CN106426172A - 一种工业机器人工具坐标系的标定方法与*** - Google Patents

一种工业机器人工具坐标系的标定方法与*** Download PDF

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Abstract

一种工业机器人工具坐标系的标定方法与***，其中方法包括：使圆形标志物的圆心成像在相机视场中的一点，记录初始状态下标志物的成像半径R、圆心像素坐标p以及机械臂末端的坐标P 1；使机械臂末端的法兰盘绕U轴旋转任意角度，移动机械臂末端到P 2处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，根据两次坐标P 1和P 2值得到工具中心点相对机械臂末端的水平分量；使机械臂任一关节绕W轴旋转任意角度，移动机械臂末端到P 3处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，并使标志物的成像长轴长度等于成像半径R，根据两次坐标P 2和P 3值以及水平分量得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直分量。该方法速度快、精度高。

Description

一种工业机器人工具坐标系的标定方法与***
技术领域
本发明涉及一种工业机器人工具坐标系的标定方法与***，属于机械手控制领域。
背景技术
工业生产线上，通常在工业机器人的机械臂末端固定特殊的部件作为工具，如夹具、焊枪等装置，在这些工具上的某个固定位置上通常要建立一个坐标系，即所谓的工具坐标系。机器人的轨迹规划通常是在添加了上述的工具之后，针对工具的某一点进行规划，通常这一点被称为工具中心点(TCP：Tool Center Point)。一般情况下，工具坐标系的原点就是TCP，工具在被安装在机器人的机械臂末端上之后，除非人为的改变其安装位置，否则工具坐标系相对于机器人末端坐标系的关系是固定不变的。正确的工具坐标系标定对机器人的轨迹规划具有重要影响，而且机器人的工具可能会针对不同的应用场景需要经常更换机器人的工具坐标系，因此一种快速，准确的机器人工具坐标系标定方法是迫切需求的。
文献《工业机器人工具及工件坐标系的标定研究》公开了一种基于视觉的工具系坐标自动化标定原理与方案，其利用两个工业相机采集图像，并利用图像相关算法识别圆环标志并标志圆环中心点的坐标。当机器人在不同姿态下使得标志圆环的中心在两幅图像中的坐标值一致时，则可认为机器人以多个姿态使得末端工具的中心点或者特征点处于空间同一位置。并进一步通过正运动学求解，可以得到标志点的中心在机器人基坐标系下的坐标。然而，如果减少工具坐标系标定所需的装置，并且减少标定过程中需要机械臂变换姿态的次数，则可以使得工具坐标系的标定变得更加快速与准确。
发明内容
本发明的目的在于简化标定工具坐标系的标定过程并提高工具坐标系的标定速度与精度，提供一种工业机器人工具坐标系的标定方法与***。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
根据本发明的第一方面，提供一种工业机器人工具坐标系的标定方法，该方法包括如下步骤：
S1、将圆形标志物相对机械臂末端的法兰面平行固定在工具中心点，使标志物的圆心成像在相机视场中的一点并使机械臂末端的法兰面相对相机成像平面H平行，记录此时相机拍摄得到的图像中标志物的成像半径R、标志物圆心的像素坐标p以及机械臂末端的空间坐标P1；
S2、使机械臂末端的法兰盘绕U轴旋转任意角度A1，移动机械臂末端到空间坐标P2处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，根据两次机械臂末端的空间坐标P1和P2计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的水平方向的分量(a，b)，所述U轴垂直于平面H；
S3、使机械臂任一关节绕W轴旋转任意角度A2，移动机械臂末端到空间坐标P3处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，并使标志物的在平面H上的成像长轴长度等于标志物的成像半径R，根据两次机械臂末端的空间坐标P2和P3以及水平方向的分量(a，b)计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c1，所述W轴平行于平面H。
作为本发明上述方法的进一步改进，步骤S1中所述相机视场中的一点为相机视场中的中点，或相机拍摄得到的图像的中心像素点。
作为本发明上述方法的进一步改进，所述步骤S2包括如下步骤：
S21、使机械臂末端的法兰盘绕U轴分步旋转任意角度A1，所述U轴垂直于平面H，所述分步旋转为分为两个步骤或两个以上步骤旋转，分步旋转的角度总和为A1；
S22、每步分步旋转后相对平面H平行移动机械臂末端使标志物的圆心无限接近上述相机视场中的同一点，并记录每步分步旋转后相机拍摄得到的图像中标志物圆心的像素坐标p′，p′与步骤S1中标志物圆心的像素坐标p的绝对位置差不超过0.5个像素时，则标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点；
