一種基于掃描儀的機(jī)器人手眼標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于掃描儀的機(jī)器人手眼標(biāo)定方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代工業(yè)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在工業(yè)方面的應(yīng)用也越來越廣，然后 由于機(jī)器人本身的剛性不足，重復(fù)定位精度和絕對(duì)定位精度不高等問題，導(dǎo)致機(jī)器人加工 高精密零件的精度不高，無法滿足工件的質(zhì)量要求。機(jī)器人本身的精度不高是目前的機(jī)器 人普遍存在的問題，還沒有很好的解決方案，因此通過提高機(jī)器人本身的精度來提高加工 的質(zhì)量是行不通的，只能通過減少機(jī)器人加工過程中產(chǎn)生的各種誤差來提高加工的質(zhì)量。 運(yùn)些外部的誤差主要包括加工誤差、裝配誤差、調(diào)試誤差等，也會(huì)造成機(jī)器人的定位精度相 對(duì)重復(fù)定位精度較低，一般在2cm到3cm范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于通過提出一種基于掃描儀的機(jī)器人手眼標(biāo)定方法，來解決W上
【背景技術(shù)】部分提到的問題。
[0004] 為達(dá)此目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案： 陽〇化]一種基于掃描儀的機(jī)器人手眼標(biāo)定方法，其包括如下步驟：
[0006] S101、建立機(jī)器人末端工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基座標(biāo)系的變換矩陣；
[0007] S102、建立掃描儀坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人的基座標(biāo)系的變換矩陣；
[0008] S103、通過步驟S101、步驟S102計(jì)算結(jié)果，建立掃描儀坐標(biāo)系與機(jī)器人末端工具 坐標(biāo)系之間的關(guān)系，完成機(jī)器人基于掃描儀的定位精度的標(biāo)定。
[0009] 特別地，所述步驟S102包括：通過機(jī)器人加持不同半徑的標(biāo)準(zhǔn)球在掃描儀的可視 區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)，計(jì)算獲得掃描儀坐標(biāo)系相對(duì)機(jī)器人的基座標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。
[0010] 特別地，所述步驟S102具體包括：將掃描儀固定在機(jī)器人本體W外的固定位置， 機(jī)器人加持標(biāo)準(zhǔn)球，在掃描儀的可視區(qū)域內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)W構(gòu)造。、Cb兩個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系， 根據(jù)掃描儀獲取的標(biāo)準(zhǔn)球表面的弧線W及球屯、相對(duì)于激光平面的上下位置得到標(biāo)準(zhǔn)球球 屯、在掃描儀坐標(biāo)系。中的固定位置，構(gòu)建掃描儀坐標(biāo)系Cg與機(jī)器人基座標(biāo)系Cb的關(guān)系；標(biāo) 定旋轉(zhuǎn)矩陣=
[0011] 標(biāo)準(zhǔn)球球屯、在掃描儀坐標(biāo)系。中的固定位置計(jì)算過程如下：
[0012] 一、獲得激光條紋所在位置的圓弧上的點(diǎn)數(shù)據(jù)；
[001引二、根據(jù)獲得的所述點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合得到一個(gè)掃描儀XY平面內(nèi)的圓，計(jì)算圓屯、 0(0、，0,)及圓的半徑r;計(jì)算圓弧與標(biāo)準(zhǔn)球赤道平面的距離：=n/知-r2
[0014]S、掃描儀坐標(biāo)系內(nèi)的球屯、坐標(biāo)為：
[0015]
[0016] 使用另一半徑的標(biāo)準(zhǔn)球來標(biāo)定平移矩陣：在標(biāo)定旋轉(zhuǎn)矩陣的過程中，當(dāng)操作機(jī)器 人使標(biāo)準(zhǔn)球位于掃描儀視野范圍內(nèi)的時(shí)，存在如下關(guān)系式：
[0017]
[0018] 即：妒1(作>-6灰。+ '式。）=>，其中：
[0019] Sp表示標(biāo)準(zhǔn)球表面某一點(diǎn)在掃描儀坐標(biāo)系空間中的坐標(biāo).
[0020] bps。表示掃描儀坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基座標(biāo)系的平移矩陣.
[0021] ，6及表示掃描儀坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基座標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0022] bp。。表示機(jī)器人末端工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基座標(biāo)系的平移矩陣.
