双运动链五轴设备标定方法、系统、标定设备及存储介质与流程

本技术涉及五轴设备标定，尤其涉及双运动链五轴设备标定方法、系统、标定设备及存储介质。

背景技术：

1、在工业自动化设备中，五轴运动平台广泛应用于点胶、加工、检测及视觉引导等领域。由于制造和装配过程中不可避免地存在加工与装配误差，各运动轴之间往往难以保证理想的正交关系，所述旋转轴的位置和方向也会产生偏差。因此，必须通过标定获取设备各轴的真实空间参数，以有效补偿几何误差，提高设备的定位精度。

2、现有技术中的五轴标定方法大多基于相机固定安装的假设，当相机随运动链移动且所在链包含旋转自由度时，相机坐标系方向会发生变化，导致采样点无法统一至同一参考系，致使向量运算与轨迹拟合算法失效。针对双运动链五轴设备，部分方法采用两运动链相互辨识的方式求解运动学参数，但建模复杂、参数耦合严重且对设备结构要求高；另一类方法依赖激光跟踪仪等高精度外部测量设备，虽精度较高，但成本昂贵且现场操作繁琐，难以满足普通工业设备大规模应用的需求。

3、上述内容仅用于辅助理解本技术的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供一种双运动链五轴设备标定方法，旨在解决现有双运动链相互辨识标定方式建模复杂、参数耦合严重、对设备结构要求高，以及依赖外部高精度设备导致成本高昂、难以大规模应用的技术问题。

2、为实现上述目的，本技术提出一种双运动链五轴设备标定方法，所述双运动链五轴设备包括三个平移轴和两个旋转轴，三维相机和标定针分别设置在所述五轴设备的两个相对独立的运动链上；其中，所述三维相机所在的运动链包括至少两个平移自由度，且所述三维相机在所述至少两个平移自由度运动过程中姿态保持不变；所述标定针所在的运动链包括两个旋转自由度和剩余的平移自由度；

3、所述方法包括：

4、控制所述双运动链五轴设备运动，获取多组采样数据；每组所述采样数据包括相机坐标系下所述标定针的标定点的空间坐标，以及对应的三个所述平移轴的位置和两个所述旋转轴的角度值；其中，所述多组采样数据包括第一数据集、第二数据集和第三数据集；所述第一数据集中的每组数据对应于两个所述旋转轴的角度值保持不变；所述第二数据集中的每组数据对应于第二所述旋转轴的角度值固定且第一所述旋转轴的角度值改变；所述第三数据集中的每组数据对应于第二所述旋转轴的角度值改变；

5、基于所述第一数据集中各组数据的空间坐标与三个所述平移轴的位置，确定三个所述平移轴在相机坐标系下的单位方向向量；

6、获取三个所述平移轴的参考位置；针对所述第二数据集中每组数据的空间坐标，以三个所述平移轴的参考位置为基准，结合三个所述平移轴在相机坐标系下的单位方向向量，通过预设平移补偿公式计算得到平移补偿后的第一坐标点，将多个所述第一坐标点记为第一旋转轨迹点集；基于所述第一旋转轨迹点集，确定所述第一旋转轨迹点集的各点的拟合平面，并计算出所述拟合平面的法向量，将所述拟合平面的法向量作为第一所述旋转轴的方向向量；将所述第一旋转轨迹点集中的各点沿所述拟合平面的法向量方向正交投影至所述拟合平面，得到平面投影点集；对所述平面投影点集进行圆拟合，得到圆心位置，将所述圆心位置作为第一所述旋转轴的轴心位置；

7、基于三个所述平移轴在相机坐标系下的单位方向向量与第一所述旋转轴在相机坐标系下的单位方向向量和轴心位置，对所述第三数据集中各组数据的空间坐标进行平移补偿以及逆旋转补偿，得到第二旋转轨迹点集；以及，基于所述第二旋转轨迹点集，确定第二所述旋转轴在相机坐标系下的单位方向向量和轴心位置。

8、在一实施例中，所述基于所述第一数据集中各组数据的空间坐标与三个所述平移轴的位置，确定三个所述平移轴在相机坐标系下的单位方向向量，包括：

9、基于所述第一数据集中各组数据的空间坐标与三个所述平移轴的位置，建立线性方程组，并通过最小二乘法解算所述线性方程组，得到三个所述平移轴在相机坐标系下的单位方向向量；

10、所述线性方程组为：

11、pi=a+t1ivt1+t2ivt2+t3ivt3；

12、其中，pi为第i组数据中所述标定针的标定点在相机坐标系下的空间坐标，a为三个所述平移轴处于预设参考位置时标定点在相机坐标系下的空间坐标，t1i、t2i、t3i分别为第i组数据中三个所述平移轴的位置，vt1、vt2、vt3为三个所述平移轴在相机坐标系下的单位方向向量。

13、在一实施例中，在所述通过最小二乘法解算所述线性方程组，得到三个所述平移轴在相机坐标系下的单位方向向量之前，所述方法还包括：

14、获取三个所述平移轴的初始方向向量；

15、所述通过最小二乘法解算所述线性方程组，得到三个所述平移轴在相机坐标系下的单位方向向量，包括：

16、以所述初始方向向量作为约束条件，对最小二乘法的求解方向进行约束，计算得到三个所述平移轴在相机坐标系下的单位方向向量。

17、在一实施例中，所述基于三个所述平移轴在相机坐标系下的单位方向向量与第一所述旋转轴在相机坐标系下的单位方向向量和轴心位置，对所述第三数据集中各组数据的空间坐标进行平移补偿以及逆旋转补偿，得到第二旋转轨迹点集；以及，基于所述第二旋转轨迹点集，确定第二所述旋转轴在相机坐标系下的单位方向向量和轴心位置，包括：

