CN115307542A - 基于激光扫描仪的工业机器人工具坐标系标定方法 - Google Patents

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CN115307542A CN202210681404.6A CN202210681404A CN115307542A CN 115307542 A CN115307542 A CN 115307542A CN 202210681404 A CN202210681404 A CN 202210681404A CN 115307542 A CN115307542 A CN 115307542A
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朱斯祺
刘港
王克鸿
胡晓勇
熊亮同
解西安
陈天运
王兴国
高鹏
赵壮
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Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co Ltd
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Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co Ltd
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Abstract

本发明公开一种基于激光扫描仪的工业机器人工具坐标系标定方法，包括步骤为：将机器人的末端A5轴平行于基面，保持法兰盘中心位置不变，使法兰盘中心分别绕法兰盘坐标系X轴，Y轴，Z轴旋转，每个旋转方向取10个点，采集每个位置的标靶球的三维点云，拟合出每个位置的球心坐标，根据球心坐标拟合每个旋转方向的拟合圆，根据拟合半径确定标靶球的球心在X轴，Y轴，Z轴方向距离法兰盘中心的距离，在移动工业机器人，向X轴，Y轴，Z轴正方向移动，确定标靶球在法兰盘坐标系中的相对位置，将该坐标位置输入机器人控制***中，机器人自动生成标靶球球心的工具坐标系。本发明操作简便，标定精度高。