S23、读取当标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点时机械臂末端的空间坐标P2；
S24、根据两次机械臂末端的空间坐标P1和P2的位置差计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的水平方向的分量(a，b)。
作为本发明上述方法的进一步改进，所述角度A1为180°。
作为本发明上述方法的进一步改进，所述步骤S3包括如下步骤：
S31、使机械臂任一关节绕W轴分步旋转任意角度A2，所述W轴平行于平面H，所述分步旋转为分为两个步骤或两个以上步骤旋转，分步旋转的角度总和为A2；
S32、每步分步旋转后相对平面H平行移动机械臂末端使标志物的圆心的成像无限接近圆心的原像素坐标p处，并记录每步分步旋转后相机拍摄得到的图像中标志物圆心的像素坐标p″，p″与步骤S1中标志物圆心的像素坐标p的绝对位置差不超过0.5个像素时，则标志物的圆心成像在像素坐标p处；
S33、使机械臂末端相对平面H垂直移动，当相机拍摄得到的图像中标志物的成像长轴长度等于标志物的成像半径R时停止移动机械臂，此时标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点；
S34、读取上述机械臂末端的空间坐标P3；
S35、根据两次机械臂末端的空间坐标P2和P3以及步骤S2中的水平方向的分量(a，b)计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c1。
作为本发明上述方法的进一步改进，所述角度A2为60°。
作为本发明上述方法的进一步改进，在所述步骤S3之后，有步骤S4，其具体为：使机械臂末端回位到步骤S2完成的状态，并使机械臂任一关节绕V轴旋转任意角度A3，移动机械臂末端到空间坐标P4处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，并使标志物的成像长轴长度等于标志物的成像半径R，根据两次机械臂末端的空间坐标P2和P4以及水平方向的分量(a，b)计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c2，将两次竖直方向的分量c1与c2的平均值c作为最终工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量，所述V轴平行于平面H且垂直于W轴。
作为本发明上述方法的进一步改进，在所述步骤S3之前有一个步骤，其具体为：使机械臂任一关节绕V轴旋转任意角度A3，移动机械臂末端到空间坐标P4处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，并使标志物的成像长轴长度等于标志物的成像半径R，根据两次机械臂末端的空间坐标P2和P4以及水平方向的分量(a，b)计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c2，然后使机械臂末端回位到步骤S2完成的状态，再在步骤S3完成后，将两次竖直方向的分量c1与c2的平均值c作为最终工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量，所述V轴平行于平面H且垂直于W轴。
根据本发明的第二方面，提供一种工业机器人工具坐标系的标定***，该***包括：
采集模块，设置为采集机械臂末端的图像；
存储模块，设置为存储所述采集模块采集的图像、机械臂各个关节移动的数据、数据处理的中间数据以及最终的标定结果；
显示模块，设置为实时显示所述采集模块采集的图像以及展示标定结果；
控制模块，设置为控制机械臂移动或旋转；
处理模块，设置为处理图像并从中提取标志点，根据处理的结果发送相应的指令给控制模块。
根据本发明的第三方面，提供一种工业机器人工具坐标系的标定***，该***包括：工业机器人，所述工业机器人包括基座与机械臂，所述基座固定在工业机器人的一处应用场所，所述机械臂具有两个及两个以上的关节并在末端具有一个能够旋转的法兰盘，所述法兰盘具有用于固定工具的突起或凹槽，所述关节能够旋转使得机械臂达到目标物处；
工具，所述工具的一端与法兰盘固定链接，工具的另一端用于完成不同的应用；
标志物，所述标志物粘贴于工具的中心点处且相对于法兰盘的法兰面平行放置，所述工 具的中心点根据需要标定的点而确定；
相机，所述相机固定在机械臂末端的下方，所述相机的成像平面在工业机器人的初始状态下相对法兰面平行，所述工业机器人的初始状态为在基座所在的球形坐标系O′-UWV中机械臂末端沿U轴放置且法兰盘的旋转角度为0°；
存储器，所述存储器用于存储标定过程中相机拍摄的图片、机械臂各个关节移动的数据、数据处理的中间数据以及最终的标定结果；
显示器，所述显示器用于实时显示相机拍摄的图片以及展示标定的结果；
控制器，所述控制器用于控制机械臂移动或旋转；
处理器，所述处理器用于处理图像并从中提取标志点，根据处理的结果发送相应的指令给控制器。