18、获取第一所述旋转轴的参考角度；

19、针对所述第三数据集中每组数据的空间坐标，以三个所述平移轴的参考位置为基准，结合三个所述平移轴在相机坐标系下的单位方向向量，通过预设平移补偿公式计算平移补偿后的中间坐标点；

20、针对每组数据的中间坐标点，确定第一所述旋转轴的角度值相对于第一所述旋转轴的参考角度的角度变化值，并基于所述角度变化值以及第一所述旋转轴在相机坐标系下的单位方向向量和轴心位置，通过预设旋转补偿公式对所述中间坐标点进行逆旋转补偿，得到逆旋转补偿后的第二坐标点；将得到的多个所述第二坐标点记为所述第二旋转轨迹点集；

21、基于第二旋转轨迹点集，确定所述第二旋转轨迹点集的各点的拟合平面，并计算出所述拟合平面的法向量，将所述拟合平面的法向量作为第二所述旋转轴的方向向量；

22、将所述第二旋转轨迹点集中的各点沿所述法向量方向正交投影至所述拟合平面，得到平面投影点集；

23、对所述平面投影点集进行圆拟合，得到圆心位置，将所述圆心位置作为第二所述旋转轴的轴心位置。

24、在一实施例中，所述预设平移补偿公式为：

25、pi'=pi-(t1i-t1ref)vt1-(t2i-t2ref)vt2-(t3i-t3ref)vt3；

26、其中，pi'为第i组平移补偿后的坐标点，pi为第i组数据中所述标定针的标定点在相机坐标系下的空间坐标，t1i、t2i、t3i分别为第i组数据中三个所述平移轴的位置，vt1、vt2、vt3为三个所述平移轴在相机坐标系下的单位方向向量，t1ref、t2ref、t3ref为三个所述平移轴的参考位置。

27、在一实施例中，所述预设旋转补偿公式为：

28、pi''=cr1+rot(ur1,-δri1)(pi'-cr1)；

29、其中，pi''为第i组逆旋转补偿后的第二坐标点，pi'为第i组中间坐标点，cr1为第一所述旋转轴的轴心位置，ur1为第一所述旋转轴的单位方向向量，δri1为第i组角度变化值，rot(ur1,-δri1)为逆旋转函数，表示绕空间中方向为ur1的单位轴旋转-δri1角度。

30、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种标定设备，所述标定设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序配置为实现如上文所述的双运动链五轴设备标定方法的步骤。

31、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种双运动链五轴设备标定系统，包括双运动链五轴设备、三维相机、标定针以及如上文所述的标定设备；所述双运动链五轴设备包括三个平移轴和两个旋转轴，所述三维相机和所述标定针分别设置在所述五轴设备的两个相对独立的运动链上；其中，所述三维相机所在的运动链包括至少两个平移自由度，且所述三维相机在所述至少两个平移自由度运动过程中姿态保持不变；所述标定针所在的运动链包括两个旋转自由度和剩余的平移自由度。

32、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的双运动链五轴设备标定方法的步骤。

33、本技术提出的双运动链五轴设备标定方法，包括：步骤s10，控制双运动链五轴设备运动，获取多组采样数据。其中，多组采样数据包括第一数据集、第二数据集和第三数据集；第一数据集中的每组数据对应于两个旋转轴的角度值保持不变；第二数据集中的每组数据对应于第二旋转轴的角度值固定且第一旋转轴的角度值改变；第三数据集中的每组数据对应于第二旋转轴的角度值改变。步骤s20，基于第一数据集中各组数据的空间坐标与三个平移轴的位置，确定三个平移轴在相机坐标系下的单位方向向量。步骤s30，获取三个平移轴的参考位置；针对第二数据集中每组数据的空间坐标，以三个平移轴的参考位置为基准，结合三个平移轴在相机坐标系下的单位方向向量，通过预设平移补偿公式计算得到平移补偿后的第一坐标点，将多个第一坐标点记为第一旋转轨迹点集；基于第一旋转轨迹点集，确定第一旋转轨迹点集的各点的拟合平面，并计算出拟合平面的法向量，将拟合平面的法向量作为第一旋转轴的方向向量；将第一旋转轨迹点集中的各点沿拟合平面的法向量方向正交投影至拟合平面，得到平面投影点集；对平面投影点集进行圆拟合，得到圆心位置，将圆心位置作为第一旋转轴的轴心位置。步骤s40，基于三个平移轴在相机坐标系下的单位方向向量与第一旋转轴在相机坐标系下的单位方向向量和轴心位置，对第三数据集中各组数据的空间坐标进行平移补偿以及逆旋转补偿，得到第二旋转轨迹点集；以及，基于第二旋转轨迹点集，确定第二旋转轴在相机坐标系下的单位方向向量和轴心位置。如此，通过分步逐级解算的策略，将原本高度耦合的多轴参数辨识问题分解为多个独立子问题，每一步仅依赖前一步的已知结果进行补偿，无需建立包含全部几何误差参数的复杂运动学模型，有效解决了现有双运动链相互辨识标定方式中建模复杂、参数耦合严重、对设备结构要求高，以及依赖外部高精度设备导致成本高昂、难以大规模应用的技术问题。如此，本技术实现了低成本、高稳定性、易于工程化实施的双运动链五轴设备标定，此外，本技术并不要求五轴设备的各轴之间严格正交，其解算模型简单，应用场景广泛。