本发明第二种实施方式的结构图；
图4是本发明第二种实施方式的流程图；
具体实施方式
本发明的核心思想是：通过控制机器人的运动，使测量装置能够测量出工件表面若干点的坐标，将测量到的点坐标与工件三维模型进行最优化匹配，进而完成所述工件坐标***的标定。
参照图1，是本发明实施方式的结构图；
如图所示，包括机器人10、测量装置11、工件12，其中机器人10的基座101和测量装置11分别固定，例如固定在世界坐标系中等，工件12固定于机器人10的末端102。
其中测量装置11可以为线激光测量器或点激光测量器。
参照图2，是本发明实施方式的流程图；
步骤201，标定测量装置和机器人基座坐标系间的位置关系，将工件固定在机器人末端；
由于测量装置11与机器人基座101相对静止，利用公知的标定技术可以完成测量装置11与机器人基座101之间的位姿关系标定，假设其为BTM；将工件12固定于机器人末端102，以便机器人10对其进行测量路径的编辑。
步骤202，控制机器人运动，通过测量装置测量工件表面若干点的坐标；
通过机器人10的控制，可以使工件12在测量装置11的测量范围内运动，使得测量装置11能够扫描到工件表面；假设工件12上被扫描的点在测量装置11坐标系下的坐标为XM，则该点在机器人末端102坐标系(Tool0)下的坐标为：XTool0＝Tool0-1·BTM·XM；
其中，Tool0为机器人末端102相对于机器人基座101之间的位姿矩阵，XTool0为该点在Tool0下的坐标，BTM为测量装置11与机器人基座101坐标系间的位姿转换矩阵。
步骤203，读入工件三维模型数据；
三维模型的基准坐标系被定义为工件12坐标系，本实施例标定的坐标系关系即为工件12坐标系与Tool0间的位姿关系。导入三维模型时，设置三维模型基准坐标系(工件12坐标系)的初始值，即设置初始的工件12坐标系标定值(Wobjinitial，其缺省值为单位位姿矩阵)，使三维模型与测量到的工件12表面点在三维空间中接近。
优选的，上述三维模型可以为CAD模型。
步骤204，将测量到的点坐标与工件三维模型进行最优化匹配。
通过诸如迭代最近点算法(Iterated Closest Point)、高斯-牛顿算法(Gauss-Newton)或注册算法(Registration)等三维最优匹配算法，使测量到的三维点与三维模型实现三维最优匹配，并得到三维点云匹配到三维模型过程中的位姿转换关系，假设为ModelTPC，计算出实际的工件12***位姿，即为ModelTPC -1*Wobjinitial。
参照图3，是本发明第二种实施方式的结构图；
如图所示，本实施例与上述优选实施例的区别为：工件12与测量装置11的位置互换，即工件12位置固定，同机器人10相对静止，测量装置11则固定于机器人末端102。
参照图4，是本发明第二种实施方式的流程图；
步骤401，将测量装置固定在机器人末端，标定测量装置和机器人末端坐标系间的位置关系；
由于测量装置11固定在机器人末端102坐标系上，利用公知的标定技术可以完成测量装置11与机器人末端102之间的位姿关系标定，假设其为Tool0TM；
步骤402，控制机器人运动，通过测量装置测量工件表面若干点的坐标；
通过机器人10的控制使工件12处于测量装置11的测量范围内，使测量装置11能够扫描到工件12的表面。假设工件12上的被扫描点在测量装置11坐标系下的坐标为XM，则该点在机器人基座101坐标系(Base)下的坐标即为：XBase＝Tool0·Tool0TM·XM
其中，Tool0为机器人末端102相对于机器人基座101之间的位姿矩阵，XBase为该点在Base下的坐标，T00l0TM为测量装置11与机器人末端102坐标系间的位姿转换矩阵。
步骤403，读入工件三维模型数据；
三维模型的基准坐标系被定义为工件12坐标系，本实施例标定的坐标系关系即为工件12坐标系与Base间的位姿关系。导入三维模型时，设置三维模型基准坐标系(工件12坐标系)的初始值，即设置初始的工件12坐标系标定值(Wobjinitial，其缺省值为单位位姿矩阵)，使三维模型与测量到的工件12表面点在三维空间中接近。
优选的，上述三维模型可以为CAD模型。
步骤404，将测量到的点坐标与工件三维模型进行最优化匹配。
通过诸如迭代最近点算法(Iterated Closest Point)、高斯-牛顿算法(Gauss-Newton)或注册算法(Registration)等三维最优匹配算法，使测量到的三维点与三维模型实现三维最优匹配，并得到三维点云匹配到三维模型过程中的位姿转换关系，假设为ModelTPC，计算出实际的工件12***位姿，即为ModelTPC -1*Wobjinitial。
以上应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种工件坐标***的标定方法，其特征在于，包括：
标定测量装置和机器人基座坐标系间的位置关系，在所述机器人末端固定所述工件，其中，所述测量装置及所述机器人基座位置固定；
控制所述机器人运动，通过所述测量装置测量所述工件表面若干点的坐标，通过所述机器人的控制使所述工件在所述测量装置的测量范围内运动，使所述测量装置扫描到所述工件的表面；
设置所述三维模型基准坐标系的初始值，使所述三维模型与所述测量到的点坐标在三维空间中接近，通过三维最优匹配算法使所述测量到的点坐标与所述三维模型实现三维最优匹配。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最优匹配算法为迭代最近点算法、高斯-牛顿算法或注册算法。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量装置为线激光测量器或点激光测量器。
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