CN111409075A - 简单方便的机器人手眼标定系统和标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种简单方便的机器人手眼标定系统，适用于工业机器人，包括：三维扫描设备、标准件、探针、机器人示教器、测量处理器；机器人示教器用于工业机器人的控制；所述探针一端连接在工业机器人的机械臂末端，另一端的针尖为自由端；所述三维扫描设备连接测量处理器，三维扫描设备用于扫描标准件获得相应的三维点云数据；测量处理器与机器人示教器能够通信；所述标准件设置在探针能够触及以及三维扫描设备能够扫描到的位置；所述标准件至少具有一个顶点和从该顶点延伸出的两条垂直的棱，用以建立标准件在机器人基座标系下的工件坐标系。本发明还提出了一种简单方便的机器人手眼标定方法。本发明操作简单，精度较高。
Description
技术领域
本发明属于工业机器人标定领域，具体涉及一种简单方便的机器人手眼标定系统和标定方法。
背景技术
工业机器人作为一种人工替代智能设备已经越来越多的应用到各个行业，并且为了让机器人在生产中能够发挥更大的作用，给机器人装上“一双眼睛”已经成为机器人在智能化的道路上的必然。而机器人并不会“意识”到这双“眼睛”的存在，所以需要人为干预，给它们“牵线搭桥”，但是，目前许多手眼标定技术都存在计算原理复杂，操作过程繁琐，时间成本过高的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种简单方便的机器人手眼标定系统，以及相应的标定方法；操作简单，精度较高，解决了现有技术中存在的计算原理复杂，操作过程繁琐，时间成本过高的问题。本发明采用的技术方案是：
本发明实施例提出一种简单方便的机器人手眼标定系统，适用于工业机器人，所述工业机器人包括机器人基座和安装在机器人基座上的机械臂；包括：三维扫描设备、标准件、探针、机器人示教器、测量处理器；
机器人示教器用于工业机器人的控制；
所述探针一端连接在工业机器人的机械臂末端，另一端的针尖为自由端；所述三维扫描设备连接测量处理器，三维扫描设备用于扫描标准件获得相应的三维点云数据；测量处理器与机器人示教器能够通信；
所述标准件设置在探针能够触及以及三维扫描设备能够扫描到的位置；
所述标准件至少具有一个顶点和从该顶点延伸出的两条垂直的棱，用以建立标准件在机器人基座标系下的工件坐标系。
进一步地，标准件采用一个立方体或长方体。
进一步地，三维扫描设备为面结构光扫描仪，或者线结构光扫描仪与配套的伺服驱动模组。
更进一步地，所述面结构光扫描仪包括单目面结构光扫描仪，双目面结构光扫描仪或者多目面结构光扫描仪。
更进一步地，所述线结构光扫描仪包括单线结构光扫描仪，多线结构光扫描仪，单目线结构光扫描仪，双目线结构光扫描仪或者多目线结构光扫描仪。
进一步地，所述工业机器人的机械臂具有上、下、左、右、前、后多自由度。
本发明实施例还提出一种简单方便的机器人手眼标定方法，适用于上述的机器人手眼标定系统，包括：
步骤S10，在测量处理器中设置标准件的数字模型和数字模型坐标系，标准件数字模型至少具有一个顶点和从该顶点延伸出的两条垂直的棱；该数字模型坐标系以标准件上的一个顶点为原点，以从该顶点延伸出的两条垂直的棱作为X、Y轴，过原点垂直与X轴和Y轴构建的平面的直线为Z轴；
步骤S20，机器人示教器上设有机器人基座标系；在机器人示教器上建立与机械臂末端相对应的工具坐标系；然后控制机械臂带动探针移动，使得探针的针尖与标准件上的作为数字模型坐标系原点的所述一个顶点接触，在机器人示教器上建立以探针针尖为原点的工件坐标系，该工件坐标系与标准件的数字模型坐标系保持一致；
步骤S30，进行粗匹配，三维扫描设备扫描标准件上数个特征点的三维点云数据，测量处理器将获得的所述数个特征点的三维点云数据与标准件的数字模型中相关点的位置数据进行匹配，得到匹配矩阵；
步骤S40，然后进行精匹配，三维扫描设备扫描标准件，测量处理器将扫描得到的其余特征点的三维点云数据与标准件的数字模型中相关点的位置数据进行匹配，精匹配优化后的匹配矩阵作为手眼矩阵。
进一步地，测量处理器还进行一验证过程，在三维扫描设备扫描标准件获得的三维点云数据中，取与针尖接触的顶点的坐标p1，右乘手眼矩阵，得到坐标p2；通过机器人示教器获取探针针尖接触该顶点时，工件坐标系中该针尖的坐标p3，计算p2与p3的绝对偏差delta；若delta小于设定的误差值则标定结束；否则重复标定方法的步骤，以及调整三维扫描设备的参数
进一步地，所述数个特征点是立方体上八个顶点中的四个顶点。
本发明的优点在于：
1）本发明提出的机器人手眼标定系统和标定方法，操作步骤简短，操作过程简单，对工人技能素质要求不高，可很好地满足对手眼标定精度要求不是非常严苛，生产节拍较快的场合的需要。
