CN108195327B - 一种基于机器人的附加轴标定方法及终端 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及智能机器领域，公开了一种基于机器人的附加轴标定方法及终端。本发明中基于机器人的附加轴标定方法，包括：分别计算附加轴中各待标定轴在参考坐标系下的位姿关系；其中，在计算一待标定轴在参考坐标系下的位姿关系时，具体包括：选定标志点，标志点用于待标定轴，利用示教方法获得标志点在参考坐标系下的坐标值，根据标志点的各坐标值计算出待标定轴在参考坐标系的位姿关系；利用各位姿关系确定相邻两个待标定轴之间的变换关系。该方法不受附加轴的轴数及轴类型的限制，应用范围更广，且精度更高。

Description

一种基于机器人的附加轴标定方法及终端

技术领域

本发明实施例涉及智能机器领域，特别涉及基于机器人的附加轴标定技术。

背景技术

工业机器人越来越多地被用在工业生产中。工业机器人的应用场景多样，但单个机器人的作业范围有限，无法满足需要较大工作空间的焊接等作业任务。为扩展工业机器人工作空间，使得工业机器人的位置及姿态可达，通常将附加轴系统作为外设与机器人相连。但要使附加轴系统能够与机器人同步运动，还需要标定二者的位姿关系。

本申请发明人发现，现有方法中多采用测量附加轴系统与机器人二者关系并明确附加轴系统内部各轴之间关系后进行配置二者之间的关系。比如一种标定方法中给出了一种确定机器人与变位机之间位姿关系的标定方法，但该方法只适用于双轴变位机的标定，同时对外部轴的位置有要求。此外该方法存在的随机因素较多，而且很难控制，因此标定的误差往往较大，另外，对于机器人的轴数和应用场景也有诸多限制。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种基于机器人的附加轴标定方法及终端，使得不受附加轴系统中的轴数和类型的限制，应用范围更广，且精度更高。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于机器人的附加轴标定方法，包括：分别计算附加轴中各待标定轴在参考坐标系下的位姿关系；其中，在计算一所述待标定轴在参考坐标系下的位姿关系时，具体包括：选定标志点，所述标志点用于待标定轴，利用示教方法获得所述标志点在参考坐标系下的坐标值，根据标志点的各坐标值计算出所述待标定轴在所述参考坐标系的位姿关系；利用各所述位姿关系确定相邻两个所述待标定轴之间的变换关系。

本发明的实施方式还提供了一种终端，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述的基于机器人的附加轴标定方法。

本发明的实施方式还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于机器人的附加轴标定方法。

本发明实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：由于机器人末端位置在世界坐标系下的坐标值可以通过机器人直接获得，所以利用示教方法获得标定点的坐标值，同时标定点的获得在机器人及附加轴系统在被安装固定之后，这样所得到的位置坐标值不受附加轴安装时的装配误差影响，进而利用参考坐标系求得各待标定轴的位姿关系，得到各轴之间的变换关系，这样无需了解附加轴系统内部轴之间的关系也可完成标定，同时不受附加轴的轴数及轴类型的限制，应用范围更广。

作为进一步改进，待标定轴属于变位机，所述参考坐标系为世界坐标系；所述根据标志点的各坐标值计算出所述待标定轴在所述参考坐标系的位姿关系的步骤中，具体包括：若所述待标定轴为旋转轴，则根据所述标志点的各坐标值计算出的所述旋转轴对应的圆平面，并根据所述圆平面计算出所述旋转轴在所述世界坐标系下的位姿关系；若所述标定轴为线性轴，则根据所述标志点的各坐标值建立所述线性轴的坐标系，根据所述线性轴的坐标系和所述世界坐标系，确定出所述线性轴的坐标系在所述世界坐标系的位姿关系。进一步限定标定轴为变位机，细化标定方法，使得标定更为准确。

