CN110370272B - 一种基于垂直反射的机器人tcp标定*** - Google Patents

一种基于垂直反射的机器人tcp标定*** Download PDF

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CN110370272B CN201910539099.5A CN201910539099A CN110370272B CN 110370272 B CN110370272 B CN 110370272B CN 201910539099 A CN201910539099 A CN 201910539099A CN 110370272 B CN110370272 B CN 110370272B
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Abstract

本发明公开了一种基于垂直反射的机器人TCP标定***，以双目视觉***、机器人和作业工具结合作业，以平面镜作为辅助工具，利用机器人运动学和空间坐标变换的关系，对空间固定点进行多次测量，确立出手眼关系，在对作业工具的末端圆形靶点进行检测，通过坐标变换关系以及平面镜成像对称性的特点，以完成TCP的标定。本发明的TCP标定***，本***区别于接触式标定***，无碰撞风险，安全系数高。

Description

一种基于垂直反射的机器人TCP标定***
技术领域
本发明涉及智能制造领域，特别是涉及一种基于垂直反射的机器人TCP标定***。
背景技术
在工业4.0的背景下，双目视觉***辅助机器人自主作业已成常态。以焊接为例，双目视觉***可以对焊缝进行实时追踪识别，有助于提高焊接质量和焊接效率。作业工具的作业点(TCP)的标定精度直接影响实际的作业质量。而传统的示教接触式TCP标定方法存在低效、碰撞等问题，已不能满足当前作业需求，低成本、高效、安全的标定方法对工业生产具有重要意义。
因此本领域技术人员致力于开发一种安全系数高的基于垂直反射的机器人 TCP标定***。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种安全系数高的基于垂直反射的机器人TCP***。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于垂直反射的机器人TCP标定***，包括机器人、平面镜和双目视觉***，所述双目视觉***包括两台摄像机，两台所述摄像机分别设置在所述机器人的末端两侧，所述平面镜设置在所述双目视觉***的摄像范围内。
较佳的，两台所述摄像机通过连接支架固定在作业工具上，两台所述摄像机分别固定设置在所述连接支架的两端。
较佳的，还包括逻辑运算模块和数据采集模块，所述数据采集模块设置在所述逻辑运算模块和双目视觉***之间，所述数据采集模块用于采集双目视觉***测量的测量值，所述数据采集模块将采集到的数据传送给所述逻辑运算模块。
较佳的，所述逻辑运算模块包括人眼关系逻辑运算模块和TCP标定逻辑运算模块，所述人眼关系逻辑运算模块通过机器人运动学和空间坐标变换来确定双目视觉***坐标系{C}相对于机器人末端坐标系{E}的变换矩阵
Figure GDA0003077444840000021
Figure GDA0003077444840000022
为机器人手眼关系；所述TCP标定逻辑运算模块通过求得的机器人手眼关系
Figure GDA0003077444840000023
来完成作业工具末端TCP的标定。
较佳的，确定所述机器人手眼关系
Figure GDA0003077444840000024
流程如下：
(S101)建立机器人手眼关系为
Figure GDA0003077444840000025
其中，RC为机器人末端坐标系{E}和双目视觉***坐标系{C}转换的旋转矩阵且为定值；TC为机器人末端坐标系{E}和双目视觉***坐标系{C}转换的平移向量且为定值；
(S102)在工作平台上设置第一圆形靶点，第一圆形靶点为固定点，所述机器人末端姿态保持不变，所述机器人做线性运动，所述机器人末端依次运动到多个位置并对所述第一圆形靶点进行测量；
(S103)依次控制所述机器人做变位姿运动到多个位置并在双目视觉***坐标系{C}下对所述第一圆形靶点进行测量；
(S104)将步骤(S102)和步骤(S103)对所述第一圆形靶点的测量值通过机器人运动学和空间坐标变换的关系计算得出RC和TC，即标定出机器人手眼关系
Figure GDA0003077444840000031
较佳的，所述人眼关系逻辑运算模块中的机器人运动学和空间坐标变换逻辑运算包括：
(B1)建立机器人末端坐标系{E}相对于机器人基坐标{B}的变换矩阵
Figure GDA0003077444840000032
