CN109304713B - 工具坐标系的标定方法、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种工具坐标系的标定方法、装置及计算机可读存储介质，该方法包括：调整目标机器人的预设关节到预设位置；采集与所述预设关节相连接的末端工具的特征点；记录所述末端工具的特征点的运动轨迹；利用所述末端工具的特征点的运动轨迹与所述预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定所述末端工具的坐标系相对于所述预设关节的坐标系的位姿关系。根据本申请实施例的技术方案，不需要多次改变目标机器人的姿态，不需要复杂的计算公式，简化了工具坐标系的标定过程和标定算法的计算过程，减少了标定对算力的需求，提高了标定效率，减少了相关误差量的带入，提高了标定精度。

Description

工具坐标系的标定方法、装置及计算机可读存储介质
技术领域
本申请涉及机械领域，尤其涉及一种工具坐标系的标定方法、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
现在的工具坐标系(TCS，Tool Coordinate System)标定方法种类很多，包括自标定方法和借助其它精密仪器的辅助标定方法，但是这些标定方法不仅成本高昂，而且标定过程还耗时费力，例如常用的六点自标定算法，标定前除了需要变换机器人不同姿态示教指定数量的示教点，还需要通过复杂的算式计算出工具坐标系的TCP(Tool Center Point，工具中心点)位姿，不仅对机器人本体传动机构的精度有要求，还对机器人的控制算法也有要求，这些因素都对机器人最终标定的精度有较大影响，因此，需要提供一种标定方法，能够在标定过程中尽量减少相关因素的影响，减少标定误差的累积。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种工具坐标系的标定方法、装置及计算机可读存储介质。
第一方面，本申请提供了一种工具坐标系的标定方法，应用于工业机器人，所述方法包括：
调整目标机器人的预设关节到预设位置；
采集与所述预设关节相连接的末端工具的特征点；
记录所述末端工具的特征点的运动轨迹；
利用所述末端工具的特征点的运动轨迹与所述预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定所述末端工具的坐标系相对于所述预设关节的坐标系的位姿关系。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实施方式中，所述记录所述末端工具的特征点的运动轨迹，包括：
建立所述目标机器人的基点坐标系、所述预设关节的坐标系和所述末端工具的坐标系；
控制所述末端工具沿着所述预设关节的坐标系的预设坐标轴做旋转运动。
结合第一方面，在第一方面第二种可能的实施方式中，所述建立所述目标机器人的基点坐标系、所述预设关节的坐标系和所述末端工具的坐标系，包括：
控制所述预设关节的坐标系按照预设旋转矩阵进行旋转，以确定所述末端工具的坐标系。
结合第一方面，在第一方面第三种可能的实施方式中，所述利用所述末端工具的特征点的运动轨迹与所述预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定所述末端工具的坐标系相对于所述预设关节的坐标系的位姿关系，包括：
测量所述末端工具的特征点到所述预设关节的预设坐标轴的中心点的距离；
利用所述末端工具的特征点与所述预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定所述末端工具的特征点相对于所述预设位置关系的坐标系之间的偏移关系；
根据所述末端工具的特征点的运动轨迹与所述偏移关系，计算所述末端工具的特征点分别到所述预设关节的坐标系的三个坐标轴的偏移距离；
利用所述偏移距离确定所述末端工具的特征点相对于所述预设关节的坐标系的偏移矩阵；
通过所述偏移矩阵和预设旋转矩阵，确定所述末端工具的坐标系相对于所述预设关节的坐标系的位姿关系。
结合第一方面，在第一方面第四种可能的实施方式中，所述测量所述末端工具的特征点到所述预设关节的预设坐标轴的中心点的距离，包括：
确定所述运动轨迹的第一预设端点与第二预设端点之间的距离为第一测量数据；
确定所述运动轨迹所在平面到所述预设坐标轴的中心点的距离为第二测量数据；
利用所述第一测量数据和第二测量数据计算所述末端工具的特征点到所述预设关节的预设坐标轴的中心点的距离。
第二方面，本申请提供了一种工具坐标系的标定装置，应用于工业机器人，所述装置包括：
位置调整单元，配置用于调整目标机器人的预设关节到预设位置；
采集单元，配置用于采集与所述预设关节相连接的末端工具的特征点；
记录单元，配置用于记录所述末端工具的特征点的运动轨迹；
位姿关系确定单元，配置用于利用所述末端工具的特征点的运动轨迹与所述预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定所述末端工具的坐标系相对于所述预设关节的坐标系的位姿关系。
