CN113733098B - 机械臂模型位姿计算方法、装置、电子设备和存储介质 - Google Patents

机械臂模型位姿计算方法、装置、电子设备和存储介质 Download PDF

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CN113733098B CN202111145018.7A CN202111145018A CN113733098B CN 113733098 B CN113733098 B CN 113733098B CN 202111145018 A CN202111145018 A CN 202111145018A CN 113733098 B CN113733098 B CN 113733098B
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Abstract

本申请涉及一种机械臂模型位姿计算方法、装置、电子设备和存储介质，其中，该方法包括：获取机械臂的末端TCP位姿；基于所述末端TCP位姿、机械臂的理论DH参数和标定DH参数，确定机械臂模型的位姿。通过本申请，在保证机械臂末端法兰位姿与真实机械臂一致的同时，机械臂中间各连杆不发生位置偏移，使机械臂模型在路径规划的碰撞检测和场景的3D渲染中更加准确。

Description

机械臂模型位姿计算方法、装置、电子设备和存储介质
技术领域
本申请涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机械臂模型位姿计算方法、装置、电子设备和存储介质。
背景技术
通常在做机械臂路径规划的时候需要建立对应的场景模型，而建立的场景模型与真实场景之间的精度误差会影响到机械臂路径规划算法输出的结果。通常我们规划机械臂输出路径时需要满足机械臂在沿着当前路径运动时不与环境发生碰撞，这就要求所建立的机械臂碰撞检测模型必须与真实场景中的机械臂一致。此时需要结合理论DH参数来纠正机械臂各连杆模型的位姿偏移，或者如果标定DH参数与理论DH参数差别不大时也可使用实际的DH参数计算机器人模型各连杆的位姿。
然而，由于机械臂的绝对定位精度误差的引入，使用理论DH参数建立的机械臂碰撞检测模型与真实场景中的机械臂末端法兰位姿存在一定差异，末端法兰精度低。而基于实际标定的DH参数建立的机械臂碰撞检测模型只能保证机械臂末端法兰的位姿精度，标定的DH参数与理论DH参数之间的DH误差补偿参数比较大，使得中间连杆模型因为关节坐标系发生偏移而散架。
发明内容
本申请实施例提供了一种机械臂模型位姿计算方法、装置、电子设备和存储介质，以至少解决相关技术中无法实现在保证末端法兰精度的同时各连杆不发生位姿偏移的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种机械臂模型位姿计算方法，包括：
获取机械臂的末端TCP位姿；
基于所述末端TCP位姿、机械臂的理论DH参数和标定DH参数，确定机械臂模型的位姿。
在其中一些实施例中，基于所述末端TCP位姿、机械臂的理论DH参数和标定DH参数，确定机械臂模型的位姿包括：
基于所述末端TCP位姿和理论DH参数进行封闭逆解计算，获得机械臂各连杆的理论关节构型；
根据所述各连杆的理论关节构型、所述标定DH参数和所述末端TCP位姿获得机械臂模型的位姿。
在其中一些实施例中，获取机械臂末端TCP位姿包括：
基于关节构型数据，利用标定DH参数计算获得机械臂的末端TCP位姿。
在其中一些实施例中，基于所述末端TCP位姿和理论DH参数进行封闭逆解计算，获得机械臂各连杆的理论关节构型包括：
基于机械臂的理论DH参数，建立正向运动学模型；
根据所述正向运动学模型，确定机械臂各连杆在模型导出参考坐标系与基座坐标系之间的位姿变换方程；
根据所述末端TCP位姿和所述位姿变换方程，计算机械臂各连杆的理论关节构型。
在其中一些实施例中，根据所述正向运动学模型，确定机械臂各连杆在模型导出参考坐标系与基座坐标系之间的位姿变换方程包括：
根据正向运动学模型计算各连杆局部坐标系相对于基座坐标系的第一位姿变换矩阵；
获取模型导出参考坐标系相对于各连杆局部坐标系的第二位姿变换矩阵；
基于所述第一位姿变换矩阵和所述第二位姿变换矩阵，建立机械臂各连杆在模型导出参考坐标系与基座坐标系之间的位姿变换方程。
在其中一些实施例中，根据所述各连杆的理论关节构型、所述标定DH参数和所述末端TCP位姿获得机械臂模型的位姿，包括：
根据所述末端TCP位姿和所述标定DH参数对逆解得到的理论关节构型进行微调校正，获得各连杆的实际关节构型；
根据所述各连杆的实际关节构型和所述末端TCP位姿，获得机械臂模型的位姿。
在其中一些实施例中，根据所述末端TCP位姿和所述标定DH参数对逆解得到的理论关节构型进行微调校正，获得各连杆的实际关节构型包括：
将逆解得到的理论关节构型作为迭代算法的输入，利用所述标定DH参数和所述末端TCP位姿对所述理论关节构型进行迭代计算，将迭代之后满足预设精度要求的关节构型作为各连杆的实际关节构型。
第二方面，本申请实施例提供了一种机械臂模型位姿计算装置，包括：
末端TCP位姿获取单元，用于获取机械臂的末端TCP位姿；
位姿计算单元，用于基于所述末端TCP位姿、机械臂的理论DH参数和标定DH参数，确定机械臂模型的位姿。
第三方面，本申请实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的机械臂模型位姿计算方法。
第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的机械臂模型位姿计算方法。
相比于相关技术，本申请实施例提供的机械臂模型位姿计算方法，通过获取机械臂的末端TCP位姿；基于所述末端TCP位姿、机械臂的理论DH参数和标定DH参数，确定机械臂模型的位姿，实现了结合理论DH参数和实际DH参数来精确设定机械臂末端法兰和各连杆的位姿，从而在保证机械臂末端法兰位姿与真实机械臂一致的同时，机械臂中间各连杆不发生位置偏移，使机械臂模型在路径规划的碰撞检测和场景的3D渲染中更加准确。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请其中一个实施例中机械臂模型位姿计算方法的流程示意图；
