一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，对于具有协作关系的两台机器人，使用具有高精度的激光跟踪仪测量系统，分别确定每台机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵，通过坐标变换的方法，实现两机器人基座标系之间相对位姿关系的确定。本发明专利技术的标定方法操作简单，标定过程对机器人操作要求低，标定方法计算过程不涉及机器人内部编码器读数和关节角数值，避免了人为操作误差和机器人本身误差带来的标定精度影响，同时利用激光跟踪仪设备测量精度高的优点，标定结果精度高。本发明专利技术的标定方法操作简单，显著缩短了时间，提高了标定效率。

A calibration method of dual robot base coordinate system based on laser tracker

The invention discloses a method for calibrating the dual robot base coordinate system based on laser tracker, with cooperation between two robots, using a laser tracker measurement system with high precision, respectively determine each robot base coordinate system relative to the laser tracker coordinates the homogeneous transformation matrix by coordinate transform method, determination between the two base of the robot coordinate system relative pose relationship. The calibration method of the invention has the advantages of simple operation, low requirement for the robot calibration process, calculation process does not involve the robot internal encoder readings and joint angle values, to avoid human errors and calibration bring error affects the accuracy of the robot itself, at the same time with the advantages of laser tracker equipment high measuring accuracy, high calibration precision. The calibration method of the invention has the advantages of simple operation, obvious shortening of time and improved calibration efficiency.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人协作搬运、焊接、装配等工业机器人先进制造领域，具体来说，涉及一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，特别是针对垂直关节型协作机器人。
技术介绍
机器人是工业自动化生产中的重要设备，目前已在焊接、搬运、喷涂等领域得到广泛的应用。随着应用领域的扩大，机器人将会执行更多更复杂的任务。对于诸如搬运大型物体、加工复杂轨迹的工件、需要运动较大的工作范围的任务中，单个工业机器人已经不能很好的满足生产要求，两台机器人或多台机器人协调配合能解决上述问题，因此多机器人尤其是双机器人协作系统将成为未来机器人应用的发展趋势。对于协调作业的两个机器人，需要确认它们之间的基座标系相对位姿关系才能进行协作作业规划。现有的双机器人基座标系标定方法主要分为两种：接触式标定和非接触式标定。接触式标定是通过示教使机器人执行器末端满足一定的相互约束关系，利用两机器人形成的封闭运动链对基座标系相对位姿关系求解，已经提出的方法有手握手标定、轴孔标定、标定板接触标定等。接触式标定对操作人员示教要求高，标定结果受人为误差影响，示教过程繁琐耗时，标定效率不高。非接触式标定是借助外部设备如激光跟踪仪、CCD相机、电子经纬仪等，这类标定方法往往需要复杂的辅助测量系统，标定前准备工作繁琐，例如使用CCD相机标定时需要事先对相机位置进行标定，标定结果计算过程中需要使用机器人控制器读数，机器人本身参数误差会对结果带来影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法。对于具有协作关系的两台机器人，分别确定每台机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵，通过坐标变换的方法，实现两机器人基座标系之间相对位姿关系的确定。本专利技术通过下述技术方案实现：一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，采用具有(高精度的)激光跟踪仪测量系统，对于具有协作关系的两台机器人，分别确定每台机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵，通过坐标变换的方法，实现两机器人基座标系之间相对位姿关系的确定。每台机器人根据其自身结构特性，利用机器人单轴旋转运动建立机器人基座标系，包含以下步骤：步骤一，将带磁力的靶球座吸附于机器人末端法兰盘上，将激光跟踪仪的反光靶球放在靶球座上，确保标定过程中反光靶球位置固定不动；将激光跟踪仪架设于双机器人旁(附近)，确保机器人的运动范围均在激光跟踪仪的可测范围内，同时确保在机器人工作空间内激光跟踪仪与固定于机器人末端法兰盘上的反光靶球间无障碍物阻挡激光；步骤二，使机器人处于零点位置，控制机器人第一轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一个预定角度记录反光靶球球心坐标，共记录n个点，得到点组P1＝(xP1i,yP1i,zP1i)(i＝1,2...n)，转动结束后将机器人回归零点；步骤三，控制机器人第二轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一个预定角度记录靶球球心坐标，共记录n个点，得到点组P2＝(xP2i,yP2i,zP2i)(i＝1,2...n)；步骤四，求解机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系的位姿阵；步骤五，对第二台机器人重复步骤一至步骤四，得到机器人2基座标系在激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵T2；根据坐标转换求得两机器人之间的相对位姿关系T12。所述步骤二和步骤三中的单轴旋转运动，取样本点时运动范围在机器人关节运动范围内(尽量大或者最大)，旋转方向一致。