CN114001653A - 一种机器人工具中心点标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人工具中心点标定方法，包括步骤：(1)机器人进行手眼标定；(2)根据步骤(1)计算得到法兰盘到机器人工具中心点的位姿变换矩阵；(3)通过相机采集图像，并根据步骤(1)计算得到标定工具的标定平面的平面方程；(4)控制机器人工具中心点接触标定工具的标定平面，得到若干触点及对应的机械臂各关节角；(5)通过机器人正运动学计算得到在对应触点时法兰盘在机械臂坐标系下的位姿；(6)根据平面方程结合所有触点坐标及法兰盘在机械臂坐标系下的位姿构建方程组，并据此计算得到法兰盘到机器人工具中心点的位姿变换矩阵。本发明弥补了手眼标定存在的误差，提高了整体标定精度，提高了作业的可靠性和精确性。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人标定技术领域，具体涉及工业机器人的工具中心点标定方法。
背景技术
工业机器人被广泛应用于各个领域，具有高精度、稳定性好，效率高等特点。工业机器人在进行不同的任务作业时，通常需要在机器人法兰盘末端安装不同的工具，若要控制其沿指定轨迹进行精准作业，需要根据不同的工具建立不同的工具坐标系。工具坐标系的原点定义为工具中心点(TCP)，而求解标定工具坐标系和法兰盘坐标系的映射关系过程即为工具坐标系标定。在工业焊接、汽车装配等领域，TCP的标定精度直接影响实际的作业质量。
目前，工业机器人的TCP标定方法主要有以下两大类：
第一类方法是借助外部基准，通过精确测量仪器进行TCP位置标定。测量仪器包括球杆仪、坐标测量机、自动经纬仪、激光跟踪仪等。商用的DynaCal***和BullEyes***等均属于外部基准法标定。此类方案精度通常都较高，但由于仪器造价昂贵，所以标定所需成本较高、标定过程比较繁琐，且在工业现场中不是特别方便。
第二类方法是不借助外界设备，根据测量点对点数据，由机器人控制***的内部算法自动辨识出工具坐标系的TCP值，存在的问题是需要人工实现点对点的精确重合操作，对标定过程中的操作提出了很高要求，容易导致TCP标定精度不高。被称为工业机器人四大家族的ABB、KUKA、YASASKAWA和FANUC公司机器人工具坐标系TCP标定模式有四点法、五点法和六点法，均属于此类方法。后来人们又提出了点对面，点对球等标定方法，其中点对面对人工操作要求较低。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种机器人工具中心点标定方法，针对于带手眼相机的机械臂***，基于点对面标定的思想，利用视觉计算出面的空间方程，然后执行点对面操作标定，利用双目或深度相机构成立体视觉反馈***，计算平板标定工具的法向量，进而标定出TCP在法兰坐标系下的坐标，解决了现有标定方法对人工操作要求高、***标定精度不高的问题。
技术方案：
一种机器人工具中心点标定方法，包括步骤：
(1)机器人进行手眼标定；
(2)根据步骤(1)计算得到法兰盘到机器人工具中心点的位姿变换矩阵，其中法兰盘为机械臂末端安装末端执行器的端面；
(3)将标定工具安装在机器人工作空间中，通过相机采集包含机械臂和标定工具的图像，并根据步骤(1)计算得到标定工具的标定平面的平面方程；
(4)控制机器人工具中心点接触标定工具的标定平面，得到若干触点及对应的机械臂各关节角；
(5)通过机器人正运动学计算得到在对应触点时法兰盘在机械臂坐标系下的位姿；
(6)根据步骤(3)得到的标定平面的平面方程结合步骤(4)得到的所有触点的坐标和步骤(5)计算得到的法兰盘在机械臂坐标系下的位姿构建方程组，并据此计算得到法兰盘到机器人工具中心点的位姿变换矩阵。
所述相机存在两种安装方式：其一，相机安装在机械臂外能够观测到固定标定工具的位置处；其二，相机固定安装在机械臂末端上。
所述相机采用的是双目或深度相机。