其中，R为机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的旋转矩阵，由于所述机器人做线性运动过程中，机器人末端姿态是保持不变的，即R 不变，R为定值；T为机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的平移向量；
由坐标转换公式可得：
Figure GDA0003077444840000033
展开得到：
Figure GDA0003077444840000034
Pc的坐标值可由双目视觉***测量得到；
其中，Pc为所述第一圆形靶点在双目视觉***坐标系{C}下的坐标；
Pb为所述第一圆形靶点在机器人基坐标{B}下的坐标，Pb为定值；
Figure GDA0003077444840000035
和
Figure GDA0003077444840000036
分别为Pc和Pb转换的转置矩阵；
(B2)由于在步骤(S102)中，所述机器人末端姿态保持不变，所述机器人末端依次运动到多个位置，选取两个位置，在双目视觉***坐标系{C}下得到第一圆形靶点的测量值
Figure GDA0003077444840000037
和
Figure GDA0003077444840000038
分别代入公式(a1)，可以建立以下方程：
Figure GDA0003077444840000041
两式相减可得：
Figure GDA0003077444840000042
因为R为正交矩阵，上式可变为：
Figure GDA0003077444840000043
依次进行四次测量所述第一圆形靶点在双目视觉***坐标系{C}下不同的位置参数，得到第一圆形靶点的测量值
Figure GDA0003077444840000044
和
Figure GDA0003077444840000045
并代公式(a2)中，可得：
Figure GDA0003077444840000046
即RcA＝b；
可得出，
Figure GDA0003077444840000047
b＝RT[T1-T2 T2-T3 T3-T4]；
利用矩阵奇异值分解求解可得RC；
其中，
Figure GDA0003077444840000048
和
Figure GDA0003077444840000049
分别为第一圆形靶点在双目视觉***坐标系{C} 下的坐标；
Figure GDA00030774448400000410
和
Figure GDA00030774448400000411
分别为
Figure GDA00030774448400000412
和
Figure GDA00030774448400000413
的转置矩阵；
T1、T2、T3和T4分别为所述机器人运动时不同位置下机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的平移向量；
(B3)由于在步骤(S103)中，所述第一圆形靶点在双目视觉***坐标系 {C}下的坐标值随着机器人做变位姿运动变化而变化，选取两个移动位置，得到第一圆形靶点的测量值
Figure GDA00030774448400000414
和
Figure GDA00030774448400000415
建立以下方程：
Figure GDA0003077444840000051
两式相减，可得：
Figure GDA0003077444840000052
Figure GDA0003077444840000053
的值可以由双目视觉***测得，将上述已经求得的RC代入式中，求得TC，标定出手眼关系
Figure GDA0003077444840000054
其中，R11和R22分别为所述机器人变位姿运动时不同位置下机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的旋转矩阵；
T11和T22分别为所述机器人变位姿运动时不同位置下机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的平移向量；
Figure GDA0003077444840000055
和
Figure GDA0003077444840000056
分别为第一圆形靶点在双目视觉***坐标系{C}下的坐标；
Figure GDA0003077444840000057
和
Figure GDA0003077444840000058
分别为
Figure GDA0003077444840000059
和
Figure GDA00030774448400000510
的转置矩阵。
较佳的，作业工具末端的TCP标定的流程包括：
将平面镜放置在工作平台上，将第二圆形靶点粘贴于所述机器人末端的作业工具末端处，控制所述机器人将所述第二圆形靶点设置于所述平面镜上方，保持机器人末端垂直于所述平面镜。
较佳的，所述TCP标定逻辑运算模块的逻辑运算包括：
所述作业工具末端上的第二圆形靶点在所述平面镜里的点为投影点，通过双目视觉***测得投影点在双目视觉***坐标系{C}中的值，通过
Figure GDA00030774448400000511