根据本发明的第四方面，提供一种工业机器人工具坐标系的标定***，该***包括如下装置：
第一装置，设置为将圆形标志物相对机械臂末端的法兰面平行固定在工具中心点，使标志物的圆心成像在相机视场中的一点并使机械臂末端的法兰面相对相机成像平面H平行，记录此时相机拍摄得到的图像中标志物的成像半径R、标志物圆心的像素坐标p以及机械臂末端的空间坐标P1；
第二装置，设置为使机械臂末端的法兰盘绕U轴旋转任意角度A1，移动机械臂末端到空间坐标P2处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，根据两次机械臂末端的空间坐标P1和P2计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的水平方向的分量(a，b)，所述U轴垂直于平面H；
第三装置，设置为使机械臂任一关节绕W轴旋转任意角度A2，移动机械臂末端到空间坐标P3处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，并使标志物的在平面H上的成像长轴长度等于标志物的成像半径R，根据两次机械臂末端的空间坐标P2和P3以及水平方向的分量(a，b)计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c1，所述W轴平行于平面H。
与现有技术相比，本发明具有以下显著优点和有益效果：
在现有技术中，使用两个相机对标志物成像，当标志物的特征点在两个相机中的坐标值一致时认为工业机器人不同姿态下机械臂末端的工具中心点或者标志物的特征点处于空间同一位置，再通过正运动学求解，得到标志点的中心在机器人基坐标系下的坐标。本发明通过旋转一次机械臂末端的法兰盘并通过使标志物的特征点成像在相机成像平面的同一点，由一次机械臂末端的移动距离就能得到机械臂末端的工具中心点或者标志物的特征点相对机械手末端的空间矢量的水平分量。再通过变换一次工业机器人的姿态并通过使标志物的特征点成 像在相机成像平面的同一点，由一次机械臂末端相对相机成像平面的垂直移动距离就能得到机械臂末端的工具中心点或者标志物的特征点相对机械手末端的空间矢量的竖直分量。
本发明通过分别得到机械臂末端的工具中心点或者标志物的特征点相对机械手末端的空间矢量的水平分量与竖直分量，结合机械臂末端在机器人基座的基坐标系下空间坐标为已知，很容易得出机械臂末端的工具中心点或者标志物的特征点在机器人基坐标系下的坐标，而不需要求解复杂的运动学方程，极大的简化了工具坐标系的标定过程，进而提高了标定精度。
本发明只需要一个相机通过视觉的方法就可以对工具坐标进行标定，标定的装置简单、速度快。
本发明只需要调节一次机械手姿态即可全自动的完成工具坐标标定，当变换不同的工具时可迅速完成对不同工具的工具坐标标定，标定方法稳定可靠且可重复性强。
本发明是标定机械臂末端的工具中心点或者标志物的特征点相对机械手末端的空间矢量，因而可以进一步成为检验机械臂末端所夹持工具是否偏离作业预定的角度与位置，并对其进行校正。
附图说明
以下结合附图，对本发明的实施例进行详细的描述，其中：
图1为实施本发明所用标志物的几种典型图形的示意图；
图2为本发明一种工业机器人工具坐标系的标定方法的整体流程图；
图3为实施本发明一种工业机器人工具坐标系的标定方法的装置位置示意图；
图4为本发明一实施例中机械臂末端的法兰盘按逆时针绕U轴旋转任意角度A1后各个坐标变化的示意图；
图5为本发明一种工业机器人工具坐标系的标定方法的一实施例中步骤S2的流程图；
图6为本发明一实施例中机械臂末端的法兰盘按逆时针绕U轴旋转角度180°后各个坐标变化的示意图；
图7为本发明一种工业机器人工具坐标系的标定方法的一实施例中步骤S3的流程图；
图8为本发明一实施例中机械臂末端任一关节绕W轴旋转角度60°后各个坐标变化的示意图；
图9为本发明一种工业机器人工具坐标系的标定***的一实施例的结构示意图；
图10为本发明一种工业机器人工具坐标系的标定***的另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
实施本发明所需的相机可为CMOS相机或CCD相机。机器人包括基座和具有两个或两个以上关节的机械臂并在机械臂的末端通常配置有一个能旋转任意角度的法兰盘，法兰盘能 和机械臂成一体，也可由用户配置。所述机器人任意姿态下各个关节及机械臂末端在以机器人基座为基准的基坐标系O′-XYZ下的坐标均可实时读取，或可进一步变换为相对应的球坐标系O′-WVU下的坐标。标志物具有能准确定位的特征点，标志物的图形可随用户喜好随意设定，如图1所示为通常情况下用于标定的几种标志物图形，其中示例图的尺寸大小不代表实际上标志物的尺寸大小。显示器、处理器、存储器可为集成为一体的装置如PC机也可分开为各个相互独立的装置，控制器为控制机械臂移动或变换姿态的装置，所述控制器根据处理器的处理结果对机械臂进行运动控制并将结果在显示器中显示。作为优选的实施方式，本发明使用一个具有三个关节机械臂的机器人夹持***，一台工业CCD相机进行图像采集，和一台PC机进行显示采集的图像、对图像进行处理并存储本发明的图像、中间数据以及处理结果，使用的控制器以软件的形式嵌入在PC机中，使用的标志物优选为可粘贴在工具上的如图1a所示图形的圆形标志贴，使用的工具为固定在法兰盘上的吸盘工具或夹具并能随着法兰盘旋转任意角度，定义法兰盘向外的一面为法兰面F，并定义球坐标系的U轴垂直于法兰面F，W轴、V轴平行于法兰面F。