2）本发明提出的机器人手眼标定系统和标定方法，坐标系转换尺寸链简短，减少误差源，可提高手眼标定精度。
3）本发明提出的机器人手眼标定系统和标定方法，采用三维点云匹配处理，原理简单，并且计算精度较高，可以提高手眼标定精度。
附图说明
图1为本发明的标定系统组成示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例首先提出一种简单方便的机器人手眼标定系统，适用于工业机器人1，如图1所示，包括：三维扫描设备2、标准件3、探针4、机器人示教器5、测量处理器6；
所述工业机器人1包括机器人基座101和安装在机器人基座101上的机械臂102；机器人示教器5用于工业机器人1的控制；
所述探针4一端连接在工业机器人1的机械臂102末端，另一端的针尖为自由端；所述三维扫描设备2连接测量处理器6，三维扫描设备2用于扫描标准件3获得相应的三维点云数据；测量处理器6与机器人示教器5能够通信；
所述标准件3设置在探针4能够触及以及三维扫描设备2能够扫描到的位置；例如，标准件3设置在探针4和三维扫描设备2中间，且位于探针4和三维扫描设备2下方；
所述标准件3至少具有一个顶点和从该顶点延伸出的两条垂直的棱，用以建立标准件3在机器人基座标系下的工件坐标系；在本实施例中，标准件3采用一个立方体；也可以采用长方体；
在一些实施例中，三维扫描设备2可以是面结构光扫描仪，或者线结构光扫描仪与配套的伺服驱动模组；
所述面结构光扫描仪包括单目面结构光扫描仪，双目面结构光扫描仪或者多目面结构光扫描仪；
所述线结构光扫描仪包括单线结构光扫描仪，多线结构光扫描仪，单目线结构光扫描仪，双目线结构光扫描仪或者多目线结构光扫描仪；
所述工业机器人1的机械臂102具有上、下、左、右、前、后多自由度；
本发明实施例还提出一种简单方便的机器人手眼标定方法，包括以下步骤：
步骤S10，在测量处理器6中设置标准件3的数字模型和数字模型坐标系，标准件3数字模型至少具有一个顶点和从该顶点延伸出的两条垂直的棱；该数字模型坐标系以标准件上的一个顶点为原点，以从该顶点延伸出的两条垂直的棱作为X、Y轴，过原点垂直与X轴和Y轴构建的平面的直线为Z轴；
在一些实施例中，标准件3的数字模型可以在测量处理器6中建立，或者在其它计算设备上建立后导入测量处理器6；标准件3的数字模型建立后，即可采用精加工设备加工得到标准件3；然后将标准件3设置在探针4能够触及以及三维扫描设备2能够扫描到的位置；
步骤S20，机器人示教器5上设有机器人基座标系；在机器人示教器5上建立与机械臂末端相对应的工具坐标系；然后控制机械臂带动探针4移动，使得探针4的针尖与标准件3上的作为数字模型坐标系原点的所述一个顶点接触，在机器人示教器5上建立以探针针尖为原点的工件坐标系，该工件坐标系与标准件的数字模型坐标系保持一致；
由于机器人机械臂尺寸已知，因此机器人基座标系与工具坐标系之间的转换关系能够确定；由于探针的尺寸已知，因此机器人示教器5上工具坐标系与所建立的工件坐标系之间的坐标变换矩阵是能够确定的；
步骤S30，进行粗匹配，三维扫描设备2扫描标准件3上数个特征点的三维点云数据，测量处理器6将获得的所述数个特征点的三维点云数据与标准件的数字模型中相关点的位置数据进行匹配，得到匹配矩阵；所述数个特征点可以是立方体上八个顶点中的四个顶点；
步骤S40，然后进行精匹配，三维扫描设备2扫描标准件3，测量处理器6将扫描得到的其余特征点的三维点云数据与标准件的数字模型中相关点的位置数据进行匹配，精匹配优化后的匹配矩阵作为手眼矩阵；精匹配优化时可以增大迭代次数上限和减小收敛值来进一步提高结果精度；
在得到手眼矩阵后，工业机器人的“手”--机械臂与“眼”--三维扫描设备之间的坐标变换关系就可以确定；
最后，测量处理器6还可以进行一验证过程，在三维扫描设备2扫描标准件3获得的三维点云数据中，取与针尖接触的顶点的坐标p1，右乘手眼矩阵，得到坐标p2；通过机器人示教器5获取探针针尖接触该顶点时，工件坐标系中该针尖（或与针尖接触的顶点）的坐标p3，测量处理器6计算p2与p3的绝对偏差delta；若delta小于设定的误差值则标定结束；若delta大于设定的误差值，则不能满足要求，可以重复以上步骤，以及调整三维扫描设备的参数以提高扫描质量，还可以控制工具坐标系和工件坐标系的建立过程的每一个细节的误差，以提高最终标定精度。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种简单方便的机器人手眼标定系统，适用于工业机器人(1)，所述工业机器人(1)包括机器人基座(101)和安装在机器人基座(101)上的机械臂(102)；其特征在于，包括：三维扫描设备(2)、标准件(3)、探针(4)、机器人示教器(5)、测量处理器(6)；