可求得投影点在机器人末端坐标系{E}的值(x',y',z')；假设第二圆形靶点在机器人末端坐标系{E}的值为(x,y,z)；由垂直关系可得x＝x'，y＝y'；在所述工作平台上选取对称点，先求得对称点在机器人末端坐标系{E}下的Z轴坐标值zm，根据对称性可得z＝z'-2×(z'-zm)，最后求得第二圆形靶点在机器人末端坐标系{E}下的值，完成TCP的标定。
较佳的，还包括控制装置，所述机器人、所述逻辑运算模块、所述数据采集模块、所述机器人和所述双目视觉***均与所述控制装置连接。
本发明的有益效果是：本发明的基于垂直反射的机器人TCP标定***，无需额外的辅助标定设备，仅需要一面镜子，成本低廉，操作方便；本***区别于接触式标定***，无碰撞风险，安全系数高；仅需要控制机器人做四次运动即可完成TCP标定，实现了对TCP的快速精确标定,可满足实际工业生产中机器人末端工具参数的标定需求。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式基于垂直反射的机器人TCP标定***的结构示意图。
图2是图1的模块图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于垂直反射的机器人TCP标定方法，包括以下步骤：
(S1)在双目视觉***上建立双目视觉***坐标系{C}；在机器人末端6建立机器人末端坐标系{E}，确定双目视觉***坐标系{C}相对于机器人末端坐标系{E}的变换矩阵
Figure GDA0003077444840000061
Figure GDA0003077444840000062
为机器人手眼关系。
在本实施例中，在步骤(S1)中，具体步骤为：
(S101)确立机器人手眼关系为
Figure GDA0003077444840000063
其中，RC为机器人末端坐标系{E}和双目视觉***坐标系{C}转换的旋转矩阵且为定值；TC为机器人末端坐标系{E}和双目视觉***坐标系{C}转换的平移向量且为定值；在其他实施例中，双目视觉***坐标系{C}是以双目视觉***中的一个摄像机2建立的。
(S102)在工作平台上设置第一圆形靶点P，第一圆形靶点P为固定点，机器人末端6姿态保持不变，机器人1做线性运动，机器人末端6依次运动到多个位置并在双目视觉***坐标系{C}下对第一圆形靶点P进行测量；在本实施例中，第一圆形靶点P在工作平台上是固定不动的，控制机器人进行变位姿运动，双目视觉***坐标系{C}也是变化的，不同位置上的双目视觉***坐标系{C}是不同的，进而第一圆形靶点P的坐标值也是不同的。
(S103)依次控制机器人1做变位姿运动到多个位置并在双目视觉***坐标系{C}下对第一圆形靶点P进行测量。在本实施例中，机器人1的姿态和位置都会发生变化。
(S104)将步骤(S102)和步骤(S103)对第一圆形靶点P的测量值通过机器人运动学和空间坐标变换的关系计算得出RC和TC，标定出手眼关系
Figure GDA0003077444840000071
在本实施例中，在步骤(S104)中，具体包括以下步骤：
(B1)由坐标转换公式可得：
Figure GDA0003077444840000072
展开得到：
Figure GDA0003077444840000073
Pc的坐标值可由双目视觉***测量得到；
其中，Pc为第一圆形靶点P在双目视觉***坐标系{C}下的坐标；
Pb为第一圆形靶点P在机器人基坐标{B}下的坐标，Pb为定值；
Figure GDA0003077444840000081
和
Figure GDA0003077444840000082
分别为Pc和Pb转换的转置矩阵。
建立机器人末端坐标系{E}相对于机器人基坐标{B}的变换矩阵
Figure GDA0003077444840000083
其中，R为机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的旋转矩阵，由于机器人1做线性运动过程中，机器人末端6姿态是保持不变的，即R不变，R为定值； T为机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的平移向量。
(B2)由于在步骤(S102)中，所述机器人末端6姿态保持不变，所述机器人末端6依次运动到多个位置，选取两个位置，在双目视觉***坐标系{C}下得到第一圆形靶点(P)的测量值
Figure GDA0003077444840000084
和
Figure GDA0003077444840000085
分别代入公式(a1)，可以建立以下方程：
Figure GDA0003077444840000086
两式相减可得：
Figure GDA0003077444840000087
因为R为正交矩阵，上式可变为：
Figure GDA0003077444840000088
依次进行四次测量所述第一圆形靶点P在双目视觉***坐标系{C}下不同的位置参数，得到第一圆形靶点P的测量值
