CN109596126A - 一种机器人空间坐标系转换关系的确定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种机器人空间坐标系转换关系的确定方法，包括根据机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个空间参考点；确定至少三个空间参考点中，每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标；根据每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标，确定机械臂坐标系和传感器坐标系的转换关系。本申请提供的实施例降低了机械臂的负载，减小了机械臂末端的尺寸和重量，并降低了对传感器识别能力的要求的同时，控制了误差的波动范围，提高了定位精度。

Description

一种机器人空间坐标系转换关系的确定方法和装置

技术领域

本发明实施例涉及人工智能领域，尤其涉及一种机器人的空间坐标系转换关系的确定方法和装置。

背景技术

定位导航是实现机器人智能化的重要前提之一，是赋予机器人感知能力和行动能力的关键因素，具备定位导航技术的机器人能够对周围环境进行分析、判断和选择，进而规划路径，移动到目标操作位置完成工作任务。

在机器人定位导航的过程中，一般会涉及到空间位置关系的转换，即需要在目标空间位置和机器人空间位置之间建立空间关系。建立空间关系后，机器人通过移动到达由空间关系确定的目标所在位置，从而完成后续的工作。因此，根据所建立空间关系确定的目标所在位置的精准度对于机器人的定位导航技术起着非常重要的作用，影响到机器人完成工作任务的工作质量。

使用传感器作为中间介质来建立目标空间位置和机器人空间位置之间的空间关系是比较常见的，比如已有技术中，常用摄像头作为中间介质来建立机器人和目标之间的空间关系。在建立机器人和目标的空间关系过程中，建立机器人和摄像头之间的空间关系是一个重要步骤。目前在建立机器人和摄像头空间关系的过程中采用的是三点法，即在机器人的机械臂末端设置三个固定且不共线的定位点，通过摄像头得到这三个定位点的图像，从而确定这三个定位点在摄像头坐标系中的坐标，同时由于这三个定位点是设置在机器人的机械臂末端上的，因此这三个定位点在机械臂坐标系(或称为机器人坐标系)中的坐标也可以确定，如此，就可以通过这三个定位点确定机械臂坐标系和摄像头坐标系之间的空间转换关系。

对于上述方案，由于传感器不能移动，加之机械臂末端因为负载重量、运动路径、作业环境等限制因素，机械臂末端的体积往往不会设计的很大，这些因素使得上述三个定位点之间的位置距离较近，一方面，传感器的识别精度有限，造成传感器识别困难甚至无法识别，若使用精度非常高的传感器又会增加设备成本；另一方面，定位点在机械臂末端上的装配位置误差等也会带入到空间关系的建立过程中，而建立空间关系时利用到机械臂末端上定位点的数量越多，带来的误差也会越大。仅这两个方面就能够给后续建立的空间关系带来较大的误差，从而影响到机器人的定位精度及完成工作任务的质量。

发明内容

本申请实施例解决的技术问题之一在于提供一种机器人的空间坐标系转换关系的确定方法，该方法通过利用机器人的机械臂末端上的一个定位点，得到传感器能够识别到的至少三个空间参考点，并根据所得到的至少三个空间参考点在机械臂坐标系和传感器坐标系中的坐标，确定机械臂坐标系和传感器坐标系的转换关系。

一方面，本发明实施例提供了一种机器人空间坐标系转换关系的确定方法，包括根据机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个空间参考点；确定所述至少三个空间参考点中，每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标；根据所述每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系。

可选地，根据机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个空间参考点的步骤为：在所述传感器的识别范围内移动机械臂末端，得到至少三个不共线的空间参考点。

可选地，根据机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个空间参考点的步骤具体为：在所述传感器的识别范围内移动机械臂末端，得到四个不共面的空间参考点。

可选地，根据所述每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系的步骤为：以所述四个空间参考点中的一个点作为原点，并以所述原点与其它三个空间参考点的连线为坐标轴，建立仿射坐标系；根据所述每个空间参考点在所述传感器坐标系中的坐标和所述仿射坐标系，建立所述传感器坐标系与所述仿射坐标系之间的第一空间关系，并根据所述每个空间参考点在所述机械臂坐标系中的坐标和所述仿射坐标系，建立所述机械臂坐标系与所述仿射坐标系之间的第二空间关系；根据所述第一空间关系和所述第二空间关系，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系。

