CN100489449C - 基于相对测量的工件坐标***标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相对测量的工件坐标***标定方法，以实现标定精度及作业精度更高的工件坐标***标定；该方法通过标定测量装置的位置，以及工件坐标***的初始值，并在虚拟工件的表面生成表面加工路径(路径上的点称为目标点)，控制机器人运动，通过测量装置测量所述目标点的坐标，记录所述目标点的偏移量，通过求解所述工件坐标***位姿的初始值与实际值之间的转换矩阵，完成所述工件坐标***的标定；通过该方法，可以使测量过程简单易行，补偿了机器人***误差，提高了机器人坐标***标定精度和最终***的作业精度。

Description

基于相对测量的工件坐标***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。一般的工件标定算法，可以称为基于绝对测量的算法；这类算法是将测量点转换为机器人末端坐标系(Tool₀)下的坐标(工件被固定在机器人末端的情况)或者是转换为世界坐标系下的坐标(工件固定于世界坐标系的情况)；然后，再用其他的算法比如最小二乘法来标定工件位置。绝对测量的方法能够在一定程度上完成工件坐标***位姿(Wobj)的定位，但是，在绝对测量过程中，存在机器人的***误差和测量***标定误差等，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标定精度及作业精度更高的基于相对测量的工件坐标***标定方法。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是提供一种基于相对测量的工件坐标***标定方法，其特征在于，包括：

A1.标定测量装置的相对零点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.对工件坐标***进行初步标定，得到所述工件坐标***位姿的初始值；

A3.在所述工件的三维模型的表面生成表面加工路径，其中所述路径上的点称为目标点；

A4.通过所述测量装置测量所述目标点相对于所述测量装置相对零点的坐标；

A5.通过求解所述工件坐标***位姿的初始值与实际值之间的转换矩阵，完成所述工件坐标***的标定。

优选的，所述对工件坐标***进行初步标定是通过绝对测量的方法而进行。

优选的，步骤A3中在所述工件三维模型的表面生成表面加工路径是通过离线编程技术实现。

优选的，步骤A5进一步包括：利用最小二乘法使所述偏移量最小，进而求出所述工件坐标***位姿的初始值与实际值之间的转换矩阵。

优选的，上述技术方案还可以包括步骤：A6.将步骤A5中得到的所述工件坐标***的标定值作为初始值，重复步骤A4，最终完成对所述工件坐标***的精确标定。

本发明采取的另一种技术方案是提供一种基于相对测量的工件坐标***标定方法，其特征在于，包括：

B1.标定测量装置的相对零点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.对工件坐标***进行初步标定，得到所述工件坐标***位姿的初始值；

B3.在所述工件的三维模型的表面生成表面加工路径，其中所述路径上的点称为目标点；

B4.通过所述测量装置测量所述目标点相对于所述测量装置相对零点的坐标；

B5.通过求解所述工件坐标***位姿的初始值与实际值之间的转换矩阵，完成所述工件坐标***的标定。

优选的，所述对工件坐标***进行初步标定是通过绝对测量的方法而进行。

优选的，步骤B3中在所述工件三维模型的表面生成表面加工路径是通过离线编程技术实现。

优选的，步骤B5进一步包括：利用最小二乘法使所述偏移量最小，进而求出所述工件坐标***位姿的初始值与实际值之间的转换矩阵。

优选的，上述技术方案还可以包括步骤：B6.将步骤B5中得到的所述工件坐标***的标定值作为初始值，重复步骤B4，最终完成对所述工件坐标***的精确标定。

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，如点激光测量器等，测量过程简单易行；

2.无需获取测量点的绝对坐标值，只需运用相对测量的偏差值和非线性最小二乘法来补偿和计算即可实现对工件坐标***的标定，操作过程简便、快捷，结果准确；

3.在误差补偿过程中，局部补偿了机器人***误差，提高了机器人坐标***标定精度和最终***的作业精度。

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：标定工件坐标***位姿(Wobj)的初始值，利用Wobj的初始值与实际值之间的转换矩阵，完成工件坐标***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可以为线性位移传感器(LVDT)或点激光测量器等。

参照图2，是本发明实施方式的流程图；

步骤201，标定测量装置的相对零点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^BT_M；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，对工件坐标***进行初步标定，得到所述工件坐标***位姿的初始值；

优选的，可以通过基于绝对测量的方法或其他方法，对工件12坐标***进行初步标定，例如：通过测量工件12表面特征点在机器人末端102坐标系下的位置，完成对工件12坐标***的初步标定。

步骤203，在工件的三维模型的表面生成表面加工路径；

优选的，可以通过离线编程等技术，在工件12的三维模型的表面生成表面加工路径，其中，路径上的点称为目标点(Target)。

步骤204，通过测量装置测量所述目标点相对于该测量装置相对零点的坐标；

根据工具位置(将所述测量装置的相对零点位置设为工具位置)、工件12坐标***位姿初始值和工件12表面目标点，控制机器人10夹持工件12运动至所述目标点，通过测量装置11测量所述目标点相对于测量装置11相对零点的坐标，该坐标即为目标点的偏移量。

步骤205，记录目标点的偏移量，通过所述工件坐标***位姿的初始值与实际值之间的转换矩阵，完成工件坐标***的标定。

由于初始的Wobj与实际的Wobj之间存在误差，于是当每个Target运行到测量装置11相对零点时，测量到的是实际工件12表面上的点，这个点在测量装置11中的坐标与理想情况会有偏差。而每个测量值就是实际的目标点与理论的目标点之间的偏移量(Offsets)；运用最小二乘法使得Offsets最小，求出实际的Wobj与初始的Wobj之间的转换矩阵，进而求出实际的Wobj。