图2为本发明一种工业机器人工具坐标系的标定方法的一实施例的流程图，如图所示该方法包括如下步骤：
S1、将图形如图3中所示的圆形标志贴M相对机械臂末端的法兰面平行粘贴在工具T的工具中心点，使圆形标志贴的圆心成像在相机视场中的一点并如图3所示使机械臂末端的法兰面F相对相机成像平面H平行。记录此时相机拍摄得到的图像中圆形标志贴M的成像半径R、圆形标志贴M圆心的像素坐标p(u，v)以及机械臂末端的空间坐标P1(X1，Y1，Z1)，所述工具中心点为工具上的任意一点，可依据用户的需求而定。根据本实施例使用的吸盘工具，优选地将圆形标志M贴粘贴在吸盘中央。所述相机视场中的一点为相机视场中或相机拍摄得到的图像上的任意一点。所述圆形标志贴M的成像半径R、圆形标志贴M圆心的像素坐标p(u，v)可通过在图像上进行椭圆拟合算法得到，所述机械臂末端的空间坐标P1(X1，Y1，Z1)可直接读取。
S2、使机械臂末端的法兰盘绕U轴旋转任意角度A1，移动机械臂末端到空间坐标P2(X2，Y2，Z2)处使圆形标志贴M的圆心成像在上述相机视场中的同一点，根据两次机械臂末端的空间坐标P1(X1，Y1，Z1)和P2(X2，Y2，Z2)计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的水平方向的分量(a，b)，所述U轴垂直于平面H。由于相机成像平面H与法兰面F平行，机械臂末端的法兰盘绕U轴旋转后圆形标志贴仍平行于相机成像平面H，因此使圆形标志贴M的圆心再次成像在上述相机视场中的同一点时机械臂末端的移动为水平移动。图4所示为机械臂末端的法兰盘按逆时针绕U轴旋转任意角度A1后圆形标志贴M的圆心处坐标变化的示意图，在基坐标系O′-XYZ下，用P(X，Y，Z)表示圆形标志贴M的圆心成像在上述相机视场中的一点的空间坐标，即点P(X，Y，Z)代表与像素坐标p(u，v)相对应的 圆形标志贴M的圆心的空间坐标。P′为旋转后圆形标志贴M的圆心的空间坐标，设旋转前点P(X，Y，Z)相对机械臂末端的空间坐标P1(X1，Y1，Z1)的空间矢量为r1(a1，b1，c1)，设旋转并移动机械臂末端使圆形标志贴M的圆心成像在上述相机视场中的同一点P(X，Y，Z)后，点P(X，Y，Z)相对机械臂末端的空间坐标P2(X2，Y2，Z2)的空间矢量为r2(a2，b2，c2)，则有：
r1(a1，b1，c1)＝P(X，Y，Z)-P1(X1，Y1，Z1)
r2(a2，b2，c2)＝P(X，Y，Z)-P2(X2，Y2，Z2)
由于为平行移动，用矩阵表示r1与r2之间的关系为：
并且由于空间矢量r1与r2的模相等且竖直分量c1＝c2，则有：
r1-r2＝P2-P1
即
由上可知，通过读取机械臂***中机械臂末端旋转前后的空间坐标P1(X1，Y1，Z1)、P2(X2，Y2，Z2)以及旋转角度A1，即可以解得r1的水平分量(a1，b1)的值，即水平分量(a1，b1)为工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的水平方向的分量(a，b)。上述步骤只要方法相同，也可使用其它类型的计算方法。
S3、使机械臂任一关节绕W轴旋转任意角度A2，移动机械臂末端使圆形标志贴M的圆心成像在上述相机视场中的同一点，移动机械臂末端到空间坐标P3(X3，Y3，Z3)处使标志物的长轴长度等于圆形标志贴M的成像半径R，根据两次机械臂末端的空间坐标P2(X2，Y2，Z2)和P3(X3，Y3，Z3)以及水平方向的分量计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c1，所述W轴平行于平面H。在机械臂任一关节绕W轴旋转任意角度A2后，法兰面F与相机成像平面H不再平行，圆形标志贴M在相机成像平面上为椭圆。由于旋转轴W轴平行于相机成像平面H，圆形标志贴的沿W轴的半径仍平行与相机成像平面H，但由于旋转其远离相机成像平面而成像在图像上的长度变小。圆形标志贴M沿V轴的半径将旋转角度A2并远离相机成像平面因而成像在图像上的大小将变得比沿W轴的半径的成像长 度更小。因此圆形标志贴M的沿W轴的半径的成像长度为成像椭圆的长轴，沿V轴的半径的成像长度为成像椭圆的短轴。相对平面H先平行移动再垂直移动机械臂末端，或者顺序反过来，使圆形标志贴M的圆心成像在相机视场中的同一点，并使圆形标志贴M的成像椭圆的长轴长度等于圆形标志贴M的成像半径R。所述同一点在上述空间坐标点P(X，Y，Z)处，与上述圆形标志贴M的圆心像素坐标p(u，v)相对应。读取此时机械臂末端的空间坐标P3(X3，Y3，Z3)，由于P3(X3，Y3，Z3)是在P2(X2，Y2，Z2)的基础上绕W轴旋转A2，设点P(X，Y，Z)相对机械臂末端的空间坐标P3(X3，Y3，Z3)的空间矢量为r3(a3，b3，c3)，则有：
r2(a2，b2，c2)＝P(X，Y，Z)-P2(X2，Y2，Z2)