可选地，所述四个空间参考点之间的连线组成的图形为四面体。

可选地，目标对象位于所述四面体中。

另一方面，本申请实施例还提供了一种机器人空间坐标系转换关系的确定装置，包括空间参考点获取模块，用于根据机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个空间参考点；坐标确定模块，用于确定所述至少三个空间参考点中，每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标；确定转换关系模块，用于根据所述每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系。

可选地，所述空间参考点获取模块具体用于：在所述传感器的识别范围内移动机械臂末端，得到至少三个不共线的空间参考点。

可选地，所述空间参考点获取模块还可以具体用于：在所述传感器的识别范围内移动机械臂末端，得到四个不共面的空间参考点。

由以上技术方案可见，本申请实施例提供的一种机器人空间坐标系转换关系的确定方法和装置，可仅根据机器人的机械臂末端上的一个定位点确定机械臂坐标系和传感器坐标系之间的空间关系，与现有技术中在机械臂末端设置至少三个定位点来确定机械臂坐标系和传感器坐标系之间空间关系的方案相比，一方面在降低了机械臂的负载，减小了机械臂末端的尺寸和重量的同时，降低了对传感器识别能力的要求；另一方面避免了现有技术中由于旷量等因素的存在，如果机械臂在某一特定位姿下存在较大的定位误差，则会导致处于该位姿时的机械臂末端上设置的三个定位点在机械臂坐标系下存在较大误差的情况，本申请实施例能够很好地控制误差的波动范围，提高了定位精度。

附图说明

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，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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机器人空间坐标系转换关系的确定方法流程示意图；

图2为本申请实施例提供的机器人空间坐标系转换关系的确定装置结构示意图；

图3为本申请实施例的机械臂和传感器示意图。

具体实施方式

当然，实施本发明实施例的任一技术方案不一定需要同时达到以上的所有优点。

为了使本领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

本申请实施例提供了一种建立机器人和传感器之间空间关系的方法，如图1所示为机器人和传感器之间空间坐标系转换关系确定方法的流程示意图。实际操作过程中，要想在机器人和传感器之间建立空间关系，必须使得传感器能够感应到机械臂坐标系中至少三个不共线的点，因此，如图1所示，本申请实施例提供的空间坐标系转换关系的确定方法包括：

S100：根据机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个空间参考点。

具体地，利用机器人的机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个用于建立坐标系之间转换关系的空间参考点。

需要说明的是，本申请实施例提到的传感器可以是图像传感器，可以是电磁传感器，也可以是红外传感器，定位点也可以是对应的光学定位点，电磁定位点，或是红外定位点，在此不对传感器的类别作出限定，只要传感器可以识别到定位点即可。

可选地，根据机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个空间参考点的步骤为：在所述传感器的识别范围内移动机械臂末端，得到至少三个不共线的空间参考点。

这里可以是在传感器的识别范围内，移动机器人的机械臂末端到至少三个不同的位置，利用机器人的机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个不共线的空间参考点。此处可以从多个空间参考点中选取其中三个不共线的空间参考点。

由于只需要利用机械臂末端上的一个定位点，因此最少只需要在机械臂末端上设置一个定位点即可，这样也可以有效的减少机械臂末端的体积及重量。

进一步地，在所述传感器的识别范围内移动机械臂末端，得到四个不共面的空间参考点。

这里可以是在传感器的识别范围内，移动机器人的机械臂末端到至少四个不同的位置，利用机器人的机械臂末端上的一个定位点，得到四个不共面的空间参考点，此处可以从多个空间参考点中选取其中四个不共面的空间参考点。