图2是本申请其中一个实施例中基于标定DH参数计算得到的可视化的机械臂连杆的初始位姿图；
图3所示为其中一个实施例中基于理论DH参数计算得到的可视化的机械臂连杆的初始位姿图；
图4所示为其中一个实施例中基于理论DH参数计算得到的可视化的机械臂连杆的任意位姿图；
图5是本申请其中一个实施例中确定机械臂模型的位姿的流程示意图；
图6是本申请其中一个实施例中机械臂模型位姿计算装置的结构框图；
图7是本申请其中一个实施例中计算机设备的结构示意图。
附图说明：201、末端TCP位姿获取单元；202、位姿计算单元；30、总线；31、处理器；32、存储器；33、通信接口。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
本实施例提供的机械臂模型位姿计算方法可应用于机械手、工业机器人等具有多自由度的关节式机器人，也可以应用于轮式、履带式移动机器人，本申请并不限定。机械臂的路径规划是机器人的核心研究内容之一，路径规划是指对于确定的机械臂，当给定起点和终点时，计算出满足约束的路径代价较小的路径，使得机械臂可以从起点无碰撞地移动至终点。
其中，在做机械臂路径规划的时候需要建立对应的场景模型，而建立的场景模型与真实场景之间的精度误差会影响到机械臂路径规划算法的输出结果。通常规划输出的路径需要满足根据给予的指令及环境信息，按照某一性能指标输出从起点到目标点无碰撞绕过所有障碍物的最优或次优路径。这就要求我们建立的机械臂碰撞检测模型必须与真实场景中的机械臂一致，以计算得到精确的机械臂位姿数据，实现有效的机械臂路径规划。
本实施例提供了一种机械臂模型位姿计算方法。图1是根据本申请实施例的机械臂模型位姿计算方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：
步骤S11，获取机械臂的末端TCP位姿。
机械臂是由一系列关节连杆组成，是开环空间连杆机构，通过各个连杆的相对位置变化、速度变化和加速度变化，可使末端达到不同的空间位置和姿态，以此来完成期望的工作要求。
关节型机械臂的逆向运动学问题是在给定机械臂末端执行器坐标系相对于基坐标系的位置和姿态，以及所有机械臂关节几何参数的情况下，求取所有机械臂关节转动的角度值，是正向运动学的逆过程。在本实施例中，TCP(Tool Center Point,TCP)位姿包括机械臂末端工具中心点的位置和姿态，利用机器人运动学反解，已知机械臂的末端TCP位姿，可以计算得到相应的关节连杆变量。其中，机械臂的末端是指法兰盘、抓手等机械臂末端工具的中心点。
在一些实施方式中，获取机械臂末端TCP位姿包括：基于关节构型数据，利用标定DH参数计算获得机械臂的末端TCP位姿。
在本实施方式中，基于设计的机械臂模型数据来模拟真实的运动场景，通过碰撞检测算法来计算机械臂的某个构型是否与环境发生碰撞，实现提前预警的作用。然而，将设计的模型数据应用于真实的机械臂上时，由于理论DH参数是根据生产厂家的机械臂设计图纸数据构建的，考虑到实际的机械臂制造、装配以及机械臂自身长期负载运动磨损引入的绝对定位误差，基于理论DH参数构建的机械臂碰撞检测模型的末端TCP位姿与真实场景中的机械臂末端TCP位姿存在一定差异，存在碰撞检测的精度问题。
为了达到机械臂末端TCP的运动精度要求，需要对实际的机械臂进行TCP的运动学参数校准工作，即运动学参数标定。在实际的项目应用中为了保证机械臂的末端TCP精度需要使用标定DH参数来建立机械臂的运动学模型。从而基于关节构型数据和运动学模型计算各连杆坐标系的正向运动学结果，获得机械臂的末端TCP位姿。基于关节构型数据，利用标定DH参数计算获得机械臂的末端TCP位姿可以利用本领域现有技术，本申请在此不做赘述。其中，标定DH参数即标定得到的真实DH参数，用户可以通过将DH补偿参数和理论DH参数对应叠加得到真实机械臂出厂时的标定DH参数，DH补偿参数即标定后的真实机械臂的DH参数与对应的理论DH参数之间的差值，可以通过运动学标定算法采集大量的真实机械臂的末端TCP位姿数据后计算得到。
需要说明的是，标定DH参数只能用在被标定的机械臂上，其他的机械臂不能用此标定DH参数，因为不同的机械臂的实际标定的DH参数是不一样的，所以每一台机械臂出厂的时候都要做运动学参数标定，并将标定的结果写在对应的机械臂控制器中。不能利用与机械臂不匹配的DH补偿参数校准TCP位姿精度，否则计算的结果是不可靠的。
当然，在其他实施方式中，获取机械臂末端TCP位姿还可以通过给定已知的机械臂末端TCP位姿，本申请在此不做具体限定。
步骤S12，基于所述末端TCP位姿、机械臂的理论DH参数和标定DH参数，确定机械臂模型的位姿。
在本实施例中，机械臂模型的位姿包括机械臂的末端TCP位姿和机械臂中间各连杆的位姿。
如图2所示为基于标定DH参数计算得到的可视化的机械臂连杆的初始位姿图。从图2可以看出，基于标定DH参数只能保证末端TCP位姿是准确的，而中间各连杆的位姿数据产生了很大的位置偏移。因此，纯粹基于标定DH参数计算机械臂各连杆在任意构型下的位姿是不可用的。以下以UR3机械臂为例示出了理论DH参数值和对应的标定DH参数值：
理论DH参数值：
name＝"Joint1"alpha＝"90"a＝"0"d＝"0.1519"offset＝"0"
name＝"Joint2"alpha＝"0"a＝"-0.24365"d＝"0"offset＝"0"
name＝"Joint3"alpha＝"0"a＝"-0.21325"d＝"0"offset＝"0"
name＝"Joint4"alpha＝"90"a＝"0"d＝"0.1104"offset＝"0"
name＝"Joint5"alpha＝"-90"a＝"0"d＝"0.0834"offset＝"0"