r3(a3，b3，c3)＝P(X，Y，Z)-P3(X3，Y3，Z3)
用矩阵表示r2与r3之间的关系为：
并且由于空间矢量r1、r2与r3的模相等且横向分量a1＝a2，则有：
r2-r3＝P3-P2
即
由上可知，通过读取机械臂***中机械臂末端旋转前后的空间坐标P2(X2，Y2，Z2)、P3(X3，Y3，Z3)以及旋转角度A2，即可以解得r2的竖直分量c2的值。如步骤S2中所述，r2的竖直分量c2的值等于r1的竖直分量c1的值，即通过上述各式可联立解得工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c1。上述步骤只要方法相同，也可使用其它类型的计算方法。
作为上述实施例的进一步改进，步骤S1中所述相机视场中的一点优选为相机视场中的中点，或相机拍摄得到的图像的中心像素点，则大大减少了因相机镜头的畸变而引起的标定误差。
作为上述实施例的进一步改进，如图5所示所述步骤S2包括如下步骤：
S21、使机械臂末端的法兰盘绕U轴分步旋转任意角度A1，所述U轴垂直于平面H，所述分步旋转为分为两个步骤或两个以上步骤旋转，分步旋转的角度总和为A1。
S22、每步分步旋转后相对平面H平行移动机械臂末端使圆形标志贴M的圆心无限接近上述相机视场中的同一点，并记录每步分步旋转后相机拍摄得到的图像中圆形标志贴M圆心的像素坐标p′(u′，v′)，若p′(u′，v′)与步骤S1中圆形标志贴M圆心的像素坐标p(u，v)的绝对位置差不超过0.5个像素，则认为圆形标志贴M的圆心成像在上述相机视场中的同一点。
S23、读取当圆形标志贴M的圆心成像在上述相机视场中的同一点时机械臂末端的空间坐标P2(X2，Y2，Z2)；
S24、根据两次机械臂末端的空间坐标P1(X1，Y1，Z1)和P2(X2，Y2，Z2)的位置差按照上述计算过程计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的水平方向的分量(a，b)。
作为上述实施例的进一步改进，所述角度A1优选为180°，则得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的水平方向的分量(a，b)的过程将大大简化。此时，圆形标志贴M圆心的空间坐标点P(X，Y，Z)与其旋转后的空间坐标点P，以及机械臂末端在移动前后的空间坐标P1(X1，Y1，Z1)和P2(X2，Y2，Z2)的位置关系如图6所示。此时，有：
且用矩阵表示r1与r2之间的关系为：
即
联立上式得：
即水平分量(a1，b1)为工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的水平方向的分量(a，b)。 上述步骤只要方法相同，也可使用其它类型的计算方法。
作为上述实施例的进一步改进，如图7所示所述步骤S3包括如下步骤：
S31、使机械臂任一关节绕W轴分步旋转任意角度A2，所述W轴平行于相机成像平面H，所述分步旋转为分为两个步骤或两个以上步骤旋转，分步旋转的角度总和为A2。
S32、每步分步旋转后均须相对相机成像平面H平行移动移动机械臂末端，并记录每步分步旋转后相机拍摄得到的图像中圆形标志贴M圆心的像素坐标p″(u″，v″)，若p″(u″，v″)与步骤S1中圆形标志贴M圆心的像素坐标p(u，v)的绝对位置差不超过0.5个像素，则认为圆形标志贴M的圆心成像在上述像素坐标p(u，v)处。分步旋转完成后，圆形标志贴M在成像平面上的成像从圆变成了椭圆。
S33、使机械臂末端相对相机成像平面H垂直移动，当相机拍摄得到的图像中圆形标志贴M的成像椭圆的长轴长度等于圆形标志贴M的成像半径R时停止移动机械臂，此时认为圆形标志贴M的圆心成像在上述相机视场中的同一点，其空间坐标为上述点P(X，Y，Z)。
S34、读取机械臂末端的空间坐标P3(X3，Y3，Z3)；
S35、根据两次机械臂末端的空间坐标P2(X2，Y2，Z2)和P3(X3，Y3，Z3)以及步骤S2中的水平方向的分量(a，b)按照前述计算方法计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c1。
作为上述实施例的进一步改进，所述角度A2优选为60°，则得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c1的过程将大大简化。如图8所示，由于P3(X3，Y3，Z3)是在P2(X2，Y2，Z2)基础上绕W轴旋转60°得来，因此P2(X2，Y2，Z2)与P3(X3，Y3，Z3)相对P(X，Y，Z)的空间矢量r2与r3的X坐标相同，即a2＝a3，且旋转前后中心点相对机械臂末端的长度不变，则有：
用矩阵表示r1与r2之间的关系为：
且步骤S2当机械臂末端绕U轴旋转角度A1优选为180°时，有a2＝-a1，b2＝-b1，c2＝c1，联立上式有：
因此：
即：
由前面得到的水平分量b1即可得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c1。