Figure GDA0003077444840000089
和
Figure GDA00030774448400000810
并代公式(a2) 中，可得：
Figure GDA00030774448400000811
即RcA＝b；
可得出，
Figure GDA0003077444840000091
b＝RT[T1-T2 T2-T3 T3-T4]；
利用矩阵奇异值分解求解可得RC；
其中，
Figure GDA0003077444840000092
和
Figure GDA0003077444840000093
分别为第一圆形靶点P在双目视觉***坐标系 {C}下的坐标；
Figure GDA0003077444840000094
和
Figure GDA0003077444840000095
分别为
Figure GDA0003077444840000096
和
Figure GDA0003077444840000097
的转置矩阵；
T1、T2、T3和T4分别为所述机器人1运动时不同位置下机器人基坐标{B} 和机器人末端坐标系{E}转换的平移向量。T1、T2、T3和T4分别为在测量
Figure GDA0003077444840000098
Figure GDA0003077444840000099
和
Figure GDA00030774448400000910
坐标值时机器人所处运动状态下机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的平移向量。
(B3)由于在步骤(S103)中，第一圆形靶点P在双目视觉***坐标系{C} 下的坐标值随着机器人做变位姿运动变化而变化，选取两个移动位置，得到第一圆形靶点(P)的测量值
Figure GDA00030774448400000911
和
Figure GDA00030774448400000912
建立以下方程：
Figure GDA00030774448400000916
两式相减，可得：
Figure GDA00030774448400000913
Figure GDA00030774448400000914
的值可以由双目视觉***测得，将上述已经求得的RC代入式中，求得TC，标定出手眼关系：
Figure GDA00030774448400000915
其中，R11和R22分别为所述机器人变位姿运动时不同位置下机器人基坐标 {B}和机器人末端坐标系{E}转换的旋转矩阵；R11和R22分别为在测量
Figure GDA00030774448400000917
和
Figure GDA0003077444840000101
坐标值时机器人所处运动状态下机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E} 转换的旋转矩阵；
T11和T22分别为所述机器人变位姿运动时不同位置下机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的平移向量；T11和T22分别为在测量
Figure GDA0003077444840000102
和
Figure GDA0003077444840000103
坐标值时机器人所处运动状态下机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的平移向量；
Figure GDA0003077444840000104
和
Figure GDA0003077444840000105
分别为第一圆形靶点P在双目视觉***坐标系{C}下的坐标；
Figure GDA0003077444840000106
和
Figure GDA0003077444840000107
分别为
Figure GDA0003077444840000108
和
Figure GDA0003077444840000109
的转置矩阵。
在本实施例中，由于双目视觉***坐标系{C}随着机器人做变位姿运动变化而变化，因此两次选取并测量第一圆形靶点P的双目视觉***坐标系{C}不同，由于第一圆形靶点P是固定不动的，因此第一圆形靶点P在不同的双目视觉***坐标系{C}下坐标值也不同。
(S2)将平面镜3放置在工作平台上，将第二圆形靶点Pa粘贴于机器人末端6的作业工具5末端处，控制机器人1将第二圆形靶点Pa设置于平面镜3上方，保持机器人末端6垂直于平面镜3，作业工具5末端上的第二圆形靶点Pa在平面镜3里的点为投影点P'a，通过双目视觉***测得投影点P'a在双目视觉***坐标系{C}中的值，通过
Figure GDA00030774448400001010
可求得投影点P'a在机器人末端坐标系{E}的值 (x',y',z')；然后根据平面镜3的镜面对称计算出第二圆形靶点Pa在机器人末端坐标系{E}下的值，完成TCP的标定。
