CN111409067B - 一种机器人用户坐标系自动标定***及其标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人领域，公开了一种机器人用户坐标自动标定***及其标定方法，标定***包括设置在机器人上的非接触式测量的位移传感器、设置在待建立用户坐标系的工件上且位于位移传感器测量范围内的标定块以及与位移传感器和机器人通信连接的计算机，标定块表面至少包括三个相互垂直的表面。标定方法步骤为：安装布置机器人用户坐标自动标定***；建立机器人坐标系；机器人执行测量动作，计算机记录位移传感器的测量结果及对应各测量位置的机器人位置与姿态信息；计算机根据测量结果计算标定结果，完成对用户坐标的标定。本发明标定过程可以在计算机的控制下自动进行，不会产生人为误差，标定精度和效率高；且适用于任何形状的工件的标定。

Description

一种机器人用户坐标系自动标定***及其标定方法
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种机器人用户坐标系自动标定***及其标定方法。
背景技术
机器人在工作过程中，为了更好的完成工作内容，通常会在***作的工件上建立坐标系，此坐标系称为用户坐标系，其原点位于工件上，而X、Y、Z坐标轴的方向则根据具体需求确定。由于用户坐标系的位置与姿态精度直接影响机器人末端执行器与工件的相对位姿，进而影响机器人对工件执行操作的精度，所以准确的建立机器人用户坐标十分必要。
目前，机器人用户坐标多利用尖锥等机械标定工具基于三点法进行标定，例如，在中国专利文献上公开的“一种基于三点标定法的单轴变位机标定方法”，其公告号CN109048887A，包括步骤：步骤1、进行目标标定点的选取，获得单轴变位机的转角均为0°时机器人末端尖锥TCP点运动至位机工作台表面上标定特征点P时相对于机器人基坐标系{B}的位置矢量，以及，单轴变位机旋转轴正、反向转动一定角度后标定特征点P对应的位置矢量和；步骤2、根据所得的三个位置矢量、和进行矩阵关系计算，得到单轴变位机两轴的相对位置关系和它们相对于机器人基坐标系{B}的位姿。
但使用传统的三点法标定用户坐标时不仅存在观察误差，且标定效率较低，影响标定的精度和效率。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中传统的三点法标定机器人户坐标时不仅存在观察误差，且标定效率较低，影响标定的精度和效率的问题，提供一种机器人用户坐标系自动标定***及其标定方法，通过机器人带动位移传感器在标定块的三个相互垂直的表面取点测量，然后计算机通过测量数据完成对固结在标定块上原点位于标定块角点且三个坐标轴与标定块棱重合的用户坐标系的标定，可以实现自动取点测量，标定精度和效率高。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种机器人用户坐标系自动标定***，包括设置在机器人上的非接触式测量的位移传感器、设置在待建立用户坐标系的工件上且位于位移传感器测量范围内的标定块以及与位移传感器和机器人通信连接的计算机，所述标定块表面至少包括三个相互垂直的表面。
本发明在待建立用户坐标系的工件上设置标定块，标定时通过机器人带动位移传感器在标定块附近移动，并在标定块三个互相垂直的平面上分别取一组包括至少三个测量位点的测量位置，在此过程中计算机可与机器人通讯，控制机器人执行指定动作，读取机器人位置及姿态信息，同时计算机亦能与位移传感器进行通信，获取位移传感器的测量结果，在完成指定测量动作之后，计算机将根据采集到的位移传感器测量信息及机器人位姿信息通过本发明提出的机器人用户坐标自动标定方法完成对用户坐标的标定。标定时只需将位移传感器安装在机器人上，将标定块固定在待建立用户坐标系的工件上，然后将计算机分别与机器人和位移传感器建立通信连接，标定过程即可以在计算机的控制下自动进行，不会产生人为误差，标定精度高；且标定用时短，标定效率高。
作为优选，机器人为工业机器人，所述工业机器人的末端执行机构上设有安装法兰，所述位移传感器通过传感器安装支架与所述安装法兰连接。位移传感器通过传感器安装支架安装在机器人的安装法兰上，方便传感器拆卸和调整传感器位置。
作为优选，传感器安装支架包括两个互相垂直的安装面，截面呈L型，其中一个安装面与安装法兰连接，另一个安装面与位移传感器连接。
作为优选，标定块通过磁性、胶粘剂或与待建立用户坐标系的工件上相匹配的安装结构与工件固定连接。
本发明还公开了一种使用上述自动标定***的用户坐标系标定方法，包括如下步骤：
（1）安装布置机器人用户坐标系自动标定***；
（2）建立机器人坐标系；
（3）机器人执行测量动作，计算机记录位移传感器的测量结果及对应各测量位置的机器人位置与姿态信息：机器人带动位移传感器移动并分别遍历三组测量位置，每组测量位置包括至少三个不共线的测量位点，位移传感器在三组测量位置中的各测量位点时，测量方向分别平行于机器人坐标系的Z、Y、X轴；
（4）计算机根据测量结果计算标定结果，完成对用户坐标系的标定。
作为优选，步骤（2）中建立机器人坐标系时，规定机器人底座上带电缆插座的方向为后，机器人坐标系X轴正方向向前，Z轴正方向向上，Y轴正方向通过右手定则确定。
作为优选，步骤（4）中计算机先根据步骤（3）测量结果拟合出各组测量位置所在的标定块表面在机器人坐标系下的平面方程，然后对三个平面方程两两求交，可以得到三个平面在空间中相互垂直的三条交线在机器人坐标系下的直线方程，即标定块三个相互垂直表面相交所形成的棱在机器人坐标下的直线方程，从而完成原点位于标定块角点且三个坐标轴与标定块棱重合的用户坐标系的标定。
作为优选，当每组测量位置中的测量位点个数多于3的时候，采用最小二乘法拟合出平面方程。
本发明通过安装在待建立用户坐标系的工件上的标定块的三个互相垂直的平面进行用户坐标系的标定，可用于任何形状的工件的标定。标定时位移传感器在标定块三个互相垂直的平面上分别取一组包括至少三个不共线的测量位点的测量位置，计算机根据测量结果得到各组测量位置中的各测量位点在机器人坐标系中的坐标，再根据各坐标分别拟合出三个面的方程，然后再通过两两求交，得到标定块三条互相垂直的棱在机器人坐标系下的直线方程，三条直线的交点即为用户坐标系原点，用户坐标系标定完成。使用此方法对用户坐标进行标定，位移传感器可以在机器人的带动下自动取点测量，且取点位置灵活，测量精确且效率高；计算机对平面和拟合以及坐标系的计算精确度高，排除了人为误差，操作便捷，标定结果准确可靠。
因此，本发明具有如下有益效果：
（1）标定过程可以在计算机的控制下自动进行，不会产生人为误差，标定精度和效率高；
（2）每组测量位置中的测量位点取点位置灵活随机，降低测量难度，提高测量效率；计算机对平面和拟合以及坐标系的计算精确度高，标定结果准确可靠；
（3）用标定块对待标定用户坐标的工件进行标定，适用于任何形状的工件的标定，实用性强。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是位移传感器的安装示意图；
图3是测量第一组测量位置时的机器人位置示意图；
图4是测量第二组测量位置时的机器人位置示意图；
图5是测量第三组测量位置时的机器人位置示意图。
图中：1机器人、 101一轴、 102二轴、 103三轴、 104四轴、 105五轴、 106六轴、 2位移传感器、 3工件、 4标定块、 5计算机、 6安装法兰、 7传感器安装支架、 8工作台、 9第一测量位点、 10第二测量位点、 11第三测量位点、 12第四测量位点、 13第五测量位点、14第六测量位点、 15第七测量位点、 16第八测量位点、 17第九测量位点。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例：