机器人示教器(5)用于工业机器人(1)的控制；
所述探针(4)一端连接在工业机器人(1)的机械臂(102)末端，另一端的针尖为自由端；所述三维扫描设备(2)连接测量处理器(6)，三维扫描设备(2)用于扫描标准件(3)获得相应的三维点云数据；测量处理器(6)与机器人示教器(5)能够通信；
所述标准件(3)设置在探针(4)能够触及以及三维扫描设备(2)能够扫描到的位置；
所述标准件(3)至少具有一个顶点和从该顶点延伸出的两条垂直的棱，用以建立标准件(3)在机器人基座标系下的工件坐标系。
2.如权利要求1所述的简单方便的机器人手眼标定系统，其特征在于，
标准件(3)采用一个立方体或长方体。
3.如权利要求1所述的简单方便的机器人手眼标定系统，其特征在于，
三维扫描设备(2)为面结构光扫描仪，或者线结构光扫描仪与配套的伺服驱动模组。
4.如权利要求3所述的简单方便的机器人手眼标定系统，其特征在于，
所述面结构光扫描仪包括单目面结构光扫描仪，双目面结构光扫描仪或者多目面结构光扫描仪。
5.如权利要求3所述的简单方便的机器人手眼标定系统，其特征在于，
所述线结构光扫描仪包括单线结构光扫描仪，多线结构光扫描仪，单目线结构光扫描仪，双目线结构光扫描仪或者多目线结构光扫描仪。
6.如权利要求3所述的简单方便的机器人手眼标定系统，其特征在于，
所述工业机器人(1)的机械臂(102)具有上、下、左、右、前、后多自由度。
7.一种简单方便的机器人手眼标定方法，适用于如权利要求1～6中任一项所述的机器人手眼标定系统，其特征在于，包括：
步骤S10，在测量处理器(6)中设置标准件(3)的数字模型和数字模型坐标系，标准件数字模型至少具有一个顶点和从该顶点延伸出的两条垂直的棱；该数字模型坐标系以标准件上的一个顶点为原点，以从该顶点延伸出的两条垂直的棱作为X、Y轴，过原点垂直与X轴和Y轴构建的平面的直线为Z轴；
步骤S20，机器人示教器(5)上设有机器人基座标系；在机器人示教器(5)上建立与机械臂末端相对应的工具坐标系；然后控制机械臂带动探针(4)移动，使得探针(4)的针尖与标准件(3)上的作为数字模型坐标系原点的所述一个顶点接触，在机器人示教器(5)上建立以探针针尖为原点的工件坐标系，该工件坐标系与标准件的数字模型坐标系保持一致；
步骤S30，进行粗匹配，三维扫描设备(2)扫描标准件(3)上数个特征点的三维点云数据，测量处理器(6)将获得的所述数个特征点的三维点云数据与标准件的数字模型中相关点的位置数据进行匹配，得到匹配矩阵；
步骤S40，然后进行精匹配，三维扫描设备(2)扫描标准件(3)，测量处理器(6)将扫描得到的其余特征点的三维点云数据与标准件的数字模型中相关点的位置数据进行匹配，精匹配优化后的匹配矩阵作为手眼矩阵。
8.如权利要求7所述的简单方便的机器人手眼标定方法，其特征在于，
测量处理器(6)还进行一验证过程，在三维扫描设备(2)扫描标准件(3)获得的三维点云数据中，取与针尖接触的顶点的坐标p1，右乘手眼矩阵，得到坐标p2；通过机器人示教器(5)获取探针针尖接触该顶点时，工件坐标系中该针尖的坐标p3，计算p2与p3的绝对偏差delta；若delta小于设定的误差值则标定结束；否则重复标定方法的步骤，以及调整三维扫描设备的参数。
9.如权利要求7所述的简单方便的机器人手眼标定方法，其特征在于，
所述数个特征点是立方体上八个顶点中的四个顶点。
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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 | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 2 Qingyan Road, Huishan Economic Development Zone, Wuxi City, Jiangsu Province Applicant after: Wuxi CRRC times Intelligent Equipment Research Institute Co.,Ltd. Address before: 2 Qingyan Road, Huishan Economic Development Zone, Wuxi City, Jiangsu Province Applicant before: WUXI CRRC TIMES INTELLIGENT EQUIPMENT CO.,LTD. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |