CN113551593B - 一种用于涂胶机器人的线激光传感器标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于涂胶机器人的线激光传感器标定方法，其中线激光传感器固定于涂胶机器人末端上。为了能有效地感知环境，需要对线激光传感器进行标定，包括传感器手眼关系标定和旋转轴标定。方法的步骤是：手眼标定阶段：S1放置标定板；S2计算变换矩阵；S3放置扫描仪；S4测量并记录；S5再重复步骤S4n次；S6计算变换矩阵。旋转轴标定阶段：S7建立三维坐标系；S8确定扫描仪原点位置；S9移动扫描仪并重复步骤S8两次；S10求解圆锥顶点；S11估计底面圆心坐标；S12确定旋转轴。该方法简单易操作，可以减少标定的工作量和工作时间，能够在实际工作中得到应用。
Description
技术领域
本发明属于涂胶自动化技术领域，具体涉及一种用于涂胶机器人的线激光传感器标定方法。
背景技术
近年来，涂胶自动化技术的应用越来越广泛。特别是在汽车生产线上，机器人涂胶的实现不仅能够紧固车体上相同或不同的材料，优化产品结构，还能替代某些焊接、铆接工艺，美化车体，优化生产工艺，简化生产工序。线激光传感器由于测量精度高、测量速度快，在工业中广泛应用。在涂胶***中，线激光传感器通常固定于机器人的末端，用于检测和引导。
将线激光传感器固定于涂胶机器人末端上的方式是眼在手上(eye in hand)模式，传感器跟随机器人一起运动，为了将传感器检测的位置统一到机器人基坐标系下，需要对涂胶机器人传感器进行标定，其中包括两个重要的标定项：传感器手眼关系标定和旋转轴标定。为了更有效地感知环境，需要进行准确的标定。目前现有的标定过程不仅操作繁琐，对操作人员的要求高，而且整个过程耗费时间较长。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种用于涂胶机器人的线激光传感器标定方法，目的是简化标定流程，提高标定结果精度。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
传感器手眼标定的目的是在空间直角坐标系中计算传感器坐标系相对于世界坐标系的转换关系，从而将传感器获得的工件位置和姿态信息，转换成世界坐标下的位置和姿态；在传感器手眼标定的基础上，对传感器旋转轴标定需要在非标准空间直角坐标系，根据旋转方式可以建立相应的模型。
手眼标定阶段：
S1放置标定板：固定标定板到机械臂末端，保证标定板与机械臂末端法兰刚性连接，两者无相对运动，取标定板棱柱上一标记点M，作为末端工具坐标系的原点；
S2计算变换矩阵：机器人运动空间中选择合适的位置放置一个固定基准点，使用三点法标定M相对于机械臂末端法兰坐标系的相对位置，进而可以计算出点M在世界坐标系中的坐标位置；
S3放置扫描仪：固定二维激光扫描仪在机器人运动空间中任意位置；
S4通过示教器控制机械臂末端标定板移动到扫描仪可见范围内，使得激光线恰好落在标记点M上，记录此时扫描仪坐标系下的二维点云数据以及工具坐标系下点M此时的位置，提取所得二维点云数据的特征，并根据变换矩阵计算出标记点M在世界坐标系下的位置；
S5再重复步骤S4 n次，以不同的末端位姿移动点M落在传感器激光线的不同位置上；
S6计算变换矩阵：根据上述结果求解传感器手眼关系矩阵；
在传感器手眼标定的基础上，对传感器旋转轴标定需要在非标准空间直角坐标系，根据旋转方式可以建立相应的模型。
旋转轴标定阶段：
S7建立三维坐标系：建立三维空间内的扫描仪坐标系；
S8确定扫描仪原点位置：扫描仪位于某一位置，记录此时扫描仪原点位置，再通过手眼标定的结果，可得扫描仪在机器人基座标系空间中的位置，放置标定板于扫描仪测量范围内，记录此时x轴取值为0的坐标，再移动标定板一次并记录；