所述步骤四中的算法为：1)确定机器人基座标系Z轴；对点组P1进行圆拟合得到圆C1，圆心坐标D1，及拟合圆轴线L1；取L1单位方向向量，方向指向机器人本体部分，即为机器人基座标系中的Z轴；2)确定机器人基座标系X轴和原点；对点组P2进行圆拟合得到圆C2，圆心坐标D2，及拟合圆轴线L2；根据轴线方程L1和L2，可求得公垂线L3，取L3单位方向向量，方向指向机器人工作空间中心，即为机器人基座标系中的X轴；求解L3与L1的交点坐标O，O即为机器人基座标系原点；3)确定机器人基座标系Y轴；根据右手定则，由Z轴和X轴叉乘得到机器人基座标系Y轴；至此，可以机器人基座标系在激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵T1。所述步骤五中，两机器人基座标系转换关系为：T12＝T1-1·T2，至此完成双机器人基座标系标定。所述1)确定机器人基座标系Z轴具体如下：对点组P1进行圆拟合得到圆C1方程：(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2＝r12，圆心坐标D1＝(x1,y1,z1)T，及拟合圆轴线L1方程：取L1单位方向向量Z1方向指向机器人本体部分，Z1即为机器人基座标系中的Z轴。所述2)确定机器人基座标系X轴和原点具体如下：对点组P2进行圆拟合得到圆C2方程：(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2＝r22，圆心坐标D2＝(x2,y2,z2)T，及拟合圆轴线L2方程：根据轴线方程L1和L2，可求得公垂线L3方程为：取L3单位方向向量：X1方向指向机器人工作空间中心，X1即为机器人基座标系中的X轴；求解L3与L1的交点O交点坐标O＝(Ox,Oy,Oz)＝(x1+l1t1,y1+m1t1,z1+n1t1)，O即为机器人基座标系原点，其中A＝m1n2-m2n1，B＝n1l2-n2l1，C＝l1m2-l2m1，所述3)确定机器人基座标系Y轴具体如下：根据右手定则，由Z1和X1叉乘得到向量Y1，Y1即为机器人基座标系Y轴；至此，可以机器人基座标系在激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵T1，本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及效果：与现有双机器人基座标系标定技术相比，本专利技术的技术方案使用简单的激光跟踪仪测量系统，标定操作简单，标定过程对机器人操作要求低，标定方法计算过程不涉及机器人内部编码器读数和关节角数值，避免了人为操作误差和机器人本身误差带来的标定精度影响，同时利用激光跟踪仪设备测量精度高的优点，标定结果精度高。本专利技术的标定方法操作简单，显著缩短了时间，提高了标定效率。标定过程若配合使用激光跟踪仪配套的数据处理软件，如SpatialAnalyzer，可大大提高标定效率。附图说明图1为双机器人基座标系标定系统。图2为机器人基座标系建立原理图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步具体详细描述。根据国标GB/T16977-1997中关于工业机器人坐标系命名原则，建立机器人基座标系O-XYZ:原点O：机器人基座标系的原点O由机器人制造厂规定；Z轴:Z轴正方向垂直于机器人安装面，从原点指向机器人本体部分；X轴：X轴正方向垂直于Z轴，从原点指向机器人的工作空间中心点；Y轴：Y轴正方向由X轴正方向和Z轴正方向按右手定则确定。本专利技术根据垂直关节型机器人自身结构特性，利用机器人单轴旋转运动建立机器人基座标系。对于具有协作关系的两台机器人，分别确定每台机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵，通过坐标变换的方法，实现两机器人基座标系之间相对位姿关系的确定。实施例1如图1所示，将激光跟踪仪架设于双机器人附近，将带磁力的靶球座吸附于机器人末端法兰盘上，激光跟踪仪的靶球放在靶球座上，确保标定过程中靶球位置固定不动。控制机器人使其处于零点位置。控制机器人第一轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一定的角度记录靶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于采用具有激光跟踪仪测量系统，对于具有协作关系的两台机器人，分别确定每台机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵，通过坐标变换的方法，实现两机器人基座标系之间相对位姿关系的确定。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于采用具有激光跟踪仪测量系统，对于具有协作关系的两台机器人，分别确定每台机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵，通过坐标变换的方法，实现两机器人基座标系之间相对位姿关系的确定。2.根据权利要求1所述基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于每台机器人根据其自身结构特性，利用机器人单轴旋转运动建立机器人基座标系，包含以下步骤：步骤一，将带磁力的靶球座吸附于机器人末端法兰盘上，将激光跟踪仪的反光靶球放在靶球座上，确保标定过程中反光靶球位置固定不动；将激光跟踪仪架设于双机器人旁，确保机器人的运动范围均在激光跟踪仪的可测范围内，同时确保在机器人工作空间内激光跟踪仪与固定于机器人末端法兰盘上的反光靶球间无障碍物阻挡激光；步骤二，使机器人处于零点位置，控制机器人第一轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一个预定角度记录反光靶球球心坐标，共记录n个点，得到点组转动结束后将机器人回归零点；步骤三，控制机器人第二轴进行单轴旋转运动，其余五个轴均不转动，每隔一个预定角度记录靶球球心坐标，共记录n个点，得到点组步骤四，求解机器人基座标系相对激光跟踪仪坐标系的位姿阵；步骤五，对第二台机器人重复步骤一至步骤四，得到机器人2基座标系在激光跟踪仪坐标系下的齐次变换矩阵T2；根据坐标转换求得两机器人之间的相对位姿关系T12。3.根据权利要求2所述基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于，所述步骤二和步骤三中的单轴旋转运动，取样本点时运动范围在机器人关节运动范围内，旋转方向一致。4.根据权利要求2所述基于激光跟踪仪的双机器人基坐标系标定方法，其特征在于，所述步骤四中的算法为：1)确定机器人基座标系Z轴；对点组P1进行圆拟合得到圆C1，圆心坐标D1，及拟合圆轴线L1；取L1单位方向向量，方向指向机器人本体部分，即为机器人基座标系中的Z轴；2)确定机器人基座标系X轴和原点；对点组P2进行圆拟合得到圆C2，圆心坐标D2，及拟合圆轴线L2；根据轴线方程L1和L2，可求得公垂线L3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王念峰，张飞跃，周建斌，张宪民，郑永忠，周生勇，
申请(专利权)人：华南理工大学，佛山市三技精密机械有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44