在本实施例中，在步骤(S2)中，然后根据所述平面镜3的镜面对称计算出第二圆形靶点Pa在机器人末端坐标系{E}下的值，具体步骤包括：
假设第二圆形靶点Pa在机器人末端坐标系{E}的值为(x,y,z)；由垂直关系可得x＝x'，y＝y'；在所述工作平台上选取对称点Pm，先求得对称点Pm在机器人末端坐标系{E}下的Z轴坐标值zm，根据对称性可得z＝z'-2×(z'-zm)，最后求得点Pa在机器人末端坐标系{E}下的值。在某些实施例中，对称点Pm设置在第一圆形靶点P处，对称点Pm即为第一圆形靶点P,在其他实施例中，对称点 Pm也可以是在工作平台上第一圆形靶点P之外的点。
在某些实施例中，作业工具5例如为焊枪或其他工具，在此不作限定。
如图1和图2所示，本发明实施例还公开了本发明实施例公开了一种基于垂直反射的机器人TCP标定***，包括机器人1、平面镜3和双目视觉***，双目视觉***包括两台摄像机2，两台摄像机2分别设置在机器人1的末端两侧，平面镜3设置在双目视觉***的摄像范围内。
在本实施例中，两台摄像机2通过连接支架4固定在作业工具5上，两台摄像机2分别固定设置在连接支架4的两端。在本实施例中，作业工具5安装在机器人末端6上。在本实施例中，连接支架4为圆盘状，摄像机2嵌入连接支架4上的安装槽中，以使得摄像机2能被固定在连接支架4上。在某些实施例中，连接支架4与作业工具5一体制成。在其他实施例中，两台摄像机2通过连接支架4固定在机器人1上，两台摄像机2分别固定设置在连接支架4的两端。
在本实施例中，还包括逻辑运算模块和数据采集模块，数据采集模块设置在逻辑运算模块和双目视觉***之间，数据采集模块用于采集双目视觉***测量的测量值，数据采集模块将采集到的数据传送给逻辑运算模块。数据采集模块用于采集双目视觉***的测量值信号，并将测量值信号传送到逻辑运算模块进行计算。
在本实施例中，逻辑运算模块包括人眼关系逻辑运算模块和TCP标定逻辑运算模块，人眼关系逻辑运算模块通过机器人运动学和空间坐标变换来确定双目视觉***坐标系{C}相对于机器人末端坐标系{E}的变换矩阵
Figure GDA0003077444840000121
Figure GDA0003077444840000122
为机器人手眼关系；TCP标定逻辑运算模块通过求得的机器人手眼关系
Figure GDA0003077444840000123
来完成作业工具5末端TCP的标定。
在本实施例中，还包括控制装置，机器人1、逻辑运算模块、数据采集模块、机器人1和双目视觉***均与控制装置连接。控制模块用于驱动各个操作步骤中机器人的运动、数据采集模块的启动，双目视觉***测量以及逻辑运算模块的运算等装置的操作。
在本实施例中，确定机器人手眼关系
Figure GDA0003077444840000124
流程如下：
(S1)在双目视觉***上建立双目视觉***坐标系{C}；在机器人末端6建立机器人末端坐标系{E}，确定双目视觉***坐标系{C}相对于机器人末端坐标系{E}的变换矩阵
Figure GDA0003077444840000125
Figure GDA0003077444840000126
为机器人手眼关系。
在步骤(S1)中，具体包括如下步骤：
(S101)建立机器人手眼关系为
Figure GDA0003077444840000127
其中，RC为机器人末端坐标系{E}和双目视觉***坐标系{C}转换的旋转矩阵且为定值；TC为机器人末端坐标系{E}和双目视觉***坐标系{C}转换的平移向量且为定值；在其他实施例中，双目视觉***坐标系{C}是以双目视觉***中的一个摄像机2建立的。
(S102)在工作平台上设置第一圆形靶点P，第一圆形靶点为固定点，机器人末端6姿态保持不变，机器人1做线性运动，机器人末端6依次运动到多个位置并对第一圆形靶点P进行测量；在本实施例中，第一圆形靶点P在工作平台上是固定不动的，控制机器人进行变位姿运动，双目视觉***坐标系{C}也是变化的，不同位置上的双目视觉***坐标系{C}是不同的，进而第一圆形靶点P 的坐标值也是不同的。
(S103)依次控制机器人1做变位姿运动到多个位置并在双目视觉***坐标系{C}下对第一圆形靶点P进行测量；在本实施例中，机器人1的姿态和位置都会发生变化。
(S104)将步骤(S102)和步骤(S103)对第一圆形靶点P的测量值通过机器人运动学和空间坐标变换的关系计算得出RC和TC，即标定出机器人手眼关系
Figure GDA0003077444840000131
在本实施例中，人眼关系逻辑运算模块中的机器人运动学和空间坐标变换逻辑运算包括：
(B1)建立机器人末端坐标系{E}相对于机器人基坐标{B}的变换矩阵
Figure GDA0003077444840000132
其中，R为机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的旋转矩阵，由于机器人1做线性运动过程中，机器人末端6姿态是保持不变的，即R 不变，R为定值；T为机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的平移向量；