所述标定工具采用的是标定板。
所述步骤(2)具体为：
已知在机械臂坐标系下将机器人工具中心点的位姿为gbt、法兰盘的位姿为gbe，则法兰盘到机器人工具中心点的位姿变换矩阵get：
gbt＝gbe*get
将前述位姿写成姿态和位置组合的齐次变换矩阵形式：
则法兰盘到机器人工具中心点的位姿变换矩阵get展开得到：
其中，Rbt、Rbe分别表示机器人工具中心点、法兰盘在机械臂坐标系下的姿态；pbt、pbe分别表示机器人工具中心点、法兰盘在机械臂坐标系下的位置；Ret表示法兰盘到机器人工具中心点的姿态变换矩阵，为单位矩阵；pet表示法兰盘到机器人工具中心点的位置变换矩阵，为所求值。
所述步骤(6)具体为：
针对第i个触点对应的各关节角θ(i)，通过机器人正运动学计算出该触点对应的法兰盘在机械臂坐标系下的位姿gbe(i)，根据步骤(2)将gbe(i)展开为：
其中，Rbe(i)、pbe(i)分别为该触点对应的法兰盘在机械臂坐标系下的姿态及位置；
根据步骤(2)得到该触点对应的机器人工具中心点在机械臂坐标系下的位置pbt(i)为：
pbt(i)＝Rbe(i)*pet+pbe(i) (2)
所述步骤(4)得到的若干触点均在标定工具的标定平面上，则将pbt(i)写成如下形式：
其中，(x(i),y(i),z(i))表示第i个触点在机械臂坐标系下的坐标，也即该触点对应的机器人工具中心点在机械臂坐标系下的坐标；
根据步骤(3)得到的平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，对任一触点对应的机器人工具中心点在机械臂坐标系下的位置pbt(i)，理论上有：
Ax(i)+By(i)+Cz(i)+D＝0 (4)
则根据式(2)得到：
记
其中，a(i)、b(i)、c(i)、d(i)分别表示向量F(i)的元素；
将n个触点对应的法兰盘在机械臂坐标系下的位姿代入式(6)，联立写成：
其中，n为触点数量；
即
其中，
则有
至此求得pet，标定完成。
所述步骤(3)中相机采用深度相机，计算得到标定工具的标定平面的平面方程具体为：
(31)深度相机采集得到标定工具的RGB-D图像，并计算得到RGB图像上的某一个像素在相机坐标系下的三维坐标(x0,y0,z0)；
(32)根据步骤(1)的手眼标定将RGB图像上的某一个像素在相机坐标系下的三维坐标(x0,y0,z0)转换至机械臂坐标系下对应的三维坐标(x,y,z)；
(33)根据标定工具的标定平面上的所有点基于PCL库拟合得到标定工具的标定平面的平面方程Ax+By+Cz+D＝0。
有益效果：本发明通过和视觉的耦合，在TCP标定上弥补了手眼标定存在的误差，提高了整体***标定精度，对人工操作要求低，简单易用实用，提高了***作业的可靠性和精确性。
附图说明
图1为本发明的标定方法的流程图。
图2为本发明的手眼标定示意图。
图3为本发明另一实施例的手眼标定示意图。
其中，1为机械臂，11为机械臂末端，2为相机，3为标定板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明提供了一种机器人工具中心点标定方法，流程图如图1所示，包括步骤：
(1)进行手眼标定；
如图2、3所示，本发明中，相机根据安装位置的不同分为两种情形，分别为“眼在手外”和“眼在手上”，其中，“眼在手外”指的是相机安装在机械臂外能够观测到固定标定工具的位置处；“眼在手上”指的是相机固定安装在机械臂末端上，用以观测固定标定工具。手眼标定有现有比较成熟的方案可执行，比如基于opencv或基于matlab；其中，手眼标定求解出在机械臂坐标系下相机的位姿gbc及法兰盘到相机的位姿变换矩阵gec，其中法兰盘表示机械臂末端安装末端执行器的端面。
(2)根据步骤(1)计算出法兰盘到机器人工具中心点(TCP)的位姿变换矩阵；
在机械臂坐标系下将TCP的位姿记为gbt、相机的位姿记为gbc、法兰盘的位姿记为gbe，则法兰盘到TCP的位姿变换矩阵为get、法兰盘到相机的位姿变换矩阵gec，具体关系如下：