结合第二方面，在第二方面第一种可能的实施方式中，所述记录单元包括：
坐标系建立子单元，配置用于建立所述目标机器人的基点坐标系、所述预设关节的坐标系和所述末端工具的坐标系；
第一运动控制子单元，配置用于控制所述末端工具沿着所述预设关节的坐标系的预设坐标轴做旋转运动。
结合第二方面，在第二方面第二种可能的实施方式中，所述坐标系建立子单元包括：
第二运动控制子单元，配置用于控制所述预设关节的坐标系按照预设旋转矩阵进行旋转，以确定所述末端工具的坐标系。
结合第二方面，在第二方面第三种可能的实施方式中，所述位姿关系确定单元，包括：
距离测量子单元，配置用于测量所述末端工具的特征点到所述预设关节的预设坐标轴的中心点的距离；
偏移关系确定子单元，配置用于利用所述末端工具的特征点与所述预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定所述末端工具的特征点相对于所述预设位置关系的坐标系之间的偏移关系；
偏移距离计算子单元，配置用于根据所述末端工具的特征点的运动轨迹与所述偏移关系，计算所述末端工具的特征点分别到所述预设关节的坐标系的三个坐标轴的偏移距离；
偏移矩阵确定子单元，配置用于利用所述偏移距离确定所述末端工具的特征点相对于所述预设关节的坐标系的偏移矩阵；
位姿关系确定子单元，配置用于通过所述偏移矩阵和预设旋转矩阵，确定所述末端工具的坐标系相对于所述预设关节的坐标系的位姿关系。
第三方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有工具坐标系的标定程序，所述工具坐标系的标定程序被处理器执行时实现如第一方面所述的工具坐标系的标定方法的步骤。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请实施例提供的该方法，通过调整目标机器人的预设关节到预设位置，采集与所述预设关节相连接的末端工具的特征点，记录所述末端工具的特征点的运动轨迹，将目标机器人末端不规则形状的末端工具的轮廓转化成便于测量的几何图形，利用所述末端工具的特征点的运动轨迹与所述预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定所述末端工具的坐标系相对于所述预设关节的坐标系的位姿关系，即通过几何算法计算出末端工具相对于目标机器人的TCP。
本申请实施例不需要多次改变目标机器人的姿态，不需要复杂的计算公式，简化了工具坐标系的标定过程和标定算法的计算过程，减少了标定对算力的需求，提高了标定效率，减少了相关误差量的带入，提高了标定精度。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种工具坐标系的标定方法的流程图；
图2为本申请另一实施例提供的一种工具坐标系的标定方法的流程图；
图3为本申请另一实施例提供的一种工具坐标系的标定方法的流程图；
图4为本申请另一实施例提供的一种工具坐标系的标定方法的流程图；
图5为本申请实施例提供的高频采集相机与目标机器人的摆放关系示意图；
图6为本申请实施例提供的目标机器人的基点坐标系{B},目标机器人的预设关节的坐标系{E}和末端工具的坐标系{T}的示意图；
图7为本申请实施例提供的末端工具的TCP点的运动轨迹与目标机器人的预设关节的坐标系{E}的位置关系示意图；
图8为本申请实施例提供的一种工具坐标系的标定装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例提供的一种工具坐标系的标定方法，应用于工业机器人，该标定方法包括以下步骤：
S101、调整目标机器人的预设关节到预设位置。
S102、采集与预设关节相连接的末端工具的特征点。
S103、记录末端工具的特征点的运动轨迹。
S104、利用末端工具的特征点的运动轨迹与预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定末端工具的坐标系相对于预设关节的坐标系的位姿关系。
在本申请的另一实施例中，如图2所示，上述步骤S103、记录末端工具的特征点的运动轨迹，包括以下步骤：
S1031、建立目标机器人的基点坐标系、预设关节的坐标系和末端工具的坐标系。
S1032、控制末端工具沿着预设关节的坐标系的预设坐标轴做旋转运动。
在本申请的另一实施例中，上述步骤S1031、建立目标机器人的基点坐标系、预设关节的坐标系和末端工具的坐标系，包括：控制预设关节的坐标系按照预设旋转矩阵进行旋转，以确定末端工具的坐标系。
在本申请的另一实施例中，如图3所示，上述步骤S104、利用末端工具的特征点的运动轨迹与预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定末端工具的坐标系相对于预设关节的坐标系的位姿关系，包括以下步骤：
S1041、测量末端工具的特征点到预设关节的预设坐标轴的中心点的距离。