由坐标转换公式可得：
Figure GDA0003077444840000133
展开得到：
Figure GDA0003077444840000134
Pc的坐标值可由双目视觉***测量得到；
其中，Pc为第一圆形靶点P在双目视觉***坐标系{C}下的坐标；
Pb为第一圆形靶点P在机器人基坐标{B}下的坐标，Pb为定值；
Figure GDA0003077444840000141
和
Figure GDA0003077444840000142
分别为Pc和Pb转换的转置矩阵；
(B2)由于在步骤(S102)中，机器人末端6姿态保持不变，机器人末端6 依次运动到多个位置，选取两个位置，在双目视觉***坐标系{C}下得到第一圆形靶点P的测量值
Figure GDA0003077444840000143
和
Figure GDA0003077444840000144
分别代入公式(a1)，可以建立以下方程：
Figure GDA0003077444840000145
两式相减可得：
Figure GDA0003077444840000146
因为R为正交矩阵，上式可变为：
Figure GDA00030774448400001411
依次进行四次测量第一圆形靶点P在双目视觉***坐标系{C}下不同的位置参数，得到第一圆形靶点P的测量值
Figure GDA0003077444840000147
和
Figure GDA0003077444840000148
并代公式(a2)中，可得：
Figure GDA0003077444840000149
即RcA＝b；
可得出，
Figure GDA00030774448400001410
b＝RT[T1-T2 T2-T3 T3-T4]；
利用矩阵奇异值分解求解可得RC。
(B3)由于在步骤(S103)中，第一圆形靶点(P)在双目视觉***坐标系 {C}下的坐标值随着机器人做变位姿运动变化而变化，选取两个移动位置，得到第一圆形靶点P的测量值
Figure GDA0003077444840000151
和
Figure GDA0003077444840000152
建立以下方程：
Figure GDA0003077444840000153
两式相减，可得：
Figure GDA0003077444840000154
Figure GDA0003077444840000155
的值可以由双目视觉***测得，将上述已经求得的RC代入式中，求得TC，标定出手眼关系
Figure GDA0003077444840000156
在本实施例中，作业工具5末端的TCP标定的流程包括：
将平面镜3放置在工作平台上，将第二圆形靶点Pa粘贴于机器人末端6的作业工具5末端处，控制机器人1将第二圆形靶点Pa设置于平面镜3上方，保持机器人末端6垂直于平面镜3。
在本实施例中，TCP标定逻辑运算模块的逻辑运算包括：
作业工具5末端上的第二圆形靶点Pa在平面镜3里的点为投影点P'a，通过双目视觉***测得投影点P'a在双目视觉***坐标系{C}中的值，通过
Figure GDA0003077444840000157
可求得投影点P'a在机器人末端坐标系{E}的值(x',y',z')；然后根据平面镜3的镜面对称计算出第二圆形靶点Pa在机器人末端坐标系{E}下的值，完成TCP的标定。
在本实施例中，在TCP标定逻辑运算模块的逻辑运算的过程中，然后根据所述平面镜3的镜面对称计算出第二圆形靶点Pa在机器人末端坐标系{E}下的值，具体步骤包括：
假设第二圆形靶点Pa在机器人末端坐标系{E}的值为(x,y,z)；由垂直关系可得x＝x'，y＝y'；在工作平台上选取对称点Pm，先求得对称点Pm在机器人末端坐标系{E}下的Z轴坐标值zm，根据对称性可得z＝z'-2×(z'-zm)，最后求得第二圆形靶点Pa在机器人末端坐标系{E}下的值，完成TCP的标定。在某些实施例中，对称点Pm设置在第一圆形靶点P处，对称点Pm即为第一圆形靶点P,在其他实施例中，对称点Pm也可以是在工作平台上第一圆形靶点P之外的点。
本发明的基于垂直反射的机器人TCP标定方法及***，是一种以手眼关系为基础，基于垂直反射的TCP标定方法及***。通过求得机器人末端坐标系{E} 和摄像机坐标系{C}之间的坐标转换关系
Figure GDA0003077444840000161
实现TCP的快速准确标定。如图1 所示，设机器人基坐标系为{B}，机器人末端坐标系为{E}，双目视觉***坐标系为{C}，摄像机视觉范围内水平平台上固定第一圆形靶点P，其在坐标系{C} 下的坐标为Pc，在基坐标系{B}下的坐标为Pb，且Pb为定值。
Figure GDA0003077444840000162
为机器人末端坐标系{E}和基坐标系{B}之间的转换关系；
Figure GDA0003077444840000163
为双目视觉***坐标系{C}和机器人末端坐标系{E}之间的转换关系，即手眼关系。控制机器人携带摄像机对点P进行多次变化测量，利用固定点约束，即可确定出