name＝"TCP"alpha＝"0"a＝"0"d＝"0.0824"offset＝"0"
标定DH参数值：
name＝"Joint1"alpha＝"89.9641"a＝"1.85428e-05"d＝"0.151844"offset＝"-0.0028954"
name＝"Joint2"alpha＝"-0.09572"a＝"-0.243232"d＝"8.16505"offset＝"-3.2157"
name＝"Joint3"alpha＝"0.231201"a＝"-0.211684"d＝"-14.4282"offset＝"-3.59907"
name＝"Joint4"alpha＝"89.9789"a＝"-9.66541e-06"d＝"6.37358"offset＝"6.8076"
name＝"Joint5"alpha＝"-89.99"a＝"-2.9341e-05"d＝"0.0833601"offset＝"0.00325911"
name＝"TCP"alpha＝"0"a＝"0"d＝"0.0824"offset＝"0"
由此可知，中间各连杆的位姿数据产生了位置偏移的原因是标定后对应机械臂的标定DH参数中的d参数值与理论值相比产生了很大的变化。
如图3所示为基于理论DH参数计算得到的可视化的机械臂连杆的初始位姿图。如图4所示为基于理论DH参数计算得到的可视化的机械臂连杆的任意位姿图。从图3-图4可以看出，不管是在机械臂的初始构型、还是机械臂的其他任意关节构型下，基于理论DH参数计算得到机械臂的各连杆始终都是绕对应的关节轴线旋转的，不会出现散架的现象。然而只使用理论DH参数计算得到的机械臂末端TCP位姿精度低。为此，在本实施例中，在实际的碰撞检测应用中需要结合理论DH和标定DH参数，对机械臂的各连杆位姿和机械臂末端TCP位姿进行计算和设置。
综上，本申请实施例提供的机械臂模型位姿计算方法，通过获取机械臂的末端TCP位姿；基于末端TCP位姿、机械臂的理论DH参数和标定DH参数，确定机械臂模型的位姿，实现了结合理论DH参数和实际DH参数来精确设定机械臂末端法兰和各连杆的位姿，从而在保证机械臂末端法兰位姿与真实机械臂一致的同时，机械臂中间各连杆不发生位置偏移，使机械臂模型在路径规划的碰撞检测和场景的3D渲染中更加准确。示例性地，在一些实施例中，可以使用理论的DH参数来计算任一构型下中间各连杆的位姿，使用标定后的标定DH参数来计算对应构型下机械臂末端TCP位姿。在另一些实施例中，可以同时应用理论的DH参数和标定DH参数来计算对应构型下中间各连杆的位姿和末端TCP位姿，本申请在此不做具体限定。
下面通过优选实施例对本申请实施例进行描述和说明。
如图5所示，在上述实施例的基础上，在其中一些实施例中，基于所述末端TCP位姿、机械臂的理论DH参数和标定DH参数，确定机械臂模型的位姿包括：
步骤S121，基于所述末端TCP位姿和理论DH参数进行封闭逆解计算，获得机械臂各连杆的理论关节构型。
对于同样的一组机械臂关节值，工业机械臂的重复定位精度一般都很高，绝对定位精度也在毫米级别。使用理论DH参数计算的中间各连杆的位姿与真实机械臂的中间连杆的位姿数据差别并不大，所以使用理论DH参数来计算中间各连杆构型的位姿是比较可靠的。
具体的，在本实施例中，基于理论DH参数，可以计算得到机械臂任意连杆与机器人基坐标系之间的位姿变换矩阵。从而基于末端TCP位姿和位姿变换矩阵进行运动学反解，可以得到机械臂各连杆的理论关节构型。
步骤S122，根据所述各连杆的理论关节构型、所述标定DH参数和所述末端TCP位姿获得机械臂模型的位姿。
在本实施例中，基于理论DH参数计算的中间各连杆的理论关节构型，基于理论关节构型计算得到的理论位姿与真实机械臂的中间各连杆的位姿数据有一定差别。当得到各连杆的理论关节构型后，为了使逆解结果下发给机械臂执行时可以让机械臂精确运动到目标位置，需要根据标定DH参数和/或所述末端TCP位姿对机械臂各连杆的理论关节构型进行补偿。在一些实施例中，可以根据给定的末端TCP位姿和标定DH参数，通过雅可比迭代法等数值迭代算法微调上述理论关节构型；在另一些实施例中，也可以基于关节构型数据，利用标定DH参数计算获得机械臂的末端TCP位姿，根据计算得到的末端TCP位姿和标定DH参数，通过雅可比迭代法等数值迭代算法微调上述理论关节构型，对理论关节构型进行校正，获得校正后的各连杆的实际关节构型，校正方法本申请在此不做具体限定。
在本实施例中，获得校正后的各连杆的实际关节构型后，将所述实际关节构型作为正向运动学的输入，计算得到各连杆的实际位姿。将计算得到的各连杆的实际位姿和所述末端TCP位姿确定为机械臂模型的位姿。
在上述实施例的基础上，在其中一些实施例中，基于所述末端TCP位姿和理论DH参数进行封闭逆解计算，获得机械臂各连杆的理论关节构型包括：
步骤S1211，基于机械臂的理论DH参数，建立正向运动学模型。
在本实施例中，理论DH参数为对机器人进行的几何建模的参数，主要包括机器人的连杆长度信息，关节偏转角度等信息。具体的，以理论DH参数法建立机械臂关节坐标系，以末端TCP为原点建立工具坐标系，以基座中心为原点建立基座坐标，以n个关节分别独立建立相应的关节坐标系。
步骤S1212，根据所述正向运动学模型，确定机械臂各连杆在模型导出参考坐标系与基座坐标系之间的位姿变换方程。
在本实施例中，机械臂的各连杆均可建立关节坐标系以及机械臂固定在支撑基座上的基座坐标系。对于n+1自由度的机器人来说，可以建立n+1个坐标系，每个关节坐标系固定在连杆的末端，随着连杆一起运动。因此n个关节坐标系随着末端工具一起运动，末端工具相对于基座坐标系的位置和姿态可以用n个坐标系间的位姿变换方程来描述。
通过计算相邻两坐标系的齐次坐标变换矩阵，并将齐次坐标变换矩阵依次右乘，可以得到工具坐标系对于基坐标系的位姿矩阵。具体的，首先根据正向运动学模型计算各连杆局部坐标系相对于基座坐标系的第一位姿变换矩阵；获取模型导出参考坐标系相对于各连杆局部坐标系的第二位姿变换矩阵；基于第一位姿变换矩阵和第二位姿变换矩阵，建立机械臂各连杆在模型导出参考坐标系与基座坐标系之间的位姿变换方程。
通常来说，机械臂的导出模型的整体导出参考坐标系的设置会对其碰撞检测和3D渲染的位姿设置有一定的影响，整体导出参考坐标系的选择分三种情况，即：1.整体导出参考坐标系与机械臂的基座坐标系重合，即BaseTDrawable为单位阵；2.各连杆模型的导出参考坐标系Drawable与在该连杆上建立的关节坐标系重合；3.整体导出参考坐标系任意设置，即与机械臂基座坐标系存在一个固定的位姿变换BaseTDrawable。
首先，我们分析情况1，这种情形下，机械臂模型的顶点数据计算为：
Figure BDA0003285136270000091
其中
Figure BDA0003285136270000092
为机械臂装配体模型导出前的整体导出参考坐标系相对于各连杆局部坐标系的位姿变换矩阵，这是一个定值，即求机械臂处于Home(初始)状态下各连杆的正向运动学的逆；
Figure BDA0003285136270000093
的物理意义为将当前的情况1变为上述的情况2，这样可以节省针对每个连杆建立坐标系并分别导出的工作量，最后的计算结果BaseP表示用于碰撞检测和3D可视化渲染的模型顶点数据都是基于机器人的基座坐标系描述的，这样就把机械臂的关节运动和连杆模型的顶点位置数据的计算紧密结合起来。用户可以通过计算各连杆的正向运动学就可以算出各连杆在对应机械臂关节角为θ时的模型位姿数据，因为
Figure BDA0003285136270000094
是一个固定的数值。
Figure BDA0003285136270000095
为基于理论DH参数建立的正向运动学模型计算各连杆坐标系相对于基座坐标系的位姿变换矩阵，这里默认将机械臂的基座坐标系与世界坐标系重合。
接着，我们分析情况2，这种情况下，机械臂模型的顶点数据计算为：
Figure BDA0003285136270000101
这种情况下
Figure BDA0003285136270000102
为单位阵，即基于理论DH参数建立的运动学模型计算各连杆坐标系的正向运动学结果后可直接用于变换从STL文件中读取的末端工具的顶点数据，计算的结果即为机械臂模型的碰撞检测和3D渲染位姿。
最后，我们分析情况3，这种情况下，机械臂模型的顶点数据计算为：
Figure BDA0003285136270000103
这种情况是在情况1的基础上再右乘整体导出参考坐标系相对于机械臂基座坐标系的位姿变换矩阵，此处场景中的全局参考坐标系是世界坐标系，假定机械臂的基座坐标系不与世界坐标系重合，而模型导出参考坐标系Drawable与世界坐标系重合，这是符合真实的场景建模情况的。式
Figure BDA0003285136270000104
的目的就是将世界坐标系下描述的模型顶点数据变换到机械臂的基座坐标系中来描述。
步骤S1213，根据所述末端TCP位姿和所述位姿变换方程，计算机械臂各连杆的理论关节构型。
在本实施例中，位姿变换方程表示机械臂末端TCP位姿与各关节变量的关系，基于位姿变换方程可以得到机械臂末端TCP相对于基坐标系的位姿。基于末端TCP位姿和位姿变换方程求解运动学逆解，可以计算得到机械臂各连杆的理论关节构型。
在上述实施例的基础上，在其中一些实施例中，根据所述各连杆的理论关节构型、所述标定DH参数和所述末端TCP位姿获得机械臂模型的位姿，包括：
步骤S1221，根据所述末端TCP位姿和所述标定DH参数对逆解得到的理论关节构型进行微调校正，获得各连杆的实际关节构型。
具体的，根据末端TCP位姿和标定DH参数对逆解得到的理论关节构型进行微调校正进行微调校正，获得各连杆的实际关节构型包括：将逆解得到的理论关节构型作为迭代算法的输入，利用标定DH参数和末端TCP位姿对理论关节构型进行迭代计算，将迭代之后满足预设精度要求的关节构型作为各连杆的实际关节构型。
在本实施例中，标定后的标定DH参数无法应用基于理论DH参数推导的机械臂位姿变换方程，因此只能使用数值迭代的方式来求解满足精度要求的一组机械臂关节构型。在一些实施例中，基于末端TCP位姿和标定DH参数，可以采用牛顿-拉夫逊(Newton-Raphson)数值迭代算法、L-M(Levenberg-Marquardt阻尼最小二乘法)算法、循环坐标下降法等迭代算法，计算关节坐标系逆运动学解，求得一组对应于位姿矩阵的满足预设精度要求的关节构型。当然，在其他实施例中，对各连杆的理论关节构型校正可以采用其他迭代优化方法，本申请在此并不限定。
在一种具体的实施方式中，以六关节机械臂为例，已知五组机械臂关节构型数据如下：
Q[6]{1.5,-2,2,-1.5,-1.5,0.5}
Q[6]{0.13,-0.796,2,-1.5,-1.5,0.5}
Q[6]{0.13,-0.796,2,-0.014,1.549,0.5}
Q[6]{0.13,0.014,-1.635,-0.014,-1.607,0.5}
Q[6]{0.13,0.014,-1.635,-0.014,-0.072,1.665}
基于上述五组机械臂关节构型数据，使用标定DH参数计算得到对应的末端TCP位姿，基于末端TCP位姿和理论DH参数进行封闭逆解计算，获得第一组机械臂各连杆的理论关节构型如下：
Q[6]{-0.609734,-1.14109,-2.03859,-1.51156,1.66549,1.5342}
Q[6]{-0.609734,-2.96421,2.03859,2.51755,1.66549,1.5342}
Q[6]{-0.609734,-1.84441,-1.3802,1.67495,-1.66549,-1.60739}
Q[6]{-0.609734,-3.11487,1.3802,0.185013,-1.66549,-1.60739}
Q[6]{1.50141,0.00479725,-1.41302,3.04949,1.50406,-2.64119}
Q[6]{1.50141,-1.29477,1.41302,1.52302,1.50406,-2.64119}