作为进一步改进，所述利用示教方法获得所述标志点在参考坐标系下的坐标值中，具体包括：对所述标志点多次示教，并获得所述标志点在参考坐标系下的多个坐标值；其中，对所述标志点示教的次数和所述待标定轴的类型相关；若所述待标定轴为旋转轴，则对所述标志点至少示教3次；若所述待标定轴为线性轴，则对所述标志点至少示教2次。限定对标志点的示教次数，使得获取位姿关系时可以有更多数据，使得获得的位姿关系更为准确。

作为进一步改进，在对所述标志点多次示教时，每次示教时所述待标定轴的关节角度不同。进一步限定每次示教时标定轴的关节角度不同，使得获得的数据更为丰富，进一步提高获得的位姿关系的准确度。

作为进一步改进，所述标志点的位置和所述待标定轴的类型相关；若所述待标定轴为旋转轴，则所述标志点和所述待标定轴的旋转轴线距离大于或等于预设值。限定标定轴为旋转轴时，标志点和旋转轴之间隔开一定距离，可以使得获得的位姿关系更为准确。

作为进一步改进，所述待标定轴属于导轨，所述参考坐标系为机器人的基坐标系；所述选定标志点中所选的标志点满足以下条件：在所述导轨运动时，相对于世界坐标系静止；所述根据标志点的各坐标值计算出所述待标定轴在所述参考坐标系的位姿关系的步骤，具体包括：计算各所述标志点相对于所述基坐标系的平移向量；将所述平移向量转换为在所述世界坐标系下的平移向量；根据转换后的平移向量获得所述待标定轴在所述世界坐标系的位姿关系。本实施例限定标定轴为导轨，细化了标定方法，使得对所属导轨的标定轴进行标定时，标定更为准确。

作为进一步改进，相邻两个待标定轴之间的变换关系利用位姿矩阵或转换式表示。利用矩阵或转换式表达变换关系，使得变换关系更为清楚直接。

作为进一步改进，待标定的附加轴包括两类，一类属于变位机，另一类属于导轨；所述基于机器人的附加轴标定方法还包括：优先对所属导轨的待标定附加轴组进行标定。限定两类附加轴同时存在时的标定顺序，使得标定过程更为简便，变换关系更为准确。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明第一实施方式中基于机器人的附加轴标定方法流程图；

图2是根据本发明第一实施方式中基于机器人的附加轴标定方法中示教方法的流程图；

图3是根据本发明第四实施方式中的终端。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种基于机器人的附加轴标定方法。

现有的附加轴系统一般被分为：变位机系统和导轨系统。本实施方式以附加轴属于变位机为例进行具体说明，其流程如图1所示，具体如下：

步骤101，选定标志点。

具体的说，标志点可以从待标定轴上选定，选定的标志点可以是任意点，其随待标志点一起运动。如果待标定轴为旋转轴，标志点可以是和待标定轴的旋转轴线有一定距离的点，标志点和旋转轴线的距离可以大于或等于预设值，其中的预设值可以由技术人员根据实际情况设定。

步骤102，利用示教方法获得标志点在参考坐标系下的坐标值。

具体的说，本实施方式中的参考坐标系为世界坐标系，世界坐标系是系统的绝对坐标系，所有点的坐标都是以该坐标系的原点来确定各自的位置的。可以在非待标定轴保持不动、待标定轴关节角度不同的情况下，对该标志点进行示教，示教得到的坐标值均为世界坐标系(world)下的值。其中，每次运动量可以稍大，如果为旋转轴，可以是不超过360°的任意值。具体示教过程可以如图2所示。

更具体的说，本步骤可以对选定的标志点多次示教，并获得该标志点在参考坐标系下的多个坐标值。其中，对标志点示教的次数和待标定轴的类型相关；若待标定轴为旋转轴，则对标志点至少示教3次；若待标定轴为线性轴，则对标志点至少示教2次。进一步说，在对标志点多次示教时，每次示教时待标定轴的关节角度不同。