当传感器为图像传感器，具体为摄像头时，在操作过程中，使得机械臂末端在摄像头的识别范围内移动即可。

S200：确定所述至少三个空间参考点中，每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标。

如图3所示为机器人的机械臂、机械臂末端和传感器之间位置关系的示意图，定位点(图中未示出)位于图中所示的机械臂末端上，由图中可以看出，通过在传感器识别范围内移动机械臂末端，就能得到至少三个不共线的空间参考点，通过每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标，就可以确定机械臂坐标系和传感器坐标系的转换关系。

由于空间参考点是利用机械臂末端上的一个定位点得到的，所以空间参考点是定位点在实际空间中的某个点位，利用传感器识别和机械臂自身位姿计算这个点位(即空间参考点)，分别获取每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标；

这里以四个空间参考点进行说明，具体实现过程中，当机械臂末端在传感器识别范围内移动，使定位点在实际空间中移动到W1位置时，根据此时机械臂的位姿，可以得到位于机械臂末端上的该定位点处于W1位置时在机械臂坐标系下的坐标，而通过传感器识别能够得到该定位点位于W1位置时的识别数据，因此也能得到W1位置下该定位点在传感器坐标系下的坐标。当机械臂末端移动到另一位置，即使该定位点在实际空间中移动到W2位置时，同样根据此时机械臂的位姿，得到位于机械臂末端上的该定位点处于W2位置时在机械臂坐标系下的坐标，以及根据传感器得到的该定位点位于W2时的识别数据，得到W2位置下该定位点在传感器坐标系下的坐标。以此类推，移动该定位点得到在实际空间中不共面的W1，W2，W3，W4共四个位置后，就能得到机械臂末端上该定位点在这四个位置时分别在机械臂坐标系下的坐标和在传感器坐标系下的坐标。

可选地，当在传感器的识别范围内，移动机器人的机械臂末端上的定位点到不同位置的位置个数大于四时，从移动到的所有位置中选择四个不共面的位置。

需要说明的是，根据机器人的机械臂末端上的定位点移动的某一个位置，比如位置W1，虽然可以确定在W1位置下定位点的两个坐标，即定位点在机械臂坐标系下的坐标和在传感器坐标下的坐标，但是其实这两个坐标对应的是实际空间中的一个点，即定位点在W1位置的空间参考点。在本申请实施例中，确定了定位点位于W1，W2，W3，W4共四个不共面的位置后，就可以根据这四个位置来建立仿射坐标系。

进一步地，以四个空间参考点中的任意一个点为原点，并以原点与其他三个空间参考点的连线为坐标轴，建立仿射坐标系。比如，以定位点在位置W3的空间参考点为原点，以W3W1，W3W2，W3W4共三条线为坐标轴建立仿射坐标系。

需要说明的是，组成仿射坐标系的四个空间参考点不能处于同一个平面内。

S300：根据所述每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标，确定机械臂坐标系和传感器坐标系的转换关系。

本实施例中，S300可以通过以下方式实现：

当得到的空间参考点的个数为三个时，可以运用现有的三角测量等方法确定机器人和传感器之间的空间关系，在此不作赘述。

当得到的空间参考点的个数为四个时，以所述四个空间参考点中的一个点作为原点，并以所述原点与其它三个空间参考点的连线为坐标轴，建立仿射坐标系；根据所述每个空间参考点在所述传感器坐标系中的坐标和所述仿射坐标系，建立所述传感器坐标系与所述仿射坐标系之间的第一空间关系，并根据所述每个空间参考点在所述机械臂坐标系中的坐标和所述仿射坐标系，建立所述机械臂坐标系与所述仿射坐标系之间的第二空间关系；根据所述第一空间关系和所述第二空间关系，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系。其中，在建立第一空间关系、第二空间关系及机械臂坐标系和传感器坐标系之间的转换关系时，可利用仿射变换或矩阵奇异值分解等算法。

进一步地，本申请实施例可以围绕目标对象选取用于建立仿射坐标系的四个空间参考点，由于四个空间参考点不在同一平面，因此四个空间参考点之间的连线组成的图形为四面体，为了进一步提高转换关系的精准度，在选取四个空间参考点的时候，可以使目标对象位于由这四个空间参考点组成的四面体中。