Q[6]{1.50141,-0.204768,-2.0027,0.70714,-1.50406,0.500398}
Q[6]{1.50141,-2.00035,2.0027,-1.50268,-1.50406,0.500398}
将理论关节构型作为迭代算法的输入，利用标定DH参数和末端TCP位姿对理论关节构型进行迭代计算，将迭代后满足预设精度要求的关节构型作为各连杆的第一组机械臂各连杆的实际关节构型如下：
Q[6]{-0.613073,-1.14198,-2.0402,-1.50925,1.67068,1.53273}
Q[6]{-0.6074,-2.96268,2.03607,2.51837,1.6624,1.53274}
Q[6]{-0.610838,-1.84391,-1.38231,1.67703,-1.66956,-1.60567}
Q[6]{-0.609992,-3.1141,1.37737,0.187016,-1.66573,-1.61125}
Q[6]{1.50234,0.00554283,-1.41514,3.05102,1.50634,-2.64446}
Q[6]{1.50096,-1.29416,1.41023,1.52511,1.50089,-2.64065}
Q[6]{1.50453,-0.202732,-2.0045,0.707112,-1.50907,0.501672}
Q[6]{1.5,-2,2,-1.5,-1.5,0.5}
可以看出，最终的实际关节构型中，每一组基于理论DH参数计算得到的理论关节构型和利用标定DH参数和末端TCP位姿对理论关节构型进行迭代计算得到的实际关节构型之间的差值是很小的。即为了让理论的机械臂走到实际的目标位置，机械臂只是需要在走到理论的目标位置之后对各个关节的数值进行微调即可。这个微调的值，可以以上述最后的一组数据为例，从关节1到关节6，各关节需要微调的值如下：
0.00141,-0.00035,0.0027,-0.00268,-0.00406,0.000398
同理，第二组机械臂各连杆的理论关节构型如下：
Q[6]{-2.23581,-2.34606,-2.05381,-1.45325,2.36823,0.795347}
Q[6]{-2.23581,2.10248,2.05381,2.55696,2.36823,0.795347}
Q[6]{-2.23581,-3.04626,-1.36576,1.70048,-2.36823,-2.34625}
Q[6]{-2.23581,1.97931,1.36576,0.22659,-2.36823,-2.34625}
Q[6]{0.131739,1.20824,-1.4129,3.05003,1.50289,-2.64269}
Q[6]{0.131739,-0.091223,1.4129,1.52369,1.50289,-2.64269}
Q[6]{0.131739,0.998381,-2.00213,0.707524,-1.50289,0.498906}
Q[6]{0.131739,-0.796761,2.00213,-1.5016,-1.50289,0.498906}
第二组对应的实际关节构型如下：
Q[6]{-2.2375,-2.34568,-2.05575,-1.45092,2.37128,0.79643}
Q[6]{-2.2333,2.10359,2.05086,2.55515,2.36719,0.79024}
Q[6]{-2.23585,-3.04523,-1.36759,1.70403,-2.37174,-2.34276}
Q[6]{-2.23527,1.97866,1.36445,0.224896,-2.36869,-2.35169}
Q[6]{0.131688,1.209,-1.41552,3.05207,1.50489,-2.64631}
Q[6]{0.130691,-0.0905191,1.41039,1.52537,1.5003,-2.64141}
Q[6]{0.133262,0.998984,-2.00371,0.708846,-1.50628,0.498103}
Q[6]{0.13,-0.796,2,-1.5,-1.5,0.5}
第三组机械臂各连杆的理论关节构型如下：：
Q[6]{-1.85421,-2.76181,-2.66302,0.894232,1.2337,-1.52385}
Q[6]{-1.85421,1.39087,2.66302,-2.30131,1.2337,-1.52385}
Q[6]{-1.85421,-2.4189,-1.96797,2.99786,-1.2337,1.61774}
Q[6]{-1.85421,2.09578,1.96797,0.830432,-1.2337,1.61774}
Q[6]{0.129612,0.999018,-2.00302,2.19415,1.54728,0.495511}
Q[6]{0.129612,-0.79681,2.00302,-0.0160617,1.54728,0.495511}
Q[6]{0.129612,1.82467,-2.59746,-1.17865,-1.54728,-2.64608}
Q[6]{0.129612,-0.304558,2.59746,2.03883,-1.54728,-2.64608}
第三组对应的实际关节构型如下：
Q[6]{-1.85624,-2.75905,-2.66495,0.893306,1.22956,-1.52371}
Q[6]{-1.85123,1.38974,2.66118,-2.29798,1.23772,-1.52508}
Q[6]{-1.85327,-2.41868,-1.97109,2.9989,-1.23283,1.62421}
Q[6]{-1.85371,2.09649,1.96567,0.833391,-1.2371,1.61447}