作为上述实施例的进一步改进，在所述步骤S3之后，有步骤S4，其具体为：使机械臂末端回位到步骤S2完成的状态，并使机械臂任一关节绕V轴旋转任意角度A3，所述V轴平行于平面H且垂直于W轴，所述旋转可为分步旋转，每步分步旋转完成后均须移动机械臂末端，可相对平面H先平行移动再垂直移动机械臂末端，或者顺序反过来，使圆形标志贴M的圆心成像在上述相机视场中的同一点，设其空间坐标为P4(X4，Y4，Z4)，并使圆形标志贴M的成像椭圆的长轴长度等于圆形标志贴M的成像半径R。根据两次机械臂末端的空间坐标P2(X2，Y2，Z2)和P4(X4，Y4，Z4)以及水平方向的分量(a，b)按照上述计算方法可计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c2为：
将两次竖直方向的分量c1与c2的平均值c作为最终工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量，可提高竖直方向上标定的精度。
作为上述实施例的进一步改进，在所述步骤S3之前有一个步骤，其具体为：使机械臂任一关节绕V轴旋转任意角度A3，所述V轴平行于平面H且垂直于W轴，所述旋转可为分步旋转，每步分步旋转完成后均须移动机械臂末端，可相对平面H先平行移动再垂直移动机械臂末端，或者顺序反过来，使圆形标志贴M的圆心成像在上述相机视场中的同一点，设其空间坐标为P4(X4，Y4，Z4)，并使圆形标志贴M的成像椭圆的长轴长度等于圆形标志贴M的 成像半径R。根据两次机械臂末端的空间坐标P2(X2，Y2，Z2)和P4(X4，Y4，Z4)以及水平方向的分量(a，b)按照上述计算方法可计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c2，然后使机械臂末端回位到步骤S2完成的状态，再在步骤S3完成后，将两次竖直方向的分量c1与c2的平均值c作为最终工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量，可提高竖直方向上标定的精度。
根据本发明另一实施例，一种工业机器人工具坐标系的标定***，如图9所示该***包括：
采集模块，设置为采集机械臂末端的图像；
存储模块，设置为存储所述采集模块采集的图像、机械臂各个关节移动的数据、数据处理的中间数据以及最终的标定结果；
显示模块，设置为实时显示所述采集模块采集的图像以及展示标定结果；
控制模块，设置为控制机械臂移动或旋转；
处理模块，设置为处理图像并从中提取标志点，根据处理的结果发送相应的指令给控制模块。
根据本发明的另一实施例，一种工业机器人工具坐标系的标定***，如图10所示该***包括：
工业机器人，所述工业机器人包括基座与机械臂，所述基座固定在工业机器人的一处应用场所，所述机械臂具有两个及两个以上的关节并在末端具有一个能够旋转的法兰盘，所述法兰盘具有用于固定工具的突起或凹槽，所述关节能够旋转使得机械臂达到目标物处；
工具，所述工具的一端与法兰盘固定链接，工具的另一端用于完成不同的应用；
标志物，所述标志物粘贴于工具的中心点处且相对于法兰盘的法兰面平行放置，所述工具的中心点根据需要标定的点而确定；
相机，所述相机固定在机械臂末端的下方，所述相机的成像平面在工业机器人的初始状态下相对法兰面平行，所述工业机器人的初始状态为在基座所在的球形坐标系O′-UWV中机械臂末端沿U轴放置且法兰盘的旋转角度为0°；
存储器，所述存储器用于存储标定过程中相机拍摄的图片、机械臂各个关节移动的数据、数据处理的中间数据以及最终的标定结果；
显示器，所述显示器用于实时显示相机拍摄的图片以及展示标定的结果；
控制器，所述控制器用于控制机械臂移动或旋转；
处理器，所述处理器用于处理图像并从中提取标志点，根据处理的结果发送相应的指令给控制器。
根据本发明的另一实施例，一种工业机器人工具坐标系的标定***，该***包括如下装置：
第一装置，设置为将圆形标志物相对机械臂末端的法兰面平行固定在工具中心点，使标志物的圆心成像在相机视场中的一点并使机械臂末端的法兰面相对相机成像平面H平行，记录此时相机拍摄得到的图像中标志物的成像半径R、标志物圆心的像素坐标p以及机械臂末端的空间坐标P1；
第二装置，设置为使机械臂末端的法兰盘绕U轴旋转任意角度A1，移动机械臂末端到空间坐标P2处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，根据两次机械臂末端的空间坐标P1和P2计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的水平方向的分量(a，b)，所述U轴垂直于平面H；
第三装置，设置为使机械臂任一关节绕W轴旋转任意角度A2，移动机械臂末端到空间坐标P3处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，并使标志物的在平面H上的成像长轴长度等于标志物的成像半径R，根据两次机械臂末端的空间坐标P2和P3以及水平方向的分量(a，b)计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c1，所述W轴平行于平面H。