[0023] f取表示機(jī)器人末端工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基座標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0024] 6p表示標(biāo)準(zhǔn)球表面sp對(duì)應(yīng)的點(diǎn)在機(jī)器人末端工具坐標(biāo)系中的坐標(biāo). W25] 在標(biāo)定過程中，標(biāo)準(zhǔn)球與機(jī)器人末端工具坐標(biāo)系之間的固定位置關(guān)系固 定，故點(diǎn)6p對(duì)應(yīng)的球屯、固定，所W可通過多個(gè)式獲得市，它們擬合的球屯、都是標(biāo)準(zhǔn) 球的球屯、在機(jī)器人末端工具坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，設(shè)為0。;在保持不變的情況下，式 妒1(作巧,。+ 6化。）= > 中（次+V.、。）可擬合得到球心因bps。為未知常 量，（作>-6化。）可擬合得到球屯、，記為在坐標(biāo)系在姿態(tài)上與機(jī)器人基座標(biāo) 系保持一致，原點(diǎn)與機(jī)器人末端工具坐標(biāo)系保持bpg。的平移；0^^與0。具有如下關(guān)系： 八。）二;由于化是未知的，且汝1、0J1機(jī)器人姿態(tài)相關(guān)，"口5。有；個(gè)未知 參數(shù)，所W需構(gòu)造=個(gè)等式獲得bp,。，即需要四個(gè)不同機(jī)器人姿態(tài)下構(gòu)成=個(gè)方程W獲得bpsO:
W29] 由此可解得平移矩陣bpg。。
[0030] 本發(fā)明提出的基于掃描儀的機(jī)器人手眼標(biāo)定方法完成了機(jī)器人基于掃描儀的定 位精度的標(biāo)定，w此來計(jì)算掃描儀相對(duì)于機(jī)器人的固定位置關(guān)系，從而再利用掃描儀來對(duì) 機(jī)器人末端加持工具進(jìn)行掃描，得到機(jī)器人末端的工具相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的實(shí)際位 置，克服由于安裝等技術(shù)操作上的不精確而產(chǎn)生的誤差，使得標(biāo)定后的工業(yè)機(jī)器人能夠在 不同的場合完成對(duì)工件的精確掃描，從而對(duì)工件進(jìn)行精確的加工，提高了加工的精度。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明提供的基于掃描儀的機(jī)器人手眼標(biāo)定系統(tǒng)原理圖；
[0032]圖2為本發(fā)明的基于掃描儀的機(jī)器人手眼標(biāo)定系統(tǒng)坐標(biāo)系關(guān)系圖；
[0033] 圖3為本發(fā)明提供的基于掃描儀的機(jī)器人手眼標(biāo)定方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。可W理解的是，此處所描述的具 體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描 述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部內(nèi)容。
[0035] 請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，圖1為本發(fā)明提供的基于掃描儀的機(jī)器人手眼標(biāo)定系統(tǒng)原理圖， 圖中101為機(jī)器人，102為工件，103為掃描儀，104為機(jī)器人的基座。根據(jù)掃描儀安裝位置 的不同，手眼系統(tǒng)分為兩種類型。一種是Eye-in-hand，在該類型的手眼系統(tǒng)中，掃描儀固定 在機(jī)器人的末端，掃描儀跟隨機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)。視覺引導(dǎo)系統(tǒng)是該類系統(tǒng)應(yīng)用的典型代表， 在視覺引導(dǎo)系統(tǒng)中，掃描儀通過對(duì)工件表面的特征識(shí)別，引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到準(zhǔn)確的固定位 置來完成任務(wù)。另一種是Eye-to-hand，在該類型的手眼系統(tǒng)中，掃描儀固定在機(jī)器人本體 W外的固定位置，二者空間位置上相互獨(dú)立。由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程的一些不可控因素，第二 種Eye-to-hand方式更加實(shí)用，本發(fā)明也是基于第二種方式。如圖2所示，圖2為本發(fā)明的 基于掃描儀的機(jī)器人手眼標(biāo)定系統(tǒng)坐標(biāo)系關(guān)系圖，圖中201為機(jī)器人末端工具坐標(biāo)系，202 為工件坐標(biāo)系，203為掃描儀坐標(biāo)系，204為機(jī)器人的基座標(biāo)系。
[0036] 如圖3所示，本實(shí)施例中基于掃描儀的機(jī)器人手眼標(biāo)定方法具體包括：