Q[6]{0.129321,1.00013,-2.00599,2.19608,1.54512,0.490243}
Q[6]{0.13,-0.796,2,-0.014,1.549,0.5}
Q[6]{0.132021,1.82394,-2.59914,-1.17593,-1.54437,-2.64714}
Q[6]{0.127085,-0.302756,2.59534,2.03947,-1.55199,-2.64614}
第四组机械臂各连杆的理论关节构型如下：：
Q[6]{-2.34227,-1.65999,-1.62271,-1.39994,1.50465,1.17318}
Q[6]{-2.34227,3.14042,1.62271,3.1206,1.50465,1.17318}
Q[6]{-2.34227,-2.55735,-0.183135,1.19943,-1.50465,-1.96841}
Q[6]{-2.34227,-2.72826,0.183135,1.00408,-1.50465,-1.96841}
Q[6]{0.127485,-0.45517,-0.105684,2.0672,1.60407,-2.64033}
Q[6]{0.127485,-0.553816,0.105684,1.95448,1.60407,-2.64033}
Q[6]{0.127485,0.0130708,-1.63387,-0.0144458,-1.60407,0.501258}
Q[6]{0.127485,-1.4793,1.63387,-1.78982,-1.60407,0.501258}
第四组对应的实际关节构型如下：
Q[6]{-2.34454,-1.66028,-1.62398,-1.39844,1.50886,1.17333}
Q[6]{-2.34046,3.14134,1.62043,3.1221,1.5039,1.17044}
Q[6]{-2.34269,-2.55751,-0.183789,1.20057,-1.50778,-1.96871}
Q[6]{-2.34254,-2.72666,0.178726,1.00726,-1.5074,-1.96956}
Q[6]{0.127621,-0.456328,-0.104261,2.06682,1.60285,-2.64227}
Q[6]{0.127527,-0.551414,0.0994448,1.95821,1.60254,-2.64185}
Q[6]{0.13,0.014,-1.635,-0.014,-1.607,0.5}
Q[6]{0.126145,-1.4788,1.63125,-1.78736,-1.60081,0.502261}
第五组机械臂各连杆的理论关节构型如下：：
Q[6]{-2.34234,-2.04501,-1.50383,0.297724,2.461,3.08606}
Q[6]{-2.34234,2.85863,1.50383,-1.33039,2.461,3.08606}
Q[6]{-2.34234,-2.15448,-0.526495,2.57146,-2.461,-0.0555336}
Q[6]{-2.34234,-2.64512,0.526495,2.0091,-2.461,-0.0555336}
Q[6]{0.127399,0.0196047,-1.63978,-0.0344861,-0.0690734,1.68458}
Q[6]{0.127399,-1.47784,1.63978,-1.81661,-0.0690734,1.68458}
第五组对应的实际关节构型如下：
Q[6]{-2.34461,-2.04625,-1.50318,0.301881,2.46016,3.09061}
Q[6]{-2.34153,2.85951,1.50123,-1.32865,2.46442,3.08606}
Q[6]{-2.34237,-2.15081,-0.533914,2.58028,-2.46151,-0.049307}
Q[6]{-2.34178,-2.64531,0.52676,2.01161,-2.46318,-0.0525199}
Q[6]{0.13,0.0140001,-1.635,-0.014,-0.072,1.665}
Q[6]{0.126098,-1.47598,1.64172,-1.83513,-0.0658506,1.69947}
步骤S1222，根据所述各连杆的实际关节构型和所述末端TCP位姿，获得机械臂模型的位姿。
具体的，在本实施例中，将理论关节构型进行校正后得到的各连杆的实际关节构型作为机械臂中间各连杆关节构型，将末端TCP位姿作为机械臂末端位姿，得到机械臂模型的位姿。
需要说明的是，在上述流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本实施例还提供了一种机械臂模型位姿计算装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”、“单元”、“子单元”等可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图6是根据本申请实施例的机械臂模型位姿计算装置的结构框图，如图6所示，该装置包括：末端TCP位姿获取单元201和位姿计算单元202。
末端TCP位姿获取单元201，用于获取机械臂的末端TCP位姿；
位姿计算单元202，用于基于所述末端TCP位姿、机械臂的理论DH参数和标定DH参数，确定机械臂模型的位姿。
在其中一些实施例中，位姿计算单元202包括：理论关节构型获取模块和机械臂位姿获取模块。
理论关节构型获取模块，用于基于所述末端TCP位姿和理论DH参数进行封闭逆解计算，获得机械臂各连杆的理论关节构型；
机械臂位姿获取模块，用于根据所述各连杆的理论关节构型、所述标定DH参数和所述末端TCP位姿获得机械臂模型的位姿。
在其中一些实施例中，末端TCP位姿获取单元201具体用于：