S1042、利用末端工具的特征点与预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定末端工具的特征点相对于预设位置关系的坐标系之间的偏移关系。
S1043、根据末端工具的特征点的运动轨迹与偏移关系，计算末端工具的特征点分别到预设关节的坐标系的三个坐标轴的偏移距离。
S1044、利用偏移距离确定末端工具的特征点相对于预设关节的坐标系的偏移矩阵。
S1045、通过偏移矩阵和预设旋转矩阵，确定末端工具的坐标系相对于预设关节的坐标系的位姿关系。
在本申请的另一实施例中，如图4所示，上述步骤S1041、测量末端工具的特征点到预设关节的预设坐标轴的中心点的距离，包括以下步骤：
S10411、确定运动轨迹的第一预设端点与第二预设端点之间的距离为第一测量数据。
S10412、确定运动轨迹所在平面到预设坐标轴的中心点的距离为第二测量数据。
S10413、利用第一测量数据和第二测量数据计算末端工具的特征点到预设关节的预设坐标轴的中心点的距离。
如图5所示，为高频采集相机与目标机器人的摆放关系，调整目标机器人的姿态，优选的采用六轴机器人，使目标机器人的第六关节的ZE轴与地面平行；调整高频采集相机的位置，使高频采集相机正对目标机器人的末端工具，本申请实施例中的末端工具优选的采用焊枪。
如图6所示，建立目标机器人的基点坐标系{B},目标机器人的预设关节的坐标系{E}和末端工具的坐标系{T}。为了便于计算，建立的末端工具的坐标系{T}与目标机器人的预设关节的坐标系{E}保持一致，即目标机器人的预设关节的坐标系{E}到末端工具的坐标系{T}的旋转矩阵为：
Figure GDA0002480380570000081
如图7所示，为末端工具的TCP点的运动轨迹与目标机器人的预设关节的坐标系{E}的位置关系，单独控制预设关节(第六关节)让其绕zE轴方向作旋转运动，而固定在目标机器人末端法兰的末端工具也一起作旋转运动，将末端工具的TCP点标记为特征点，高频采集相机捕获特征点，绘制出TCP点的运动轨迹，由于末端工具的TCP点绕zE轴旋转运动，因此TCP点的轨迹在空间有规律的画圆圈。
通过图7的位置关系可测量出运动轨迹最长的两端点TCP与TCP'的距离为L。由于运动平面垂直于旋转直线zE，可测量出运动平面到目标机器人的末端工具的距离，即OO’＝d，结合几何关系可知末端工具的末端点到预设关节的旋转轴线z的距离为L/2。由空间几何关系可得到末端工具的TCP点相对于预设关节的坐标系O-xyz偏移关系，结合测量数据可知末端点偏移zE轴距离为L/2，偏离xE轴为d，考虑到末端工具的对称截面与预设关节的坐标系Oxz平面重合，偏离yE轴的距离为0。由测量数据可得{T}的TCP相对于目标机器人的预设关节的坐标系{E}的偏移矩阵为：
Figure GDA0002480380570000091
结合目标机器人的预设关节的坐标系{E}到末端工具的坐标系{T}的旋转矩阵，可得到{E}到{T}的位姿关系：
Figure GDA0002480380570000092
综上可得到末端工具的坐标系{T}相对于目标机器人的预设关节的坐标系{E}的位姿关系，标定过程极大减少了目标机器人位姿改变对工具坐标系标定的干扰，简化了常用标定算法复杂算式。
如图8所示，本申请实施例提供了一种工具坐标系的标定装置，应用于工业机器人，该装置包括：
位置调整单元11，配置用于调整目标机器人的预设关节到预设位置；
采集单元12，配置用于采集与预设关节相连接的末端工具的特征点；
记录单元13，配置用于记录末端工具的特征点的运动轨迹；
位姿关系确定单元14，配置用于利用末端工具的特征点的运动轨迹与预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定末端工具的坐标系相对于预设关节的坐标系的位姿关系。
在本申请的另一实施例中，记录单元13包括：
坐标系建立子单元，配置用于建立目标机器人的基点坐标系、预设关节的坐标系和末端工具的坐标系；
第一运动控制子单元，配置用于控制末端工具沿着预设关节的坐标系的预设坐标轴做旋转运动。
在本申请的另一实施例中，坐标系建立子单元包括：
第二运动控制子单元，配置用于控制预设关节的坐标系按照预设旋转矩阵进行旋转，以确定末端工具的坐标系。
在本申请的另一实施例中，位姿关系确定单元，包括：
距离测量子单元，配置用于测量末端工具的特征点到预设关节的预设坐标轴的中心点的距离；
偏移关系确定子单元，配置用于利用末端工具的特征点与预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定末端工具的特征点相对于预设位置关系的坐标系之间的偏移关系；
偏移距离计算子单元，配置用于根据末端工具的特征点的运动轨迹与偏移关系，计算末端工具的特征点分别到预设关节的坐标系的三个坐标轴的偏移距离；
偏移矩阵确定子单元，配置用于利用偏移距离确定末端工具的特征点相对于预设关节的坐标系的偏移矩阵；
位姿关系确定子单元，配置用于通过偏移矩阵和预设旋转矩阵，确定末端工具的坐标系相对于预设关节的坐标系的位姿关系。
