CN105509671A - 一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法，标定时控制机器人以不同姿态使TCP与标定工具的平面接触六次以上，接触时只需记录机器人关节坐标信息，再结合机器人的结构参数，即可计算TCP在机器人末端法兰坐标系中的坐标，并评估标定精度。该标定方法不需要机器人TCP点多次与同一固定点重合，将点-点重合要求弱化为了点-面重合，标定工具简单，易于实施。当机器人TCP出现较小偏移时，还可实现自主标定。

Description

一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法

技术领域

本发明涉及机器人工具中心点(Toolcenterpoint,TCP)标定方法，尤其涉及一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法。

背景技术

机器人工具中心点(Toolcenterpoint,TCP)是与机器人工具固连的工具坐标系的原点，工具实际工作点在工具坐标系中的坐标保持不变。机器人要准确控制工具实际工作点的位置，必须首先获得工具坐标系原点，即TCP在机器人末端法兰坐标系中的坐标。

计算TCP在机器人末端法兰坐标系中坐标的过程称为机器人工具中心点标定。准确标定机器人TCP是进行离线编程的基础。

TCP标定的核心是要确定TCP在机器人末端法兰坐标系中的坐标。传统的的方法是“4点法”，即让机器人通过四个不同方位去使机器人TCP与一空间固定点重合，然后利用机器人关节转角及机器人结构信息去解算TCP坐标。

这种方法的难点在于实现点与点的重合必须由人工操作完成，且需要精细的调整。如对准不准确，很容易出现误差过大。所以TCP标定非常耗时耗力，影响机器人的工作效率。

专利CN104827480A公开了一种机器人自动标定方法，利用标定板标定传感器的内在结构参数和相对于世界坐标系的传感器坐标系；和在已被标定的传感器的引导下控制机器人以多种不同的姿态将安装在其上的工具的坐标系的原点精确地移动到同一目标点，并根据机器人在该目标点的位姿数据计算出工具坐标系相对于机器人的工具中心点坐标系的传递矩阵tcpTt。

该方案的问题在于，在进行操作之前，要对标定板标定传感器进行预先的标定，且该标定工具应具备位置检测功能，即需要进行预处理，实施步骤较为繁琐。

专利CN104457645A公开了一种利用二维测量功能平板的机器人工具中心点标定方法，将点点的重合约束弱化为了点面接触，易于操作，当TCP出现较小偏移时可实现自主标定。

但上述方案要求平板标定工具具备二维测量功能，导致实施的成本较高。

发明内容

本发明提出了一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法，其目的在于克服现有技术中标定操作复杂，精度不高的问题，通过利用平面精度较高的标定板，来辅助机器人TCP标定工作，降低标定过程中对准的难度，提高标定效率，易于实现标定自动化，同时降低成本。

为了实现上述技术目的，本发明的方案是，

一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法，包括以下步骤：

步骤一：让机器人工具中心点即TCP在机器人处于不同姿态下与同一平面接触，并形成不同的触点，记录各触点在接触时机器人各关节的转角以及触点在机器人世界坐标系中的标定坐标表达式；

步骤二：任选四个触点为一组，从中两两选取触点组对，且四个触点至少作为向量端点出现一次，构成在机器人世界坐标系内的三个向量，以三个向量的混合积等于零为条件获得一个方程；在所选的触点组中去除一个触点，并增加一个新触点，重复上述方法获得第二个方程；再同样操作获得第三个方程；最后求解三个方程构成的方程组，获得TCP在机器人工具末端法兰坐标系中的坐标，完成标定；

步骤三：利用标定得到的TCP在机器人工具末端法兰坐标系中的标定坐标，以及产生触点时对应的机器人各关节转角，计算每个触点在机器人世界坐标系中的标定坐标，采用最小二乘法拟合获取拟合平面，以多个触点到所述拟合平面的平均距离作为标定结果的判断依据，若平均距离小于设定阈值，则表明当前标定结果符合精度要求，否则，需要重新测量新的触点坐标，重新进行标定，直到标定结果满足标定精度要求。

所述的一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法，步骤一中，TCP所接触的平面为标定板。

所述的一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法，步骤一中，标定板上设有用于自动检测TCP是否与标定板接触的接触传感器。

所述的一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法，步骤一中，触点在机器人世界坐标系中的坐标表达式由机器人各关节的转角、机器人自身结构以机器人世界坐标系原点计算获得，其中包含了待求的TCP在机器人末端法兰坐标系中的三个坐标。

所述的一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法，步骤一中，触点的个数至少为六个。

本发明的技术效果在于，通过利用一个固定的平面，实现机器人TCP的标定，避免了在肉眼观察、人工控制条件下难以精确实现的点-点重合过程，不需要机器人TCP点多次与同一空间固定点重合，将点-点重合要求弱化为了点-面重合，易于操作。标定所需的设备简单，只需包含一个精度较高的平面即可。当机器人TCP出现较小偏移时，机器人一般还能够按照预定的程序确保TCP点与平板工具重合，从而实现自主标定。整个方法操作简单，构思巧妙，标定精度高，具有较好的推广作用。结合接触传感器，实现接触过程的自动控制，无需人工干预，实现了高度自动化的标定。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施例中所使用的机器人与标定板结构示意图；