gbt＝gbe*get
gbc＝gbe*gec
由于位姿可以写成姿态和位置组合的齐次变换矩阵形式，则上式可表示为：
进一步展开得到：
其中，Rbt、Rbc、Rbe分别表示TCP、相机、法兰盘在机械臂坐标系下的姿态，Ret、Rec分别表示法兰盘到TCP的姿态变换矩阵、法兰盘到相机的姿态变换矩阵；pbt、pbc、pbe分别表示TCP、相机、法兰盘在机械臂坐标系下的位置，pet、pec分别表示法兰盘到TCP的位置变换矩阵、法兰盘到相机的位置变换矩阵；在只标定TCP的情况下，Ret为单位矩阵，pet即为所求值；
(3)将标定工具安装在机器人工作空间中适当位置处，通过相机采集包含机器人机械臂和标定工具的图像，并基于相机测量标定得到标定工具的标定平面上的点在相机坐标系下的三维坐标，据此计算标定工具的标定平面的平面方程Ax+By+Cz+D＝0；其中，标定工具采用的是标定板，其标定平面上设置有若干标定点；相机采用的是双目或深度相机；
具体为：
(31)本实施例基于深度相机，深度相机采集得到标定工具的RGB-D图像，包括一张深度图像和一张RGB图像，深度图像上的像素和RGB图像上的像素一一对应，因此计算得到RGB图像上的某一个像素(也即标定工具的标定平面上的某一个点)均拥有相机坐标系下对应的三维坐标(x0,y0,z0)；
(32)根据步骤(1)的手眼标定将步骤(31)计算得到的标定工具的标定平面上的某一个点在相机坐标系下的三维坐标(x0,y0,z0)转换为机械臂坐标系下对应的三维坐标(x,y,z)，再根据标定工具的标定平面上的所有点基于PCL库拟合得到标定工具的标定平面的平面方程Ax+By+Cz+D＝0；
由此得到：
其中I为单位矩阵；
(4)控制机器人使得其末端执行器上安装的工具上的TCP点接触标定工具的标定平面，得到第一个触点，并记录发生接触时机器人机械臂的各关节角集合θ1，控制机器人使得工具上的TCP点远离标定工具；
(5)控制机器人工具上的TCP点接触标定工具的标定平面，得到第i个触点，并记录发生接触时机器人机械臂的各关节角集合θ(i)，控制机器人使得工具上的TCP点远离标定工具；重复本步骤N-1次，一共获得N个触点和N组关节角集合[θ1,…,θN],i∈[1,N]；
(6)根据步骤(5)，采用如下公式计算：
从第i个触点对应的关节角集合θ(i)出发，通过机器人正运动学计算出该触点对应的法兰盘在机械臂坐标系下的位姿gbe(i)，且gbe(i)可展开为
其中，Rbe(i)、pbe(i)分别为该触点对应的法兰盘在机械臂坐标系下的姿态及位置；
根据步骤(2)可得该触点对应的TCP在机械臂坐标系下的位置pbt(i)为：
pbt(i)＝Rbe(i)*pet+pbe(i) (2)
由于步骤(5)获得的N个触点均在标定工具的标定平面上，为共面，将pbt(i)写成如下形式：
其中，(x(i),y(i),z(i))表示第i个触点在机械臂坐标系下的坐标，也即该触点对应的TCP在机械臂坐标系下的坐标；
对任一触点对应的TCP在机械臂坐标系下的位置pbt(i)，则根据步骤(3)得到的平面方程理论上有：
Ax(i)+By(i)+Cz(i)+D＝0 (4)
则根据式(2)可得到：
记
其中，a(i)、b(i)、c(i)、d(i)分别表示向量F(i)的元素；
因为标定存在误差，将n个触点对应的法兰盘在机械臂坐标系下的位姿代入式(6)，联立写成：
即
其中
则有
至此求得pet，标定完成。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种机器人工具中心点标定方法，其特征在于：包括步骤：
(1)机器人进行手眼标定；
(2)根据步骤(1)计算得到法兰盘到机器人工具中心点的位姿变换矩阵，其中，法兰盘为机械臂末端安装末端执行器的端面；
(3)将标定工具安装在机器人工作空间中，通过相机采集包含机械臂和标定工具的图像，并根据步骤(1)计算得到标定工具的标定平面的平面方程；