本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有工具坐标系的标定程序，工具坐标系的标定程序被处理器执行时实现如图1所示的工具坐标系的标定方法的步骤。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.工具坐标系的标定方法，其特征在于，应用于工业机器人，所述方法包括：
调整目标机器人的预设关节到预设位置；
采集与所述预设关节相连接的末端工具的特征点；
建立所述目标机器人的基点坐标系、所述预设关节的坐标系和所述末端工具的坐标系；
控制所述末端工具沿着所述预设关节的坐标系的预设坐标轴做旋转运动；
利用所述末端工具的特征点的运动轨迹与所述预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定所述末端工具的坐标系相对于所述预设关节的坐标系的位姿关系。
2.根据权利要求1所述的工具坐标系的标定方法，其特征在于，所述建立所述目标机器人的基点坐标系、所述预设关节的坐标系和所述末端工具的坐标系，包括：
控制所述预设关节的坐标系按照预设旋转矩阵进行旋转，以确定所述末端工具的坐标系。
3.根据权利要求2所述的工具坐标系的标定方法，其特征在于，所述利用所述末端工具的特征点的运动轨迹与所述预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定所述末端工具的坐标系相对于所述预设关节的坐标系的位姿关系，包括：
测量所述末端工具的特征点到所述预设关节的预设坐标轴的中心点的距离；
利用所述末端工具的特征点与所述预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定所述末端工具的特征点相对于所述预设位置关系的坐标系之间的偏移关系；
根据所述末端工具的特征点的运动轨迹与所述偏移关系，计算所述末端工具的特征点分别到所述预设关节的坐标系的三个坐标轴的偏移距离；
利用所述偏移距离确定所述末端工具的特征点相对于所述预设关节的坐标系的偏移矩阵；
通过所述偏移矩阵和预设旋转矩阵，确定所述末端工具的坐标系相对于所述预设关节的坐标系的位姿关系。
4.根据权利要求3所述的工具坐标系的标定方法，其特征在于，所述测量所述末端工具的特征点到所述预设关节的预设坐标轴的中心点的距离，包括：
确定所述运动轨迹的第一预设端点与第二预设端点之间的距离为第一测量数据；
确定所述运动轨迹所在平面到所述预设坐标轴的中心点的距离为第二测量数据；
利用所述第一测量数据和第二测量数据计算所述末端工具的特征点到所述预设关节的预设坐标轴的中心点的距离。
5.工具坐标系的标定装置，其特征在于，应用于工业机器人，所述装置包括：
位置调整单元，配置用于调整目标机器人的预设关节到预设位置；
采集单元，配置用于采集与所述预设关节相连接的末端工具的特征点；
记录单元，配置用于记录所述末端工具的特征点的运动轨迹，所述记录单元包括：坐标系建立子单元，配置用于建立所述目标机器人的基点坐标系、所述预设关节的坐标系和所述末端工具的坐标系，第一运动控制子单元，配置用于控制所述末端工具沿着所述预设关节的坐标系的预设坐标轴做旋转运动；
位姿关系确定单元，配置用于利用所述末端工具的特征点的运动轨迹与所述预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定所述末端工具的坐标系相对于所述预设关节的坐标系的位姿关系。
6.根据权利要求5所述的工具坐标系的标定装置，其特征在于，所述坐标系建立子单元包括：
第二运动控制子单元，配置用于控制所述预设关节的坐标系按照预设旋转矩阵进行旋转，以确定所述末端工具的坐标系。
7.根据权利要求6所述的工具坐标系的标定装置，其特征在于，所述位姿关系确定单元，包括：
距离测量子单元，配置用于测量所述末端工具的特征点到所述预设关节的预设坐标轴的中心点的距离；
偏移关系确定子单元，配置用于利用所述末端工具的特征点与所述预设关节的坐标系之间的预设位置关系，确定所述末端工具的特征点相对于所述预设位置关系的坐标系之间的偏移关系；
偏移距离计算子单元，配置用于根据所述末端工具的特征点的运动轨迹与所述偏移关系，计算所述末端工具的特征点分别到所述预设关节的坐标系的三个坐标轴的偏移距离；
偏移矩阵确定子单元，配置用于利用所述偏移距离确定所述末端工具的特征点相对于所述预设关节的坐标系的偏移矩阵；
位姿关系确定子单元，配置用于通过所述偏移矩阵和预设旋转矩阵，确定所述末端工具的坐标系相对于所述预设关节的坐标系的位姿关系。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有工具坐标系的标定程序，所述工具坐标系的标定程序被处理器执行时实现如权利要求1至4中任一项所述的工具坐标系的标定方法的步骤。
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