本发明一种工业机器人工具坐标系的标定方法与***，是标定工具中心点相对机械臂末端的空间矢量，因此还可以进一步作为校准机械臂所夹持工具是否偏离预定角度与位置的校准方法与***，以提高工业作业中的精度。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，以及可选地也可以通过专用硬件电路，如大规模集成电路、CPLD等。基于这样的理解，本申请实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品和/或硬件产品的形式体现出来，其中该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。即使个别的技术特征在不同的权利要求中引用，本发明还可包含共有这些特征的实施例。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (11)

1.一种工业机器人工具坐标系的标定方法，所述工业机器人包括基座和机械臂，所述工具固定在机械臂末端，所述机械臂具有两个或两个以上关节，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、将圆形标志物相对机械臂末端的法兰面平行固定在工具中心点，使标志物的圆心成像在相机视场中的一点并使机械臂末端的法兰面相对相机成像平面H平行，记录此时相机拍摄得到的图像中标志物的成像半径R、标志物圆心的像素坐标p以及机械臂末端的空间坐标P 1；
S2、使机械臂末端的法兰盘绕U轴旋转任意角度A1，移动机械臂末端到空间坐标P 2处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，根据两次机械臂末端的空间坐标P 1和P 2计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的水平方向的分量（a，b），所述U轴垂直于平面H；
S3、使机械臂任一关节绕W轴旋转任意角度A2，移动机械臂末端到空间坐标P 3处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，并使标志物的在平面H上的成像长轴长度等于标志物的成像半径R，根据两次机械臂末端的空间坐标P 2和P 3以及水平方向的分量（a，b）计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c 1，所述W轴平行于平面H。
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人工具坐标系的标定方法，其特征在于，步骤S1中所述相机视场中的一点为相机视场中的中点，或相机拍摄得到的图像的中心像素点。
3.根据权利要求1所述的一种工业机器人工具坐标系的标定方法，其特征在于：所述步骤S2包括如下步骤：
S21、使机械臂末端的法兰盘绕U轴分步旋转任意角度A1，所述U轴垂直于平面H，所述分步旋转为分为两个步骤或两个以上步骤旋转，分步旋转的角度总和为A1；
S22、每步分步旋转后相对平面H平行移动机械臂末端使标志物的圆心无限接近上述相机视场中的同一点，并记录每步分步旋转后相机拍摄得到的图像中标志物圆心的像素坐标p′，p′与步骤S1中标志物圆心的像素坐标p的绝对位置差不超过0.5个像素时，则标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点；
S23、读取当标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点时机械臂末端的空间坐标P 2；
S24、根据两次机械臂末端的空间坐标P 1和P 2的位置差计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的水平方向的分量（a，b）。
4.根据权利要求3所述的一种工业机器人工具坐标系的标定方法，其特征在于，所述角度A1为180°。
5.根据权利要求1所述的一种工业机器人工具坐标系的标定方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
S31、使机械臂任一关节绕W轴分步旋转任意角度A2，所述W轴平行于平面H，所述分步旋转为分为两个步骤或两个以上步骤旋转，分步旋转的角度总和为A2；
S32、每步分步旋转后相对平面H平行移动机械臂末端使标志物的圆心的成像无限接近圆心的原像素坐标p处，并记录每步分步旋转后相机拍摄得到的图像中标志物圆心的像素坐标p″，p″与步骤S1中标志物圆心的像素坐标p的绝对位置差不超过0.5个像素时，则标志物的圆心成像在像素坐标p处；
S33、使机械臂末端相对平面H垂直移动，当相机拍摄得到的图像中标志物的成像长轴长度等于标志物的成像半径R时停止移动机械臂，此时标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点；
S34、读取上述机械臂末端的空间坐标P 3；
S35、根据两次机械臂末端的空间坐标P 2和P 3以及步骤S2中的水平方向的分量（a，b）计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c 1。