Figure GDA0003077444840000164
将平面镜放置于平台之上，并将圆形靶点粘贴于作业工具5末端，然后控制机器人作线性运动至镜面上方 (保持机器人末端6垂直于镜面)，由双目视觉***可测得投影点Pa'在双目视觉***坐标系{C}的值，由
Figure GDA0003077444840000165
可求得点Pa'在机器人末端坐标系{E}的值(x',y',z')。根据对称性关系可计算出Pa在机器人末端坐标系{E}下的值，完成TCP标定。
本发明的基于垂直反射的机器人TCP标定方法及***，无需额外的辅助标定设备，仅需要一面镜子，成本低廉，操作方便；仅需要控制机器人做四次运动即可完成TCP标定，实现了快速精确标定,可满足实际工业生产中机器人末端工具参数的标定需求；本方法区别于接触式标定方法，无碰撞风险，安全系数高。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于垂直反射的机器人TCP标定***，其特征是：包括机器人(1)、平面镜(3)和双目视觉***，所述双目视觉***包括两台摄像机(2)，两台所述摄像机(2)分别设置在所述机器人末端(6)两侧，所述平面镜(3)设置在所述双目视觉***的摄像范围内，还包括逻辑运算模块和数据采集模块，所述数据采集模块设置在所述逻辑运算模块和双目视觉***之间，所述数据采集模块用于采集双目视觉***测量的测量值，所述数据采集模块将采集到的数据传送给所述逻辑运算模块，所述逻辑运算模块包括人眼关系逻辑运算模块和TCP标定逻辑运算模块，所述人眼关系逻辑运算模块通过机器人运动学和空间坐标变换来确定双目视觉***坐标系{C}相对于机器人末端坐标系{E}的变换矩阵
Figure FDA0003077444830000011
为机器人手眼关系；所述TCP标定逻辑运算模块通过求得的机器人手眼关系
Figure FDA0003077444830000012
来完成作业工具(5)末端TCP的标定；确定所述机器人手眼关系
Figure FDA0003077444830000013
流程如下：
(S101)建立机器人手眼关系为
Figure FDA0003077444830000014
其中，RC为机器人末端坐标系{E}和双目视觉***坐标系{C}转换的旋转矩阵且为定值；TC为机器人末端坐标系{E}和双目视觉***坐标系{C}转换的平移向量且为定值；
(S102)在工作平台上设置第一圆形靶点(P)，第一圆形靶点为固定点，所述机器人末端(6)姿态保持不变，所述机器人(1)做线性运动，所述机器人末端(6)依次运动到多个位置并对所述第一圆形靶点(P)进行测量；
(S103)依次控制所述机器人(1)做变位姿运动到多个位置并在双目视觉***坐标系{C}下对所述第一圆形靶点P进行测量；
(S104)将步骤(S102)和步骤(S103)对所述第一圆形靶点(P)的测量值通过机器人运动学和空间坐标变换的关系计算得出RC和TC，即标定出机器人手眼关系
Figure FDA0003077444830000021
2.如权利要求1所述的基于垂直反射的机器人TCP标定***，其特征是：两台所述摄像机(2)通过连接支架(4)固定在作业工具(5)上，两台所述摄像机(2)分别固定设置在所述连接支架(4)的两端。
3.如权利要求1所述的基于垂直反射的机器人TCP标定***，其特征是：所述人眼关系逻辑运算模块中的机器人运动学和空间坐标变换逻辑运算包括：
(B1)建立机器人末端坐标系{E}相对于机器人基坐标{B}的变换矩阵
Figure FDA0003077444830000022
其中，R为机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的旋转矩阵，由于所述机器人(1)做线性运动过程中，机器人末端(6)姿态是保持不变的，即R不变，R为定值；T为机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的平移向量；
由坐标转换公式可得：
Figure FDA0003077444830000023
展开得到：
Figure FDA0003077444830000024
Pc的坐标值可由双目视觉***测量得到；
其中，Pc为所述第一圆形靶点P在双目视觉***坐标系{C}下的坐标；
Pb为所述第一圆形靶点P在机器人基坐标{B}下的坐标，Pb为定值；
Figure FDA0003077444830000031
和
Figure FDA0003077444830000032
分别为Pc和Pb转换的转置矩阵；
(B2)由于在步骤(S102)中，所述机器人末端(6)姿态保持不变，所述机器人末端(6)依次运动到多个位置，选取两个位置，在双目视觉***坐标系{C}下得到第一圆形靶点(P)的测量值
Figure FDA0003077444830000033
和
Figure FDA0003077444830000034
分别代入公式(a1)，可以建立以下方程：
Figure FDA0003077444830000035
两式相减可得：
Figure FDA0003077444830000036
因为R为正交矩阵，上式可变为：
Figure FDA0003077444830000037
依次进行四次测量所述第一圆形靶点(P)在双目视觉***坐标系{C}下不同的位置参数，得到第一圆形靶点(P)的测量值
Figure FDA0003077444830000038
和
Figure FDA0003077444830000039
并代公式(a2)中，可得：
Figure FDA00030774448300000310
即RcA＝b；
可得出，
Figure FDA00030774448300000311
b＝RT[T1-T2 T2-T3 T3-T4]；
利用矩阵奇异值分解求解可得RC；
其中，
Figure FDA00030774448300000312
和
Figure FDA00030774448300000313
分别为第一圆形靶点(P)在双目视觉***坐标系{C}下的坐标；
Figure FDA00030774448300000314
和
Figure FDA00030774448300000315
分别为
Figure FDA00030774448300000316
和
Figure FDA00030774448300000317
的转置矩阵；
T1、T2、T3和T4分别为所述机器人(1)运动时不同位置下机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的平移向量；
(B3)由于在步骤(S103)中，所述第一圆形靶点(P)在双目视觉***坐标系{C}下的坐标值随着机器人做变位姿运动变化而变化，选取两个移动位置，得到第一圆形靶点(P)的测量值
Figure FDA0003077444830000041
和
Figure FDA0003077444830000042
建立以下方程：
Figure FDA0003077444830000043
两式相减，可得：
Figure FDA0003077444830000044
Figure FDA0003077444830000045
的值可以由双目视觉***测得，将上述已经求得的RC代入式中，求得TC，标定出手眼关系
Figure FDA0003077444830000046
其中，R11和R22分别为所述机器人变位姿运动时不同位置下机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的旋转矩阵；
T11和T22分别为所述机器人变位姿运动时不同位置下机器人基坐标{B}和机器人末端坐标系{E}转换的平移向量；
Figure FDA0003077444830000047
和
Figure FDA0003077444830000048
分别为第一圆形靶点(P)在双目视觉***坐标系{C}下的坐标；
Figure FDA0003077444830000049
和
Figure FDA00030774448300000410
分别为
Figure FDA00030774448300000411
和
Figure FDA00030774448300000412
的转置矩阵。
4.如权利要求1所述的基于垂直反射的机器人TCP标定***，其特征是：作业工具(5)末端的TCP标定的流程包括：
将平面镜(3)放置在工作平台上，将第二圆形靶点(Pa)粘贴于所述机器人末端(6)的作业工具(5)末端处，控制所述机器人(1)将所述第二圆形靶点(Pa)设置于所述平面镜(3)上方，保持机器人末端(6)垂直于所述平面镜(3)。
5.如权利要求4所述的基于垂直反射的机器人TCP标定***，其特征是：
所述TCP标定逻辑运算模块的逻辑运算包括：
所述作业工具(5)末端上的第二圆形靶点(Pa)在所述平面镜(3)里的点为投影点(P'a)，通过双目视觉***测得投影点(P'a)在双目视觉***坐标系{C}中的值，通过
Figure FDA0003077444830000051
可求得投影点(P'a)在机器人末端坐标系{E}的值(x',y',z')；假设第二圆形靶点(Pa)在机器人末端坐标系{E}的值为(x,y,z)；由垂直关系可得x＝x'，y＝y'；在所述工作平台上选取对称点(Pm)，先求得对称点(Pm)在机器人末端坐标系{E}下的Z轴坐标值zm，根据对称性可得z＝z'-2×(z'-zm)，最后求得第二圆形靶点(Pa)在机器人末端坐标系{E}下的值，完成TCP的标定。
6.如权利要求1至5任一所述的基于垂直反射的机器人TCP标定***，其特征是：还包括控制装置，所述机器人(1)、所述逻辑运算模块、所述数据采集模块和所述双目视觉***均与所述控制装置连接。
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