步骤103，根据标志点的各坐标值计算出待标定轴在参考坐标系的位姿关系。

具体的说，由于变位机可由旋转轴和(或)线性轴组成，所以在本实施方式中进行分别说明：

一、如果待标定轴为旋转轴，那么获得各轴之间待标定轴在参考坐标系的位姿关系的具体方法如下：

A.计算旋转轴

首先，可以求得第i个轴的旋转三点所在圆平面：

圆平面方程为：Aix+Biy+Ciz+Di＝0 (1)

其中：

A_i＝y_i1*z_i2+z_i1*y_i3+y_i2*z_i3-y_i1*z_i3-z_i1*y_i2-y_i3*z_i2

B_i＝-x_i1*z_i2-z_i1*x_i3-x_i2*z_i3+y_i1*z_i3+z_i1*y_i2+y_i3*z_i2

C_i＝x_i1*y_i2+y_i1*x_i3+x_i2*y_i3-x_i1*y_i3-y_i1*x_i2-x_i3*y_i2

D_i＝-x_i1*y_i2*z_i3-x_i3*y_i1*z_i2-x_i2*y_i3*z_i1+x_i1*y_i3*z_i2+x_i2*y_i1*z_i3+x_i3*y_i2*z_i1

因此，轴i的旋转轴的方向向量为：

D_vector＝[Ai,Bi,Ci] (2)

接着，计算第i个轴的旋转三点所在空间圆的圆心，其中，三点到空间圆心坐标的距离相等，获得下式：

(x-x_i1)²+(y-y_i1)²+(z-z_i1)²＝R²

(x-x_i2)²+(y-y_i2)²+(z-z_i2)²＝R²

(x-x_i3)²+(y-y_i3)²+(z-z_i3)²＝R²

解得圆心Oi坐标为：

其中：Ai2＝2(x_i2-x_i1)，Bi2＝2(y_i2-y_i1)，Ci2＝2(z_i2-z_i1)，

Di2＝x_i1 ²+y_i1 ²+z_i1 ²-x_i2 ²-y_i2 ²-z_i2 ²。

Ai3＝2(x_i3-x_i1)，Bi3＝2(y_i3-y_i1)，Ci3＝2(z_i3-z_i1)，

Di3＝x_i1 ²+y_i1 ²+z_i1 ²-x_i3 ²-y_i3 ²-z_i3 ²

B.建立轴坐标系：

以圆心为第i个轴的坐标原点，以O_iP_i0方向为x轴，以旋转轴的方向向量D_vector为z轴，y轴方向按右手定则，确定第i个轴的坐标系；x轴的单位方向向量为n_i＝[x_i0-x_i，y_i0-y_i，z_i0-z_i]^T，z轴的单位方向向量为ai＝(D_vector)/||D_vector||，y轴的单位方向向量为o_i＝a_i×n_i。

由此可以得到该轴坐标系相对于世界坐标系的位姿矩阵：

二、如果待标定轴为线性轴，那么获得待标定轴在参考坐标系的位姿关系的具体方法如下：

A.确定z轴：

待标定轴所在坐标系的z轴即为两示教点所在直线的方向向量，即轴i的z轴为a_i＝±(P_i1-P_i0)/||P_i1-P_i0||(正负号取值由轴移动的正负方向确定)。

B.建立轴坐标系

如果待标定轴为该附加轴系统中的第一个轴，则以世界坐标系原点为该轴坐标系原点；否则，以上一个轴坐标系的原点作为该轴的原点。

其中x轴的确定方法为：取该轴前一个坐标系(当该轴为该附加轴系统第一个轴时，该轴前一个坐标系为世界坐标系)中不与该轴z轴平行的轴与ai的叉乘为该坐标系的x轴，轴的选取顺序为z->y->x。y轴的确定方式按右手系。坐标系的原点取该轴前一个坐标系的原点。同样可得该轴坐标系相对于世界坐标系的位姿矩阵。