6.根据权利要求5所述的一种工业机器人工具坐标系的标定方法，其特征在于，所述角度A2为60°。
7.根据权利要求1或5所述的一种工业机器人工具坐标系的标定方法，其特征在于，在所述步骤S3之后，包括步骤S4，其具体为：使机械臂末端回位到步骤S2完成的状态，并使机械臂任一关节绕V轴旋转任意角度A3，移动机械臂末端到空间坐标P 4处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，并使标志物的成像长轴长度等于标志物的成像半径R，根据两次机械臂末端的空间坐标P 2和P 4以及水平方向的分量（a，b）计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c 2，将两次竖直方向的分量c 1与c 2的平均值c作为最终工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量，所述V轴平行于平面H且垂直于W轴。
8.根据权利要求1或5所述的一种工业机器人工具坐标系的标定方法，其特征在于，在所述步骤S3之前还有一步骤：使机械臂任一关节绕V轴旋转任意角度A3，移动机械臂末端到空间坐标P 4处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，并使标志物的成像长轴长度等于标志物的成像半径R，根据两次机械臂末端的空间坐标P 2和P 4以及水平方向的分量（a，b）计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c 2，然后使机械臂末端回位到步骤S2完成的状态，再在步骤S3完成后，将两次竖直方向的分量c 1与c 2的平均值c作为最终工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量，所述V轴平行于平面H且垂直于W轴。
9.一种工业机器人工具坐标系的标定***，其特征在于，包括：
采集模块，设置为采集机械臂末端的图像；
存储模块，设置为存储所述采集模块采集的图像、机械臂各个关节移动的数据、数据处理的中间数据以及最终的标定结果；
显示模块，设置为实时显示所述采集模块采集的图像以及展示标定结果；
控制模块，设置为控制机械臂移动或旋转；
处理模块，设置为处理图像并从中提取标志点，根据处理的结果发送相应的指令给控制模块。
10.一种工业机器人工具坐标系的标定***，其特征在于，包括：
工业机器人，所述工业机器人包括基座与机械臂，所述基座固定在工业机器人的一处应用场所，所述机械臂具有两个及两个以上的关节并在末端具有一个能够旋转的法兰盘，所述法兰盘具有用于固定工具的突起或凹槽，所述关节能够旋转使得机械臂达到目标物处；
工具，所述工具的一端与法兰盘固定链接，工具的另一端用于完成不同的应用；
标志物，所述标志物粘贴于工具的中心点处且相对于法兰盘的法兰面平行放置，所述工具的中心点根据需要标定的点而确定；
相机，所述相机固定在机械臂末端的下方，所述相机的成像平面在工业机器人的初始状态下相对法兰面平行，所述工业机器人的初始状态为在基座所在的球形坐标系O′-UWV中机械臂末端沿U轴放置且法兰盘的旋转角度为0°；
存储器，所述存储器用于存储标定过程中相机拍摄的图片、机械臂各个关节移动的数据、数据处理的中间数据以及最终的标定结果；
显示器，所述显示器用于实时显示相机拍摄的图片以及展示标定的结果；
控制器，所述控制器用于控制机械臂移动或旋转；
处理器，所述处理器用于处理图像并从中提取标志点，根据处理的结果发送相应的指令给控制器。
11.一种工业机器人工具坐标系的标定***，所述工业机器人包括基座和机械臂，所述工具固定在机械臂末端，所述机械臂具有两个或两个以上关节，其特征在于，该***包括如下装置：
第一装置，设置为将圆形标志物相对机械臂末端的法兰面平行固定在工具中心点，使标志物的圆心成像在相机视场中的一点并使机械臂末端的法兰面相对相机成像平面H平行，记录此时相机拍摄得到的图像中标志物的成像半径R、标志物圆心的像素坐标p以及机械臂末端的空间坐标P 1；
第二装置，设置为使机械臂末端的法兰盘绕U轴旋转任意角度A1，移动机械臂末端到空间坐标P 2处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，根据两次机械臂末端的空间坐标P 1和P 2计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的水平方向的分量（a，b），所述U轴垂直于平面H；
第三装置，设置为使机械臂任一关节绕W轴旋转任意角度A2，移动机械臂末端到空间坐标P 3处使标志物的圆心成像在上述相机视场中的同一点，并使标志物的在平面H上的成像长轴长度等于标志物的成像半径R，根据两次机械臂末端的空间坐标P 2和P 3以及水平方向的分量（a，b）计算得到工具中心点相对机械臂末端的空间矢量的竖直方向的分量c 1，所述W轴平行于平面H。
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