如图1所示，一种机器人用户坐标自动标定***，包括设置在工业机器人1上的非接触式测量的激光位移传感器2、设置在待建立用户坐标系的工件3上且位于激光位移传感器测量范围内的正方体标定块4以及与激光位移传感器和机器人通信连接的计算机5。工业机器人为包括一轴101、二轴102、三轴103、四轴104、五轴105和六轴106的六轴机器人，机器人末端执行机构上设有安装法兰6，激光位移传感器通过传感器安装支架7与安装法兰连接。如图2所示，传感器安装支架包括两个互相垂直的安装面，截面呈L型，其中一个安装面与安装法兰通过螺栓连接，另一个安装面与激光位移传感器的侧面连接。待标定的工件放置在工作台8上，标定块通过胶粘剂粘在工件表面。
一种使用上述自动标定***的用户坐标标定方法，包括如下步骤：
（1）安装布置机器人用户坐标系自动标定***：将激光位移传感器通过传感器安装支架安装在机器人末端执行机构的法兰上，将待建立用户坐标系的工件放置在工作台上，并将标定块用胶粘剂粘在工件表面，然后将计算机分别与机器人和激光位移传感器建立通信连接；
（2）建立机器人坐标系：如图1所示，规定机器人底座上带电缆插座的方向为后，机器人坐标系X轴正方向向前，Z轴正方向向上，Y轴正方向通过右手定则确定，机器人坐标系原点位于机器人一轴轴线上，且在机器人二轴沿X轴负向移动与一轴的交点之上；
（3）机器人执行测量动作，计算机记录位移传感器的测量结果及对应各测量位置的机器人位置与姿态信息：
首先，如图3所示，机器人带动激光位移传感器遍历第一组测量位置，第一组测量位置包括不共线的三个测量位点，即：第一测量位点9、第二测量位点10、第三测量位点11，且激光位移传感器在各测量位点时，测量方向平行于机器人坐标系的Z轴，计算机在此过程中记录激光位移传感器的测量结果及对应测量位点的机器人位置与姿态信息；
然后，如图4所示，机器人带动激光位移传感器遍历第二组测量位置，第二组测量位置包括不共线的三个测量位点，即：第四测量位点12、第五测量位点13、第六测量位点14，且激光位移传感器在各测量位点时，测量方向平行于机器人坐标系的Y轴，计算机在此过程中记录激光位移传感器的测量结果及对应测量位点的机器人位置与姿态信息；
最后，如图5所示，机器人带动激光位移传感器遍历第三组测量位置，第三组测量位置包括不共线的三个测量位点，即：第七测量位点15、第八测量位点16、第九测量位点17，且激光位移传感器在各测量位点时，测量方向平行于机器人坐标系的X轴，计算机在此过程中记录激光位移传感器的测量结果及对应测量位点的机器人位置与姿态信息；
（4）计算机根据测量结果计算标定结果，完成对用户坐标系的标定：
计算机根据记录的激光位移传感器测量结果数据、对应测量数据的机器人位置与姿态信息、激光位移传感器的安装尺寸，可计算得到标定块表面上各测量点在机器人坐标系中的坐标，其中，第一测量位点坐标记为P1，第二测量位点坐标记为P2，依此类推。
对于第一组测量位置中各测量位点在机器人坐标系中的坐标P1、P2、P3，可确定第一组测量位置所在的标定块表面，即标定块上表面在机器人坐标系下的平面方程A1x+B1y+C1z+D1=0。对于第二组、第三组测量位置的坐标亦采用相同的方法，从而得到标定块另外两个测量表面在机器人坐标系下的平面方程A2x+B2y+C2z+D2=0和A3x+B3y+C3z+D3=0。（当每组测量点个数多于3的时候，需要采用最小二乘法拟合出平面方程）