三、建立法兰坐标系：

在各轴不动的情况下在法兰上选取三个标志点，并示教，得到世界坐标系(world)下的坐标值，通过三个点即可建立法兰坐标系在世界坐标系下的位姿矩阵

上述步骤101至103实际上分别计算附加轴中各待标定轴在参考坐标系下的位姿关系。

步骤104，利用各位姿关系确定相邻两个待标定轴之间的变换关系。

具体的说，当所有轴位于零点时，有

故由此可以得到相邻轴的变换矩阵

一个有n个轴的变位机系统法兰坐标系相对于前一个轴的变换矩阵为

当已知各个轴的关节角θi(i＝1,…,n)时，法兰坐标系下一点T_flange可由下式变换到世界坐标系下的坐标。

其中，

当该轴为旋转轴时

当该轴为线性轴时

可见，本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：由于机器人末端位置在世界坐标系下的坐标值可以通过机器人直接获得，所以利用示教方法获得标定点的坐标值，同时标定点的获得在机器人及附加轴系统在被安装固定之后，这样所得到的位置坐标值不受安装时的装配误差影响，进而利用参考坐标系求得各待标定轴的位姿关系，得到各轴之间的变换关系，这样无需了解附加轴系统内部轴之间的关系也可完成标定，同时不受附加轴的轴数及轴类型的限制，应用范围更广。

本发明的第二实施方式涉及一种基于机器人的附加轴标定方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中限定待标定轴为变位机，而在本发明第二实施方式中限定待标定附加轴系统为导轨。

本实施方式中的基于机器人的附加轴标定方法流程图同样如图1所示，同时参考坐标系为基坐标系(即base坐标系，即机器人基坐标系)，下面主要针对和第一实施方式中产生的区别具体介绍，其流程图同样如图1所示：

步骤102中利用示教方式获得标志点的各坐标值的方法如下：

(1)取导轨运动时相对世界坐标系静止的一个标志点，作为后续的标志点；

(2)对标志点进行示教P_i0＝[x_i0,y_i0,z_i0]’；

(3)将轴i运动一段距离，对标志点进行示教P_i1＝[x_i1,y_i1,z_i1]’(需标出正反向)；

(4)重复(2)～(3)得到其他轴运动时示教相应标志点的各坐标值；

步骤103根据标志点的各坐标值计算出待标定轴在参考坐标系的位姿关系。具体的说，建立各轴在base坐标系下的z轴方向向量如下：当一个轴发生运动时，标志点在机器人base坐标系下的平移方向与轴的运动方向相反，并且两者的平移量相同。z轴方向(相对于机器人base坐标系)的单位平移方向向量为a_i'＝±(P_i0-P_i1)/||P_i0-P_i1||(正负取值为轴移动的正反向)中的正反向)。将其转换到world坐标系下，即可得导轨第i个轴在world坐标系下平移的单位方向向量

另外，xy轴及坐标系原点的确定方法与第一实施方式中变位机系统标定-线性轴坐标系的建立步骤相类似，在此不再赘述。

步骤104，利用各位姿关系确定相邻两个待标定轴之间的变换关系。

具体的说，建立各轴之间的传递关系的方法和第一实施方式中相类似。确定从world到最后导轨系统中最后一根轴之间的传递关系之后，还需要确定最后一根轴到机器人base坐标系之间的传递关系。设共有n个轴的导轨系统，最后一根轴的坐标系相对于world坐标系的齐次矩阵为

base坐标系相对world坐标系的齐次矩阵为

则从n轴到base坐标系的传递齐次矩阵为：

故，有导轨系统的机器人从世界坐标线到基坐标系的传递关系有：

其中，

可见，本发明中的附加轴标定方法细化了导轨系统下附加轴的标定方法，步骤便捷，标定结果准确。

本发明的第三实施方式涉及一种基于机器人的附加轴标定方法。第三实施方式是在第一实施方式或第二实施方式的基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：第一实施方式或第二实施方式中的待标定附加轴或属于变位机，或属于导轨，而本实施方式中的待标定附加轴中有些属于变位机的附加轴，另一些属于导轨的附加轴。