其中，假定测量装置11测得的相对测量值是实际的目标点(在实际的Wobj中的目标点)到理论的目标点之间的距离值(在初始的Wobj中的目标点，这个目标点和实际的目标点之间存在有误差值)；这个假定忽略了两个对结果影响很小的因素：工具标定误差以及由初始Wobj和工具标定误差导致的测量点的偏移(实际测量到的点偏离了理想的测量点)。

用最小二乘法求解实际Wobj相对于初始的Wobj的转换矩阵：

实际目标点相对于期望目标点(在初始Wobj下的目标点)的转换矩阵的转换关系是：

IdealTargetTxyz＝TargetM^-1*Accurate Wobj^-1*Initial Wobj*TargetM

其中，TargetM为工件12表面目标点相对于工件12坐标系的位姿矩阵，Accurate Wobj为实际的精确工件12坐标***位姿矩阵，Initial Wobj为初始的工件12坐标***位姿矩阵。

这里实际精确的Wobj值为：

Accurate Wobj＝Transform*Initial Wobj

实际目标点相对于期望目标点的位置关系为：

IdealTargetTxyz(3)＝Offset

其中IdealTargetTxyz(3)为向量IdealTargetTxyz的第三个元素的值(即Z值)，Offset是测量设备测得的相对值；运用非线性最小二乘法，即可求解出转换矩阵Transform，进而求出实际的Wobj值。

本发明还可以将上述实际的Wobj值作为初始值，重复步骤204以进行多次迭代运算，最终完成对工件12坐标***的精确标定。

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，标定测量装置的相对零点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^Tool0T_M；

步骤402，对工件坐标***进行初步标定，得到所述工件坐标***位姿的初始值；

优选的，可以通过基于绝对测量的方法或其他方法，对工件12坐标***进行初步标定，例如：通过测量工件12表面特征点在机器人基座101坐标系下的位置，完成对工件坐标***的初步标定。

步骤403，在所述工件的三维模型的表面生成表面加工路径；

优选的，可以通过离线编程等技术，在工件12的三维模型的表面生成表面加工路径，其中，路径上的点称为目标点(Target)。

步骤404，通过测量装置测量所述目标点相对于该测量装置相对零点的坐标；

根据工具位置(将所述测量装置的相对零点位置设为工具位置)、工件坐标***位姿初始值和工件表面目标点，控制机器人10夹持测量装置11运动至所述目标点，通过测量装置11测量所述目标点相对于测量装置11相对零点的坐标，该坐标即为目标点的偏移量。

步骤405，记录目标点的偏移量，通过所述工件坐标***位姿的初始值与实际值之间的转换矩阵，完成工件坐标***的标定。

由于初始的Wobj与实际的Wobj之间存在误差，于是当每个Target被测量装置11测量到时，测量到的是实际工件12表面上的点，这个点在测量装置11中的坐标与理想情况会有偏差。而每个测量值就是实际的目标点与理论的目标点之间的偏移量(Offsets)；运用最小二乘法使得Offsets最小，求出实际的Wobj与初始的Wobj之间的转换矩阵，进而求出实际的Wobj。

本发明还可以将上述实际的Wobj值作为初始值，重复步骤604以进行多次迭代运算，最终完成对工件12坐标***的精确标定。

相关原理以及转换矩阵的推导过程同实施例1中步骤205描述的过程相同，因此不再赘述。

通过上述两种实施方式描述的方法对工件12进行标定，其实施效果如下表所示：

在工件标定前，测量装置11测量到的工件12目标点到测量装置11零点的距离波动有2、3mm，标定后，测量装置11测量到的工件12目标点到测量装置零点的距离波动在±0.1mm以内。实施结果表明，本发明很好地补偿了***误差，实现了对工件坐标***的标定。

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 (4)

1.一种基于相对测量的工件坐标***标定方法，其特征在于，包括：

标定测量装置的相对零点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；

对工件坐标***进行初步标定，得到所述工件坐标***位姿的初始值；

在所述工件的三维模型的表面生成表面加工路径，其中所述路径上的点称为目标点；

通过所述测量装置测量所述目标点相对于所述测量装置相对零点的坐标；

通过求解所述工件坐标***位姿的初始值与实际值之间的转换矩阵，完成所述工件坐标***的标定。

所述求解所述工件坐标***位姿的初始值与实际值之间的转换矩阵的过程为：

用最小二乘法求解实际Wobj相对于初始的Wobj的转换矩阵：

实际目标点相对于期望目标点的转换矩阵的转换关系是：

IdealTargetTxyz＝TargetM^-1*Accurate Wobj^-1*Init ial Wobj*TargetM这里实际精确的Wobj值为：

Accurate Wobj＝Transform*Initial Wobj

实际目标点相对于期望目标点的位置关系为：

Idea lTargetTxyz(3)＝Offset

其中，IdealTargetTxyz(3)为向量IdealTargetTxyz的第三个元素的值即Z值，Wobj为标定工件坐标***位姿，TargetM为工件12表面目标点相对于工件12坐标系的位姿矩阵，Accurate Wobj为实际的精确工件12坐标***位姿矩阵，Initial Wobj为初始的工件12坐标***位姿矩阵；Offset是测量设备测得的实际的目标点与理论的目标点之间的偏移量的相对值；运用非线性最小二乘法，即可求解出转换矩阵Transform。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对工件坐标***进行初步标定是通过绝对测量的方法而进行。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤103中在所述工件三维模型的表面生成表面加工路径是通过离线编程技术实现。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤：

将步骤105中得到的所述工件坐标***的标定值作为初始值，重复步骤104，最终完成对所述工件坐标***的精确标定。

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