对三个平面方程两两求交，联立A1x+B1y+C1z+D1=0与A2x+B2y+C2z+D2=0，可以得到第一组测量位置所在平面与第二组测量位置所在平面的交线，记为A12x+B12y+C12=0，联立A1x+B1y+C1z+D1=0与A3x+B3y+C3z+D3=0，可以得到第一组测量位置所在平面与第三组测量位置所在平面的交线，记为A13x+B13y+C13=0，联立A2x+B2y+C2z+D2=0与A3x+B3y+C3z+D3=0，可以得到第二组测量位置所在平面与第三组测量位置所在平面的交线，记为A23x+B23y+C23=0，联立A12x+B12y+C12=0，A13x+B13y+C13=0与A23x+B23y+C23=0，得到三条直线的交点，记为OU。
从而，可以将直线A12x+B12y+C12=0规定为用户坐标系X轴，且要求用户坐标系X轴正方向与机器人坐标系X轴正方向所成角度为锐角，将直线A13x+B13y+C13=0规定为用户坐标系Y轴，且要求用户坐标系Y轴正方向与机器人坐标系Y轴正方向所成角度为锐角，将直线A23x+B23y+C23=0规定为用户坐标系Z轴，且要求用户坐标系Z轴正方向与机器人坐标系Z轴负方向所成角度为锐角，用户坐标系原点为OU。至此，用户坐标系标定完成。
采用本发明中的标定***和标定方法，标定过程可以在计算机的控制下自动进行，不会产生人为误差，标定精度和效率高；每组测量位置中的测量位点取点位置灵活随机，降低测量难度，提高测量效率；计算机对平面和拟合以及坐标系的计算精确度高，标定结果准确可靠；且适用于任何形状的工件的标定，实用性强。

Claims (6)

1.一种使用自动标定***的机器人用户坐标系标定方法，其特征是，所述自动标定***包括设置在机器人（1）上的非接触式测量的位移传感器（2）、设置在待建立用户坐标系的工件（3）上且位于位移传感器测量范围内的标定块（4）以及与位移传感器和机器人通信连接的计算机（5），所述标定块表面至少包括三个相互垂直的表面；
标定方法包括如下步骤：
（1）安装布置机器人用户坐标系自动标定***；
（2）建立机器人坐标系；
（3）机器人执行测量动作，计算机记录位移传感器的测量结果及对应各测量位置的机器人位置与姿态信息：机器人带动位移传感器移动并分别遍历三组测量位置，每组测量位置包括至少三个不共线的测量位点，位移传感器在三组测量位置中的各测量位点时，测量方向分别平行于机器人坐标系的Z、Y、X轴；
（4）计算机先根据步骤（3）测量结果拟合出各组测量位置所在的标定块表面在机器人坐标系下的平面方程，然后对三个平面方程两两求交，可以得到三个平面在空间中相互垂直的三条交线在机器人坐标系下的直线方程，即标定块三个相互垂直表面相交所形成的棱在机器人坐标系下的直线方程，从而完成原点位于标定块角点且三个坐标轴与标定块棱重合的用户坐标系的标定。
2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征是，所述机器人为工业机器人，所述工业机器人的末端执行机构上设有安装法兰（6），所述位移传感器通过传感器安装支架（7）与所述安装法兰连接。
3.根据权利要求2所述的标定方法，其特征是，所述传感器安装支架包括两个互相垂直的安装面，截面呈L型，其中一个安装面与安装法兰连接，另一个安装面与位移传感器连接。
4.根据权利要求1所述的标定方法，其特征是，所述标定块通过磁性、胶粘剂或与待建立用户坐标系的工件上相匹配的安装结构与工件固定连接。
5.根据权利要求1所述的标定方法，其特征是，步骤（2）中建立机器人坐标系时，规定机器人底座上带电缆插座的方向为后，机器人坐标系X轴正方向向前，Z轴正方向向上，Y轴正方向通过右手定则确定。
6.根据权利要求1所述的标定方法，其特征是，当每组测量位置中的测量位点个数多于3的时候，采用最小二乘法拟合出平面方程。
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