其中1为机器人底座，2为6自由度机器人，3为焊枪，4为用作标定工具的平板，5为计算机，6为机器人控制器。

具体实施方式

参见图1，{F₀}为以机器人底座所在空间建立的机器人世界坐标系，{F₆}为固定在机器人末端法兰的机器人末端法兰坐标系，利用计算机5采集标定板接触传感器信号，判断标定板是否被触碰。计算机通过网络与机器人控制器6相连，当标定板出现触碰信号后，可向机器人发停止运动信号，计算机同时从机器人控制器中读取机器人转角关节信息，并完成后续的计算。

P_tcp设为TCP的目标设定点，标定工作的核心即为求出该点在{F₆}中的坐标⁶P_tcp＝{⁶x_tcp，⁶y_tcp，⁶z_tcp}^T。该点在机器人世界坐标系{F₀}的坐标为⁰P_tcp＝{⁰x_tcp，⁰y_tcp，⁰z_tcp}^T。

本实施例首先将标定板放置于机器人工作空间内，当控制机器人工具上的P_tcp点向标定板上的平面方向运动时，在标定板感知到触碰后，机器人停止运动。

首先，控制机器人，使机器人工具中心点与标定板上的平面接触，形成触点，记录发生接触时机器人各关节的转角以及触点在机器人世界坐标系中的坐标表达式，然后控制机器人远离标定板，然后再控制机器人，调整为与上次接触时不同的姿态，即关节运动位置发生变化之后，再使机器人工具中心点与标定板平面发生接触，形成不同的触点，并记录仪接触时机器人的关节转角以及触点在机器人世界坐标系中的坐标表达式，反复操作以形成多个触点，其中触点在世界坐标系中的表达式是根据机器人关节转角、杆件长度及偏置表达出触点在与固定空间坐标系中的笛卡尔坐标，计算方法则是通过坐标的齐次变换获得，这个计算过程是机器人的运动学正解求解，为公知技术；

其中，所述标定板只需满足平面精度、硬度要求，并固定于机器人工具中心点能够接触到的任意位置，其中平面精度与标定所想要达到的目标精度有关，如果目标标定精度高，则应该相应提高平面的精度要求，而硬度要求与机器人末端工具的类型有关，如果工具较硬，则容易划伤标定板，故标定板的硬度也需相应提高，这里的平面精度和硬度都可在实际标定中，根据现场需要来确定即可；

为了完成后续的计算过程，这里所产生的触点个数至少为6个；

本实施例中，机器人工具中心点与标定板平面接触时机器人关节转角记为：

θ¹＝{θ₁ ¹,θ₂ ¹,θ₃ ¹,θ₄ ¹,θ₅ ¹,θ₆ ¹}^T、θ²＝{θ₁ ²,θ₂ ²,θ₃ ²,θ₄ ²,θ₅ ²,θ₆ ²}^T，θ³＝{θ₁ ³,θ₂ ³,θ₃ ³,θ₄ ³,θ₅ ³,θ₆ ³}^T、θ⁴＝{θ₁ ⁴,θ₂ ⁴,θ₃ ⁴,θ₄ ⁴,θ₅ ⁴,θ₆ ⁴}^T、θ⁵＝{θ₁ ⁵,θ₂ ⁵,θ₃ ⁵,θ₄ ⁵,θ₅ ⁵,θ₆ ⁵}^T、θ⁶＝{θ₁ ⁶,θ₂ ⁶,θ₃ ⁶,θ₄ ⁶,θ₅ ⁶,θ₆ ⁶}^T

其中，触点在机器人世界坐标系中的坐标表达式由机器人各关节的转角、机器人自身结构以机器人世界坐标系原点计算获得，其中包含了待求的机器人工具中心点在机器人末端法兰坐标系中的三个坐标；

机器人工具中心点与标定板触点在机器人世界坐标系{F₀}中的坐标⁰P_tcp与机器人末端坐标系{F₆}中的坐标⁶P_tcp之间的关系如下：

${P_0}_{tcp}=R_6^0\left(\mathrm{\θ}\right)\·{P_6}_{tcp}+{O_0}_6$

其中，⁰O₆是机器人末端坐标系{F₆}中的原点在机器人世界坐标系{F₀}中的坐标，θ为机器人各关节的转角，θ＝{θ₁,θ₂,θ₃,θ₄,θ₅,θ₆}^T，是从机器人末端坐标系{F₆}到机器人世界坐标系{F₀}的旋转矩阵，为3×3正交矩阵，由机器人各关节转角及机器人结构参数确定；