S9移动扫描仪并重复步骤S8两次，并记录数据；
S10求解圆锥顶点：将所记录点的坐标变换至机器人基座标系，求得扫描仪在每个位置所在直线方程，直线的交点为圆锥顶点；
S11估计底面圆心坐标：由扫描仪位置可得底面圆的圆心坐标；
S12确定旋转轴：由圆锥顶点、底面圆心坐标得到旋转轴所在直线；
进一步的技术方案是，所述步骤S4中提取所得二维点云数据的特征时，取棱柱的最高点作为特征点。
进一步的技术方案是，所述步骤S5中为达到较好的效果，需要至少记录5组点，即N≥5。
进一步的技术方案是，所述步骤S6使用最小二乘法和奇异值分解求解矩阵：
1.由步骤S4得到两组点：点云特征点和标记点M的位置集合，并计算两组点的中心；
2.计算两组点的中心向量；
3.计算协方差矩阵；
4.对矩阵进行奇异值分解；
5.计算平移向量；
6.计算变换矩阵。
进一步的技术方案是，所述步骤S7中对扫描仪的旋转方式建模成圆锥体结构。
进一步的技术方案是，所述步骤S7中的圆锥体模型，其中扫描仪原点在底面圆上旋转，扫描仪坐标系原点在圆锥的底面上。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：针对工业的涂胶应用场景中线激光传感器手眼标定和旋转轴标定费时费力且需要操作者具有一定的技术水平的问题，提出了一种简单的标定方法，该方法可以减少标定的工作量和工作时间，在实际工作中得到应用。
附图说明
图1为本发明一种用于涂胶机器人的线激光传感器标定方法流程图；
图2为本发明涂胶机器人示意图；
图3为机械臂末端工具示意图(正视图)；
图4为手眼标定装置(仰视图)模型示意图；
图5旋转轴标定模型示意图；
图中标记为：1、旋转装置；2、激光传感器；3、胶枪头；4、标定棱柱。
具体实施方式
本发明实施例如下，参照图1-图5，一种用于涂胶机器人的线激光传感器标定方法，包括如下步骤：
S1放置标定板：固定标定板到机械臂末端，保证标定板与机械臂末端法兰刚性连接，两者无相对运动，取标定板棱柱上一标记点M，如图3所示，作为末端工具坐标系OA-xAyAzA的原点；
S2计算变换矩阵：机器人运动空间中选择合适的位置放置一个固定基准点，使用三点法标定M相对于机械臂末端法兰坐标系的相对位置，进而可以计算出点M在世界坐标系OB-xByBzB中的坐标位置；
S3放置扫描仪：固定二维激光扫描仪在机器人运动空间中任意位置，扫描仪位于机械臂外，不与机械臂共同运动；
S4记录数据：通过示教器控制机械臂末端标定板移动到扫描仪可见范围内，使得激光线恰好落在标记点M上，记录此时扫描仪坐标系OC-xCyCzC下的二维点云数据以及工具坐标系OA-xAyAzA下点M此时的位置，提取所得二维点云数据的特征，取最高点作为特征点，并根据变换矩阵计算出标记点M在世界坐标系OB-xByBzB下的位置；
S5再重复步骤S4四次，以不同的末端位姿移动点M落在传感器激光线的不同位置上；
S6计算变换矩阵：使用最小二乘法和奇异值分解，求解传感器手眼关系矩阵：
1.由步骤S4得到两组点：点云特征点集P＝{p1，p2，…，pn}，标记点M的位置集合Q＝{q1，q2，…，qn}，计算两组点的中心；
2.计算中心向量；
3.计算协方差矩阵：S＝XWYT，其中X和Y是d*n的矩阵，他的每一列分别是xi和yi，W是权重的对角矩阵，在此处可以是n*n的单位矩阵；
4.对矩阵S进行奇异值分解，
所求旋转矩阵；
5.计算平移向量；
6.变换矩阵。
在传感器手眼标定的基础上，对传感器旋转轴标定需要在非标准空间直角坐标系，根据旋转方式可以建立相应的模型。
S7建立三维坐标系：建立三维空间内的扫描仪坐标系，并对扫描仪的旋转方式建模成圆锥体结构，如图5所示，其中扫描仪原点在底面圆上旋转，扫描仪坐标系原点在圆锥的底面上；