需要说明的是，本申请实施例的目标对象指的是机器人完成工作任务所针对的操作对象、待加工点或待加工区域等需要机器人进行处理的对象。

通过上述实施例可知，本申请通过移动机器人的机械臂来获取定位点不同位置所对应的机械臂坐标系下的坐标和传感器坐标下的坐标，并建立仿射坐标系，进而以仿射坐标系为中间转换介质确定机械臂坐标系和传感器坐标系之间的转换关系。由此可见，本申请实施例中，在机械臂的末端最少只需要设置一个定位点，就能通过移动机器人的机械臂，得到该定位点在不同位置下的坐标，进而完成机器人和传感器之间空间坐标系的转换，一方面有效减小了机械臂末端的尺寸和重量，降低了机械臂的负载，同时也降低了对传感器感应能力的要求；另一方面相比于现有技术的在机械臂末端上设置三个定位点的方案中，若机械臂在某一特定位姿下存在较大的定位误差而导致的机械臂末端上设置的三个定位点都会存在较大误差的情况，本申请实施例能够很好地控制误差的波动范围，提高了定位精度。

基于相同的发明构思，如图2所示，本申请实施例还提供了一种机器人空间坐标系转换关系的确定装置，包括：

空间参考点获取模块201，用于根据机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个空间参考点；

坐标确定模块202，用于确定所述至少三个空间参考点中，每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标；

确定转换关系模块203，用于根据所述每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系。

可选地，空间参考点模块201可具体用于在传感器的识别范围内移动机械臂末端，得到至少三个不共线的空间参考点。

可选地，空间参考点模块201还可具体用于在传感器的识别范围内移动机械臂末端，得到四个不共面的空间参考点。

本实施例中，空间参考点获取模块201、坐标确定模块202、确定转换关系模块203可以执行上述方法实施例中对应的优选步骤。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独处理，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，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)执行本发明各个实施例方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：根据机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个空间参考点；

确定所述至少三个空间参考点中，每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标；

根据所述每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系。

2.根据权利要求1所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，根据机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个空间参考点的步骤为：在所述传感器的识别范围内移动机械臂末端，得到至少三个不共线的空间参考点。

3.根据权利要求1所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，所述根据机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个空间参考点的步骤具体为：

在所述传感器的识别范围内移动机械臂末端，得到四个不共面的空间参考点。

4.根据权利要求3所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，所述根据所述每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系的步骤为：

以所述四个空间参考点中的一个点作为原点，并以所述原点与其它三个空间参考点的连线为坐标轴，建立仿射坐标系；

根据所述每个空间参考点在所述传感器坐标系中的坐标和所述仿射坐标系，建立所述传感器坐标系与所述仿射坐标系之间的第一空间关系，并根据所述每个空间参考点在所述机械臂坐标系中的坐标和所述仿射坐标系，建立所述机械臂坐标系与所述仿射坐标系之间的第二空间关系；

根据所述第一空间关系和所述第二空间关系，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系。

5.根据权利要求3所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，所述四个空间参考点之间的连线组成的图形为四面体。

6.根据权利要求5所述的机器人空间坐标系转换关系的确定方法，其特征在于，目标对象位于所述四面体中。

7.一种机器人空间坐标系转换关系的确定装置，其特征在于，包括：

空间参考点获取模块，用于根据机械臂末端上的一个定位点，得到至少三个空间参考点；

坐标确定模块，用于确定所述至少三个空间参考点中，每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标；

确定转换关系模块，用于根据所述每个空间参考点在传感器坐标系中的坐标和在机械臂坐标系中的坐标，确定所述机械臂坐标系和所述传感器坐标系的转换关系。

8.根据权利要求7所述的一种机器人空间坐标系转换关系的确定装置，其特征在于，所述空间参考点获取模块具体用于：

在所述传感器的识别范围内移动机械臂末端，得到至少三个不共线的空间参考点。

9.根据权利要求7所述的一种机器人空间坐标系转换关系的确定装置，其特征在于，所述空间参考点获取模块具体用于：

在所述传感器的识别范围内移动机械臂末端，得到四个不共面的空间参考点。