基于关节构型数据，利用标定DH参数计算获得机械臂的末端TCP位姿。
在其中一些实施例中，理论关节构型获取模块包括：模型建立模块、位姿变换方程确定模块和理论关节构型计算模块。
模型建立模块，用于基于机械臂的理论DH参数，建立正向运动学模型；
位姿变换方程确定模块，用于根据所述正向运动学模型，确定机械臂各连杆在模型导出参考坐标系与基座坐标系之间的位姿变换方程；
理论关节构型计算模块，用于根据所述末端TCP位姿和所述位姿变换方程，计算机械臂各连杆的理论关节构型。
在其中一些实施例中，位姿变换方程确定模块包括：
第一位姿变换矩阵计算模块，用于根据正向运动学模型计算各连杆局部坐标系相对于基座坐标系的第一位姿变换矩阵；
第二位姿变换矩阵计算模块，用于获取模型导出参考坐标系相对于各连杆局部坐标系的第二位姿变换矩阵；
方程建立模块，用于基于所述第一位姿变换矩阵和所述第二位姿变换矩阵，建立机械臂各连杆在模型导出参考坐标系与基座坐标系之间的位姿变换方程。
在其中一些实施例中，机械臂位姿获取模块包括：第一位姿获取模块和第二位姿获取模块。
第一位姿获取模块，用于根据所述末端TCP位姿和所述标定DH参数对逆解得到的理论关节构型进行微调校正，获得各连杆的实际关节构型。
第二位姿获取模块，用于根据所述各连杆的实际关节构型和所述末端TCP位姿，获得机械臂模型的位姿。
在其中一些实施例中，第一位姿获取模块具体用于：
将逆解得到的理论关节构型作为迭代算法的输入，利用所述标定DH参数和所述末端TCP位姿对所述理论关节构型进行迭代计算，将迭代之后满足预设精度要求的关节构型作为各连杆的实际关节构型。
需要说明的是，上述各个模块可以是功能模块也可以是程序模块，既可以通过软件来实现，也可以通过硬件来实现。对于通过硬件来实现的模块而言，上述各个模块可以位于同一处理器中；或者上述各个模块还可以按照任意组合的形式分别位于不同的处理器中。
另外，结合图1描述的本申请实施例机械臂模型位姿计算方法可以由电子设备来实现。图6为根据本申请实施例的电子设备的硬件结构示意图。
电子设备可以包括处理器31以及存储有计算机程序指令的存储器32。
具体地，上述处理器31可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
其中，存储器32可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器32可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，简称为HDD)、软盘驱动器、固态驱动器(SolidState Drive，简称为SSD)、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal SerialBus，简称为USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器32可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器32可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器32是非易失性(Non-Volatile)存储器。在特定实施例中，存储器32包括只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)和随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称为RAM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(Programmable Read-Only Memory，简称为PROM)、可擦除PROM(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称为EPROM)、电可擦除PROM(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称为EEPROM)、电可改写ROM(Electrically Alterable Read-OnlyMemory，简称为EAROM)或闪存(FLASH)或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，简称为SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，简称为DRAM)，其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器(Fast Page Mode Dynamic Random Access Memory，简称为FPMDRAM)、扩展数据输出动态随机存取存储器(Extended Date Out Dynamic RandomAccess Memory，简称为EDODRAM)、同步动态随机存取内存(Synchronous Dynamic Random-Access Memory，简称SDRAM)等。
存储器32可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器31所执行的可能的计算机程序指令。
处理器31通过读取并执行存储器32中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种机械臂模型位姿计算方法。
在其中一些实施例中，电子设备还可包括通信接口33和总线30。其中，如图6所示，处理器31、存储器32、通信接口33通过总线30连接并完成相互间的通信。
通信接口33用于实现本申请实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。通信接口33还可以实现与其他部件例如：外接设备、图像/数据采集设备、数据库、外部存储以及图像/数据处理工作站等之间进行数据通信。