(4)控制机器人工具中心点接触标定工具的标定平面，得到若干触点及对应的机械臂各关节角；
(5)通过机器人正运动学计算得到在对应触点时法兰盘在机械臂坐标系下的位姿；
(6)根据步骤(3)得到的标定平面的平面方程结合步骤(4)得到的所有触点的坐标和步骤(5)计算得到的法兰盘在机械臂坐标系下的位姿构建方程组，并据此计算得到法兰盘到机器人工具中心点的位姿变换矩阵。
2.根据权利要求1所述的机器人工具中心点标定方法，其特征在于：所述相机存在两种安装方式：其一，相机安装在机械臂外能够观测到固定标定工具的位置处；其二，相机固定安装在机械臂末端上。
3.根据权利要求1所述的机器人工具中心点标定方法，其特征在于：所述相机采用的是双目或深度相机。
4.根据权利要求1所述的机器人工具中心点标定方法，其特征在于：所述标定工具采用的是标定板。
5.根据权利要求1所述的机器人工具中心点标定方法，其特征在于：所述步骤(2)具体为：
已知在机械臂坐标系下将机器人工具中心点的位姿为gbt、法兰盘的位姿为gbe，则法兰盘到机器人工具中心点的位姿变换矩阵get：
gbt＝gbe*get
将前述位姿写成姿态和位置组合的齐次变换矩阵形式：
则法兰盘到机器人工具中心点的位姿变换矩阵get展开得到：
其中，Rbt、Rbe分别表示机器人工具中心点、法兰盘在机械臂坐标系下的姿态；pbt、pbe分别表示机器人工具中心点、法兰盘在机械臂坐标系下的位置；Ret表示法兰盘到机器人工具中心点的姿态变换矩阵，为单位矩阵；pet表示法兰盘到机器人工具中心点的位置变换矩阵，为所求值。
6.根据权利要求5所述的机器人工具中心点标定方法，其特征在于：所述步骤(6)具体为：
针对第i个触点对应的各关节角θ(i)，通过机器人正运动学计算出该触点对应的法兰盘在机械臂坐标系下的位姿gbe(i)，根据步骤(2)将gbe(i)展开为：
其中，Rbe(i)、pbe(i)分别为该触点对应的法兰盘在机械臂坐标系下的姿态及位置；
根据步骤(2)得到该触点对应的机器人工具中心点在机械臂坐标系下的位置pbt(i)为：
pbt(i)＝Rbe(i)*pet+pbe(i) (2)
所述步骤(4)得到的若干触点均在标定工具的标定平面上，则将pbt(i)写成如下形式：
其中，(x(i)，y(i)，z(i))表示第i个触点在机械臂坐标系下的坐标，也即该触点对应的机器人工具中心点在机械臂坐标系下的坐标；
根据步骤(3)得到的平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，对任一触点对应的机器人工具中心点在机械臂坐标系下的位置pbt(i)，理论上有：
Ax(i)+By(i)+Cz(i)+D＝0 (4)
则根据式(2)得到：
记
其中，a(i)、b(i)、c(i)、d(i)分别表示向量F(i)的元素；
将n个触点对应的法兰盘在机械臂坐标系下的位姿代入式(6)，联立写成：
其中，n为触点数量；
即
其中，
则有
至此求得pet，标定完成。
7.根据权利要求1所述的机器人工具中心点标定方法，其特征在于：所述步骤(3)中相机采用深度相机，计算得到标定工具的标定平面的平面方程具体为：
(31)深度相机采集得到标定工具的RGB-D图像，并计算得到RGB图像上的某一个像素在相机坐标系下的三维坐标(x0，y0，z0)；
(32)根据步骤(1)的手眼标定将RGB图像上的某一个像素在相机坐标系下的三维坐标(x0，y0，z0)转换至机械臂坐标系下对应的三维坐标(x，y，z)；
(33)根据标定工具的标定平面上的所有点基于PCL库拟合得到标定工具的标定平面的平面方程Ax+By+Cz+D＝0。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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