Description

基于激光扫描仪的工业机器人工具坐标系标定方法
技术领域
本发明涉及基于激光扫描仪的工业机器人工具坐标系标定方法，涉及工业测量领域。
背景技术
在工业生产中利用跟踪式激光无线三维扫描仪对待焊接工件扫描，获得工件高精度三维点云模型，在对三维点云模型进行处理，获得待焊工件焊缝的点云坐标，在将该点云坐标转换为工业机器人坐标系的点位坐标。
其中如何将点云坐标转换至工业机器人坐标系下的点位坐标需要利用标靶球作为中间转换标件，在此之前需要确定标靶球在工业机器人坐标系下的工具坐标。
因此如何精确获得标靶球在工业机器人坐标系下工具坐标对提高坐标系转换的精度至关重要。
发明内容
本发明目的在于利用一个半径已知的球体，操作工业机器人末端法兰盘中心绕着法兰盘坐标系三个轴进行旋转，拟合出每个方向得到的拟合圆的半径和圆心，在通过拟合圆半径联立方程组，解出球心坐标的标值，在操作工业机器人使安装在末端法兰盘上的标靶球在空间中移动两个位置，获得球心坐标系的X,Y,Z轴的正方向。
实现本发明目的提供技术方案如下：
一种基于激光扫描仪的工业机器人工具坐标系标定方法，首先要确定标靶球球心坐标系在工业机器人的法兰盘坐标系中的TCP点，首先将工业机器人末端安装的标靶球绕着工业机器人末端的法兰盘中心绕着法兰盘坐标系的X,Y,Z轴旋转并在每个方向上使用激光扫描仪采集10个点，其中包括如下步骤：
(1)将激光跟踪仪放置于工业机器人本体前方3米处，并提前预热；
(2)在工业机器人本体末端的法兰盘上固定安装标靶球连接件和标靶球；
(3)将工业机器人A5轴调整至平行于底座基面，将A6轴的旋转角度变为0°，并记录下此时的坐标姿态，作为初始位姿P0；
保持法兰盘坐标不变，改变机器人姿态，操作工业机器人使其末端绕着法兰盘坐标系的X轴方向顺时针旋转，逐步改变其姿态并记录下当前位置的三维点云，记录下10 个点，将其编号为X1～X10；
重复步骤(2)～(3)，操作工业机器人使其末端绕着法兰盘坐标系的Y轴方向顺时针旋转，逐步改变其姿态并记录下当前位置的三维点云，记录下10个点，将其编号为 Y1～Y10；
重复步骤(2)～(3)，操作工业机器人使其末端绕着法兰盘坐标系的Z轴方向顺时针旋转，逐步改变其姿态并记录下当前位置的三维点云，记录下10个点，将其编号为 Z1～Z10。
进一步的，设绕着法兰盘坐标系X轴拟合圆半径为RX，绕着法兰盘坐标系Y轴拟合圆半径为RY，绕着法兰盘坐标系Z轴拟合圆半径为RZ，将各个方向采集的10个点的三维点云使用geomagic studio软件拟合出各个方向每个点在跟踪式激光扫描仪坐标系下的球心坐标，根据球心坐标拟合出拟合圆，获得各个方向的拟合圆半径值。
进一步的，根据得到的拟合圆半径值联立方程组获得球心坐标的标值，包含以下步骤：
设靶球的球心坐标为(X,Y,Z)；
标靶球在绕着法兰盘坐标系的X轴旋转时，标靶球球心在Y轴和Z轴的投影到球心的距离是不变的，则绕着法兰盘坐标系X轴的拟合圆半径值RX的平方等于：
Rx 2＝|Y|2+|Z|2
标靶球在绕着法兰盘坐标系的Y轴旋转时，标靶球球心在X轴和Z轴的投影到球心的距离是不变的，则绕着法兰盘坐标系Y轴的拟合圆半径值RY的平方等于：
Ry 2＝|X|2+|Z|2
标靶球在绕着法兰盘坐标系的Z轴旋转时，标靶球球心在X轴和Y轴的投影到球心的距离是不变的，则绕着法兰盘坐标系Z轴的拟合圆半径值RZ的平方等于：
Rz 2＝|X|2+|Y|2
最终联立方程组：
Figure BDA0003698578330000021
最终解出X,Y,Z的值，从而确定标靶球的TCP；
进一步的，标靶球工具坐系的X,Y,Z正方向与法兰盘末端坐标系的正方向相同，操作工业机器人沿着X,Y,Z轴移动两个点，具体步骤如下：
(1)使工业机器人回到初始姿态P0，操作工业机器人向着法兰盘坐标系X轴方向移动100mm，记录下第一个点在机器人法兰盘坐标系下的读数Xp1，在移动100mm，记录下第二个点Xp2，则可确定法兰盘坐标系X轴正方向，标靶球的工具坐标X轴的正方向即可确定，同时可确定标靶球TCP点的正负；
(2)对于Y轴重复步骤(1)，确定标靶球的工具坐标Y轴的正方向；
(3)对于Z轴重复步骤(1)，确定标靶球的工具坐标Z轴的正方向；