本实施例中触点在世界坐标系中的坐标记为：⁰P_tcp ¹，⁰P_tcp ²，⁰P_tcp ³，⁰P_tcp ⁴，⁰P_tcp ⁵，⁰P_tcp ⁶。

选取四个触点为一组，从中两两选取触点在世界坐标系中的坐标作为首尾组对构成三个向量，其中每个触点至少作为向量端点出现一次，以三个向量的混合积等于零为条件可获得一个方程，在所选的触点组中去除一个触点，并增加一个新触点，重复上述方法获得第二个方程，再次将在所选的触点组中去除一个触点，增加一个新触点，重复上述方法获得第三个方程，求解三个方程构成的方程组，获得机器人工具中心点在机器人末端坐标系中的坐标⁶P_tcp＝{⁶x_tcp，⁶y_tcp，⁶z_tcp}^T，完成标定；

任选两个触点在机器人世界坐标系的坐标⁰P_tcp ^a和⁰P_tcp ^b首尾组对构成的向量为 $P_0{{}_{tcp}}^{a}P_0{{}_{tcp}}^b=\[R_6^0\left({\mathrm{\θ}}^b\right)-R_6^0\left({\mathrm{\θ}}^a\right)\]\·{P_6}_{tcp}+O_0{{}_6}^b-O_0{{}_6}^a,$ 其中包含⁶P_tcp＝{⁶x_tcp，⁶y_tcp，⁶z_tcp}^T三个未知量；

本例中，第一组触点选取为：⁰P_tcp ¹，⁰P_tcp ²，⁰P_tcp ³，⁰P_tcp ⁴；第二组触点选取为：⁰P_tcp ¹，⁰P_tcp ²，⁰P_tcp ³，⁰P_tcp ⁵；第三组触点选取为：⁰P_tcp ¹，⁰P_tcp ²，⁰P_tcp ³，⁰P_tcp ⁶；

第一组三个向量选取为：⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ²，⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ³，⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ⁴；第二组三个向量选取为：⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ²，⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ³，⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ⁵；第三组三个向量选取为：⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ²，⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ³，⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ⁶；

以在每组内三个向量混合积等于零为条件，获得三个独立方程：

(⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ²×⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ³)·⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ⁴＝0

(⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ²×⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ³)·⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ⁵＝0

(⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ²×⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ³)·⁰P_tcp ¹⁰P_tcp ⁶＝0

上述方程组中，具有3个独立方程，且仅含⁶P_tcp＝{⁶x_tcp，⁶y_tcp，⁶z_tcp}^T一共3个未知量，因此可解出待标定数据。

利用求得的⁶P_tcp及机器人关节转角，根据式推算TCP在与平板接触时6个触点在机器人世界坐标系下的坐标。利用推算的6个触点坐标值，采用最小二乘法拟合一个平面，计算经推算获得的3个触点到所拟合平面距离的平均值，并将其作为评价标定效果的指标，如果小于5mm，则认为标定结果满足要求，标定过程结束。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，本领域的技术人员可对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：让机器人工具中心点即TCP在机器人处于不同姿态下与同一平面接触，并形成不同的触点，记录各触点在接触时机器人各关节的转角以及触点在机器人世界坐标系中的标定坐标表达式；

步骤二：任选四个触点为一组，从中两两选取触点组对，且四个触点至少作为向量端点出现一次，构成在机器人世界坐标系内的三个向量，以三个向量的混合积等于零为条件获得一个方程；在所选的触点组中去除一个触点，并增加一个新触点，重复上述方法获得第二个方程；再同样操作获得第三个方程；最后求解三个方程构成的方程组，获得TCP在机器人工具末端法兰坐标系中的坐标，完成标定；

步骤三：利用标定得到的TCP在机器人工具末端法兰坐标系中的标定坐标，以及产生触点时对应的机器人各关节转角，计算每个触点在机器人世界坐标系中的标定坐标，采用最小二乘法拟合获取拟合平面，以多个触点到所述拟合平面的平均距离作为标定结果的判断依据，若平均距离小于设定阈值，则表明当前标定结果符合精度要求，否则，需要重新测量新的触点坐标，重新进行标定，直到标定结果满足标定精度要求。

2.根据权利要求1所述的一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法，其特征在于，步骤一中，TCP所接触的平面为标定板。

3.根据权利要求2所述的一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法，其特征在于，步骤一中，标定板上设有用于自动检测TCP是否与标定板接触的接触传感器。

4.根据权利要求1所述的一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法，其特征在于，步骤一中，触点在机器人世界坐标系中的坐标表达式由机器人各关节的转角、机器人自身结构以机器人世界坐标系原点计算获得，其中包含了待求的TCP在机器人末端法兰坐标系中的三个坐标。

5.根据权利要求1所述的一种利用平面标定板的机器人工具中心点标定方法，其特征在于，步骤一中，触点的个数至少为六个。