具体的说，本实施方式中的附加轴标定方法中具体包括：优先对所属导轨的待标定附加轴系统进行标定。也就是说，本实施方式中的附加轴可以包含两类，一类属于变位机，一类属于导轨，那么在标定过程中，可以先对所属导轨的附加轴组进行标定，标定完成后再对所属变位机的附加轴组进行标定，这样可以先确定机器人基坐标系与世界坐标系之间的关系，使得标定过程更为简便，变换关系更为准确。

实际应用中，所包含的附加轴系统可以有多个，如多个变位机系统。

可见，本发明中的附加轴标定方法不仅可以应用在变位机系统，也可以应用在导轨系统，其中，无论是线性轴、旋转轴、或其二者混合构成的附加轴系统均可进行标定，应用场景十分广泛，同时也不受附加轴系统的轴数和内部结构的影响，便于推广。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第四实施方式涉及一种终端，如图3所示，包括：

至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行如第一实施方式至第三实施方式中任意一种基于机器人的附加轴标定方法。

其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。

处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。

本发明第五实施方式涉及一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序。计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例。

即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于机器人的附加轴标定方法，其特征在于，包括：

分别计算附加轴中各待标定轴在参考坐标系下的位姿关系；其中，在计算一所述待标定轴在参考坐标系下的位姿关系时，具体包括：选定标志点，所述标志点位于待标定轴上，利用示教方法对所述标志点进行多次示教，并在每次所述示教时获得所述标志点在参考坐标系下的坐标值，根据所述标志点的多个所述坐标值计算出所述待标定轴在所述参考坐标系的位姿关系；

利用各所述位姿关系确定相邻两个所述待标定轴之间的变换关系；

所述待标定轴属于变位机时，所述参考坐标系为世界坐标系；

所述根据标志点的各坐标值计算出所述待标定轴在所述参考坐标系的位姿关系的步骤中，具体包括：

若所述待标定轴为旋转轴，则根据所述标志点的各坐标值计算出的所述旋转轴对应的圆平面，并根据所述圆平面计算出所述旋转轴在所述世界坐标系下的位姿关系；

若所述标定轴为线性轴，则根据所述标志点的各坐标值建立所述线性轴的坐标系，根据所述线性轴的坐标系和所述世界坐标系，确定出所述线性轴的坐标系在所述世界坐标系的位姿关系；

所述待标定轴属于导轨时，所述参考坐标系为机器人的基坐标系；

所述选定标志点中所选的标志点满足以下条件：在所述导轨运动时，相对于世界坐标系静止；

所述根据标志点的各坐标值计算出所述待标定轴在所述参考坐标系的位姿关系的步骤，具体包括：

计算各所述标志点相对于所述基坐标系的平移向量；

将所述平移向量转换为在所述世界坐标系下的平移向量；

根据转换后的平移向量获得所述待标定轴在所述世界坐标系的位姿关系。

2.根据权利要求1所述的基于机器人的附加轴标定方法，其特征在于，对所述标志点示教的次数和所述待标定轴的类型相关；

若所述待标定轴为旋转轴，则对所述标志点至少示教3次；

若所述待标定轴为线性轴，则对所述标志点至少示教2次。

3.根据权利要求2所述的基于机器人的附加轴标定方法，其特征在于，在对所述标志点多次示教时，每次示教时所述待标定轴的关节角度不同。

4.根据权利要求1所述的基于机器人的附加轴标定方法，其特征在于，所述标志点的位置和所述待标定轴的类型相关；

若所述待标定轴为旋转轴，则所述标志点和所述待标定轴的旋转轴线距离大于或等于预设值。

5.根据权利要求1所述的基于机器人的附加轴标定方法，其特征在于，所述相邻两个待标定轴之间的变换关系利用位姿矩阵或转换式表示。

6.根据权利要求1所述的基于机器人的附加轴标定方法，其特征在于，所述待标定的附加轴包括两类，一类属于变位机，另一类属于导轨；

所述基于机器人的附加轴标定方法还包括：优先对所属导轨的待标定附加轴系统进行标定。

7.一种终端，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至6中任一所述的基于机器人的附加轴标定方法。

8.一种计算机可读存储介质，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6中任一项所述的基于机器人的附加轴标定方法。

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