将标靶球的TCP坐标输入到机器人控制***中，便能得到标靶球球心的工具坐标系。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点：
1、本发明操作简便，标定精度高。
附图说明
图1为标靶球球心绕着法兰盘坐标系Z轴旋转示意图。
图2为标靶球球心绕着法兰盘坐标系Y轴旋转示意图。
图3为标靶球球心绕着法兰盘坐标系X轴旋转示意图。
图4为标靶球在工业机器人末端法兰盘的安装方法图。
图5为标靶球在空间中不同位置的10个采集点。
图6为三维点云球心拟合结果图。
图7为拟合圆的结果图。
表1为拟合圆的球心和半径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明
利用跟踪式激光无线三维扫描仪获得在工业机器人基坐标系下标靶球球心工具坐标方法，该方法包括：将工业机器人A5轴调整至平行于底座基面，将A6轴的旋转角度变为0°，并记录下此时的坐标姿态，作为初始位姿P0；
利用跟踪式激光无线三维扫描仪获得在工业机器人基坐标系下标靶球球心工具坐标方法，该方法包括：保持法兰盘坐标不变，改变机器人姿态，使工业机器人绕着法兰盘坐标系的X轴方向顺时针旋转，逐步改变其姿态并记录下当前位置的三维点云，记录下10个点，将其编号为X1～X10；
利用跟踪式激光无线三维扫描仪获得在工业机器人基坐标系下标靶球球心工具坐标方法，该方法包括：使工业机器人回到初始位姿P0，改变机器人姿态，使工业机器人绕着绕着法兰盘坐标系的Y轴方向顺时针旋转，逐步改变其姿态并记录下当前位置的三维点云，记录下10个点，将其编号为Y1～Y10；
利用跟踪式激光无线三维扫描仪获得在工业机器人基坐标系下标靶球球心工具坐标方法，该方法包括：使工业机器人回到初始位姿P0，改变机器人姿态，使工业机器人绕着绕着法兰盘坐标系的Y轴方向顺时针旋转，逐步改变其姿态并记录下当前位置的三维点云，记录下10个点，将其编号为Y1～Y10；
利用跟踪式激光无线三维扫描仪获得在工业机器人基坐标系下标靶球球心工具坐标方法，该方法包括：使工业机器人回到初始位姿P0，改变机器人姿态，使工业机器人绕着法兰盘坐标系的Z轴方向顺时针旋转，逐步改变其姿态并记录下当前位置的三维点云，记录下10个点，将其编号为Z1～Z10；
将各个方向每个点得到的三维点云使用球心拟合算法拟合出各个方向每个点的球心坐标，根据球心坐标拟合出拟合圆，获得各个方向的拟合圆半径，设绕着法兰盘坐标系X轴拟合圆半径为RX，绕着法兰盘坐标系Y轴拟合圆半径为RY，绕着法兰盘坐标系 Z轴拟合圆半径为RZ。设靶球的球心坐标为(X,Y,Z),则绕着法兰盘坐标系X轴的拟合圆半径值RX的平方等于：
Rx 2＝|Y|2+|Z|2
绕着法兰盘坐标系X轴的拟合圆半径值RX的平方等于：
Ry 2＝|X|2+|Z|2
则绕着法兰盘坐标系Z轴的拟合圆半径值RZ的平方等于：
Rz 2＝|X|2+|Y|2
最终联立方程组：
Figure BDA0003698578330000041
最终解出X,Y,Z的值，X,Y,Z解出的值有正负，取正，之后确定x,y,z正负。
将标靶球按照图4安装在工业机器人末端法兰盘上，将工业机器人的坐标系切换到法兰盘坐标系。
操作工业机器人手柄，按住C+,B+,Z+按钮，使工业机器人绕着坐标系的X,Y,Z轴旋转，如图5所示，使用跟踪式激光三维扫描仪在各个方向采集10个点获得标靶球在该位置的三维点云。
如图6所示，对每个位置的三维点云数据进行球心拟合，从而获得三维点云的球心坐标，已经拟合圆的半径，如表1所示。
设标靶球球心在法兰盘坐标中的位置为(X,Y,Z)，最终联立方程组如下：
Figure BDA0003698578330000051
可以转换为：
Figure BDA0003698578330000052
对矩阵求逆，最终可以解出X,Y,Z的标值，X＝1578.49，Y＝94.63，Z＝105.04
移动工业机器人确定各个轴的正负，最终得到X＝578.49，Y＝-94.63，Z＝105.04，将标靶球的TCP点输入到工业机器人中。
Figure BDA0003698578330000053
表1。