[0037]S301、建立機(jī)器人末端工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基座標(biāo)系的變換矩陣。
[0038]S302、建立掃描儀坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人的基座標(biāo)系的變換矩陣。
[0039]S303、通過步驟S301、步驟S302計(jì)算結(jié)果，建立掃描儀坐標(biāo)系與機(jī)器人末端工具 坐標(biāo)系之間的關(guān)系，完成機(jī)器人基于掃描儀的定位精度的標(biāo)定。
[0040] 通過手眼標(biāo)定建立機(jī)器人與掃描儀之間的坐標(biāo)系關(guān)系。在Eye-to-hand方式中， 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，掃描儀坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端工具坐標(biāo)系的關(guān)系是實(shí)時(shí)變化的，無 法建立固定的坐標(biāo)系關(guān)系。但是相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系之間的關(guān)系是固定不變的，可W建 立固定的坐標(biāo)系關(guān)系，因此在Eye-to-hand中，手眼標(biāo)定的是機(jī)器人基坐標(biāo)系和掃描儀坐 標(biāo)系之間的坐標(biāo)系關(guān)系。
[0041] 本發(fā)明過程中的標(biāo)定是一種借助于標(biāo)定球的手眼標(biāo)定方法，從而找到掃描儀坐標(biāo) 系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系之間的關(guān)系，W此再對(duì)機(jī)器人末端加持的工件進(jìn)行掃描，從而 就可W根據(jù)手眼標(biāo)定方法的結(jié)果來得到工件相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的實(shí)際位置關(guān)系，從 而就可W消除在裝夾、調(diào)試等過程中產(chǎn)生的誤差，提高工件的加工精度。
[00創(chuàng) W坐標(biāo)系{A}、腳為例，在機(jī)器人工作空間中兩個(gè)坐標(biāo)系{A}和腳之間的關(guān)系 主要為位置偏移和姿態(tài)旋轉(zhuǎn)，位置偏移是指坐標(biāo)系原點(diǎn)的偏移，用平移向量（平移矩陣）Ape。表示。姿態(tài)旋轉(zhuǎn)是指坐標(biāo)系坐標(biāo)軸之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，一般用旋轉(zhuǎn)矩陣巧表示。坐標(biāo)系 {B}中的點(diǎn)Bp向坐標(biāo)系{A}轉(zhuǎn)換可W表示為：V 仇。；于是標(biāo)定過程就分為旋轉(zhuǎn) 矩陣的標(biāo)定和平移矩陣的標(biāo)定，而手眼標(biāo)定的任務(wù)就是得到。向Cb轉(zhuǎn)換的平移向量bpg。和 旋轉(zhuǎn)矩陣鴻。
[0043] 通過機(jī)器人加持不同半徑的標(biāo)準(zhǔn)球在掃描儀的可視區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)，計(jì)算獲得掃描 儀坐標(biāo)系相對(duì)機(jī)器人的基座標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。機(jī)器人加持標(biāo)準(zhǔn)球，在掃描儀的 可視區(qū)域內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)W構(gòu)造。、Cb兩個(gè)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，根據(jù)掃描儀獲取的標(biāo)準(zhǔn)球表面 的弧線W及球屯、相對(duì)于激光平面的上下位置得到標(biāo)準(zhǔn)球球屯、在掃描儀坐標(biāo)系。中的固定 位置，構(gòu)建掃描儀坐標(biāo)系。與機(jī)器人基座標(biāo)系Cb的關(guān)系。標(biāo)定旋轉(zhuǎn)矩陣，墻
[0044] 標(biāo)準(zhǔn)球球屯、在掃描儀坐標(biāo)系。中的固定位置計(jì)算過程如下：
[0045](1)、獲得激光條紋所在位置的圓弧上的點(diǎn)數(shù)據(jù)；
[0046] (2)、根據(jù)獲得的所述點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合得到一個(gè)掃描儀XY平面內(nèi)的圓，計(jì)算圓屯、 〇(〇、，〇,)及圓的半徑r;計(jì)算圓弧與標(biāo)準(zhǔn)球赤道平面的距離：沁=~-r2 ；
[0047] (3)、掃描儀坐標(biāo)系內(nèi)的球屯、坐標(biāo)為：
[0048]
[0049] 使用另一半徑的標(biāo)