总线30包括硬件、软件或两者，将电子设备的部件彼此耦接在一起。总线30包括但不限于以下至少之一：数据总线(Data Bus)、地址总线(Address Bus)、控制总线(ControlBus)、扩展总线(Expansion Bus)、局部总线(Local Bus)。举例来说而非限制，总线30可包括图形加速接口(Accelerated Graphics Port，简称为AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(Extended Industry Standard Architecture，简称为EISA)总线、前端总线(FrontSide Bus，简称为FSB)、超传输(Hyper Transport，简称为HT)互连、工业标准架构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、无线带宽(InfiniBand)互连、低引脚数(Low Pin Count，简称为LPC)总线、存储器总线、微信道架构(Micro ChannelArchitecture，简称为MCA)总线、***组件互连(Peripheral Component Interconnect，简称为PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(Serial AdvancedTechnology Attachment，简称为SATA)总线、视频电子标准协会局部(Video ElectronicsStandards Association Local Bus，简称为VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线30可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。
该电子设备可以基于获取到的程序指令，执行本申请实施例中的机械臂模型位姿计算方法，从而实现结合图1描述的机械臂模型位姿计算方法。
另外，结合上述实施例中的机械臂模型位姿计算方法，本申请实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种机械臂模型位姿计算方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种机械臂模型位姿计算方法，其特征在于，包括：
获取机械臂的末端TCP位姿；
基于所述末端TCP位姿、机械臂的理论DH参数和标定DH参数，确定机械臂模型的位姿；
其中，基于所述末端TCP位姿、机械臂的理论DH参数和标定DH参数，确定机械臂模型的位姿包括：基于所述末端TCP位姿和理论DH参数进行封闭逆解计算，获得机械臂各连杆的理论关节构型；根据所述各连杆的理论关节构型、所述标定DH参数和所述末端TCP位姿获得机械臂模型的位姿；
根据所述各连杆的理论关节构型、所述标定DH参数和所述末端TCP位姿获得机械臂模型的位姿，包括：根据所述末端TCP位姿和所述标定DH参数对逆解得到的理论关节构型进行微调校正，获得各连杆的实际关节构型；根据所述各连杆的实际关节构型和所述末端TCP位姿，获得机械臂模型的位姿。
2.根据权利要求1所述的机械臂模型位姿计算方法，其特征在于，获取机械臂末端TCP位姿包括：
基于关节构型数据，利用标定DH参数计算获得机械臂的末端TCP位姿。
3.根据权利要求1所述的机械臂模型位姿计算方法，其特征在于，基于所述末端TCP位姿和理论DH参数进行封闭逆解计算，获得机械臂各连杆的理论关节构型包括：
基于机械臂的理论DH参数，建立正向运动学模型；
根据所述正向运动学模型，确定机械臂各连杆在模型导出参考坐标系与基座坐标系之间的位姿变换方程；
根据所述末端TCP位姿和所述位姿变换方程，计算机械臂各连杆的理论关节构型。
4.根据权利要求3所述的机械臂模型位姿计算方法，其特征在于，根据所述正向运动学模型，确定机械臂各连杆在模型导出参考坐标系与基座坐标系之间的位姿变换方程包括：
根据正向运动学模型计算各连杆局部坐标系相对于基座坐标系的第一位姿变换矩阵；
获取模型导出参考坐标系相对于各连杆局部坐标系的第二位姿变换矩阵；
基于所述第一位姿变换矩阵和所述第二位姿变换矩阵，建立机械臂各连杆在模型导出参考坐标系与基座坐标系之间的位姿变换方程。
5.根据权利要求1所述的机械臂模型位姿计算方法，其特征在于，根据所述末端TCP位姿和所述标定DH参数对逆解得到的理论关节构型进行微调校正，获得各连杆的实际关节构型包括：
将逆解得到的理论关节构型作为迭代算法的输入，利用所述标定DH参数和所述末端TCP位姿对所述理论关节构型进行迭代计算，将迭代之后满足预设精度要求的关节构型作为各连杆的实际关节构型。
6.一种机械臂模型位姿计算装置，其特征在于，包括：
末端TCP位姿获取单元，用于获取机械臂的末端TCP位姿；
位姿计算单元，用于基于所述末端TCP位姿、机械臂的理论DH参数和标定DH参数，确定机械臂模型的位姿；
其中，所述位姿计算单元具体用于：基于所述末端TCP位姿和理论DH参数进行封闭逆解计算，获得机械臂各连杆的理论关节构型；根据所述各连杆的理论关节构型、所述标定DH参数和所述末端TCP位姿获得机械臂模型的位姿；
所述位姿计算单元具体用于：根据所述末端TCP位姿和所述标定DH参数对逆解得到的理论关节构型进行微调校正，获得各连杆的实际关节构型；根据所述各连杆的实际关节构型和所述末端TCP位姿，获得机械臂模型的位姿。
7.一种电子设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至5中任一项所述的机械臂模型位姿计算方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的机械臂模型位姿计算方法。
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