S8确定扫描仪原点位置：扫描仪位于某一位置，记录此时扫描仪原点位置，再通过手眼标定的结果，可得扫描仪在机器人基座标系空间中的位置P1(x1,y1,z1)。放置标定板。放置标定板于扫描仪测量范围内，记录此时x轴取值为0的坐标Z1(0,0，z1)，再移动标定板一次，记录Z2(0,0，z2)；
S9移动扫描仪并重复步骤S8两次，得到位置P2(x2,y2,z2)、P3(x3,y3,z3)所对应的Z3(0,0，z3)，Z4(0,0，z4)，Z5(0,0，z5)，Z6(0,0，z6)；
S10求解圆锥顶点O2：将Z1-Z6变换至机器人基座标系，进而由Z1、Z2可得扫描仪在位置P1所在直线方程l1，同理可得位于位置P2、P3时的直线方程l2、l3，求解l1、l2、l3的交点O2；
S11估计底面圆心坐标O1：由扫描仪位置P1、P2、P3可得底面圆的圆心为(x0,y0,z0)，其中，
x0＝((y2-y1)×(y32-y12+x32-x12)-(y3-y1)×(y22-y12+x22-x12))/(2.0×((x3-x1)×(y2-y1)-(x2-x1)×(y3-y1))
y0＝((x2-x1)×(x32-x12+y32-y12)-(x3-x1)×(x22-x12+y22-y12))/(2.0×((y3-y1)×(x2-x1)-(y2-y1)×(x3-x1))
S12确定旋转轴：由圆锥顶点O2、底面圆心坐标O1得到旋转轴所在直线。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种用于涂胶机器人的线激光传感器标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1放置标定板：固定标定板到机械臂末端，保证标定板与机械臂末端法兰刚性连接，两者无相对运动，取标定板棱柱上一标记点M，作为末端工具坐标系的原点；
S2计算变换矩阵：机器人运动空间中选择合适的位置放置一个固定基准点，使用三点法标定M相对于机械臂末端法兰坐标系的相对位置，进而可以计算出点M在世界坐标系中的坐标位置；
S3放置扫描仪：固定二维激光扫描仪在机器人运动空间中任意位置；
S4通过示教器控制机械臂末端标定板移动到扫描仪可见范围内，使得激光线恰好落在标记点M上，记录此时扫描仪坐标系下的二维点云数据以及工具坐标系下点M此时的位置，提取所得二维点云数据的特征，并根据变换矩阵计算出标记点M在世界坐标系下的位置；
S5再重复步骤S4 n次，以不同的末端位姿移动点M落在传感器激光线的不同位置上；
S6计算变换矩阵：根据上述结果求解传感器手眼关系矩阵；
S7建立三维坐标系：建立三维空间内的扫描仪坐标系，并中对扫描仪的旋转方式建模成圆锥体结构；其中扫描仪原点在底面圆上旋转，扫描仪坐标系原点在圆锥的底面上；
S8确定扫描仪原点位置：扫描仪位于某一位置，记录此时扫描仪原点位置，再通过手眼标定的结果，可得扫描仪在机器人基座标系空间中的位置，放置标定板于扫描仪测量范围内，记录此时在扫描仪坐标系中x轴取值为0的坐标，再移动标定板一次并记录；
S9移动扫描仪并重复步骤S8两次，并记录数据；
S10求解圆锥顶点：将所记录点的坐标变换至机器人基座标系，求得扫描仪在每个位置所在直线方程，直线的交点为圆锥顶点；
S11估计底面圆心坐标：由扫描仪位置可得底面圆的圆心坐标；
S12确定旋转轴：由圆锥顶点、底面圆心坐标得到旋转轴所在直线。
2.根据权利要求1所述的一种用于涂胶机器人的线激光传感器标定方法，其特征在于，所述步骤S4中提取所得二维点云数据的特征时，取棱柱的最高点作为特征点。
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