Claims (4)

1.一种基于激光扫描仪的工业机器人工具坐标系标定方法，其特征在于：首先要确定标靶球球心坐标系在工业机器人的法兰盘坐标系中的TCP点，首先将工业机器人末端安装的标靶球绕着工业机器人末端的法兰盘中心绕着法兰盘坐标系的X,Y,Z轴旋转并在每个方向上使用激光扫描仪采集10个点，其中包括如下步骤：
(1)将激光跟踪仪放置于工业机器人本体前方3米处，并提前预热；
(2)在工业机器人本体末端的法兰盘上固定安装标靶球连接件和标靶球；
(3)将工业机器人A5轴调整至平行于底座基面，将A6轴的旋转角度变为0°，并记录下此时的坐标姿态，作为初始位姿P0；
(4)保持法兰盘坐标不变，改变机器人姿态，操作工业机器人使其末端绕着法兰盘坐标系的X轴方向顺时针旋转，逐步改变其姿态并记录下当前位置的三维点云，记录下10个点，将其编号为X1～X10；
(5)重复步骤(2)～(3)，操作工业机器人使其末端绕着法兰盘坐标系的Y轴方向顺时针旋转，逐步改变其姿态并记录下当前位置的三维点云，记录下10个点，将其编号为Y1～Y10；
(6)重复步骤(2)～(3)，操作工业机器人使其末端绕着法兰盘坐标系的Z轴方向顺时针旋转，逐步改变其姿态并记录下当前位置的三维点云，记录下10个点，将其编号为Z1～Z10。
2.根据权利要求1所述的基于激光扫描仪的工业机器人工具坐标系标定方法，其特征在于：设绕着法兰盘坐标系X轴拟合圆半径为RX，绕着法兰盘坐标系Y轴拟合圆半径为RY，绕着法兰盘坐标系Z轴拟合圆半径为RZ，将各个方向采集的10个点的三维点云使用geomagicstudio软件拟合出各个方向每个点在跟踪式激光扫描仪坐标系下的球心坐标，根据球心坐标拟合出拟合圆，获得各个方向的拟合圆半径值。
3.根据权利要求2所述的基于激光扫描仪的工业机器人工具坐标系标定方法，其特征在于：根据得到的拟合圆半径值联立方程组获得球心坐标的标值，包含以下步骤：
(1)设靶球的球心坐标为(X,Y,Z)；
(2)标靶球在绕着法兰盘坐标系的X轴旋转时，标靶球球心在Y轴和Z轴的投影到球心的距离是不变的，则绕着法兰盘坐标系X轴的拟合圆半径值RX的平方等于：
Rx 2＝|Y|2+|Z|2
(3)标靶球在绕着法兰盘坐标系的Y轴旋转时，标靶球球心在X轴和Z轴的投影到球心的距离是不变的，则绕着法兰盘坐标系Y轴的拟合圆半径值RY的平方等于：
Ry 2＝|X|2+|Z|2
(4)标靶球在绕着法兰盘坐标系的Z轴旋转时，标靶球球心在X轴和Y轴的投影到球心的距离是不变的，则绕着法兰盘坐标系Z轴的拟合圆半径值RZ的平方等于：
Rz 2＝|X|2+|Y|2
最终联立方程组：
Figure FDA0003698578320000021
最终解出X,Y,Z的值，从而确定标靶球的TCP。
4.根据权利要求1所述的激光扫描仪的工业机器人工具坐标系标定方法，其特征在于：标靶球工具坐系的X,Y,Z正方向与法兰盘末端坐标系的正方向相同，操作工业机器人沿着X,Y,Z轴移动两个点，具体步骤如下：
(1)使工业机器人回到初始姿态P0，操作工业机器人向着法兰盘坐标系X轴方向移动100mm，记录下第一个点在机器人法兰盘坐标系下的读数Xp1，在移动100mm，记录下第二个点Xp2，则可确定法兰盘坐标系X轴正方向，标靶球的工具坐标X轴的正方向即可确定，同时可确定标靶球TCP点的正负；
(2)对于Y轴重复步骤(1)，确定标靶球的工具坐标Y轴的正方向；
(3)对于Z轴重复步骤(1)，确定标靶球的工具坐标Z轴的正方向；
(4)将标靶球的TCP坐标输入到机器人控制***中，便能得到标靶球球心的工具坐标系。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116079790A (zh) * 2023-02-14 2023-05-09 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 一种加工机器人的工具标定装置、方法、终端及介质
CN116572255A (zh) * 2023-07-10 2023-08-11 北京集度科技有限公司 坐标原点的标定方法、标定装置及介质

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