机器人与激光传感器手眼标定方法及装置与流程

1.本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种机器人与激光传感器手眼标定方法及装置。


背景技术：

2.随着制造业的蓬勃发展，工业机器人凭借柔性高和可达性好的优点，已成为制造行业中不可代替的自动化装备。激光传感器与工业机器人的结合，相当于给机器人安上了眼睛，使之能够感知外部环境。为了让机器人按照激光传感器识别出的位置进行运动，所以需要建立传感器坐标系和机器人坐标系之间的转化关系。
3.目前现有的手眼标定方法，转化关系复杂，需要多次手动示教机器人对准识别点，不仅造成标定误差大，且标定方式比较复杂。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种减少标定误差、简化标定方式的机器人与激光传感器手眼标定方法及装置。
5.为达到上述目的，本发明提供了一种机器人与激光传感器手眼标定方法，其包括：
6.基于标定板，利用三点法建立所述机器人的用户坐标系；所述标定板安放在所述机器人可达范围内；
7.按照所述用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光近视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第一点位；
8.按照所述用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光远视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第二点位；
9.保持所述机器人的姿势不变，移动所述机器人的位置，获取机器人工具中心点tcp对准所述标定板上的空间识别点时机器人工具末端的第三点位；
10.构建机器人和激光传感器的手眼标定数学模型；
11.基于所述第一点位、第二点位、第三点位和所述手眼标定数学模型，确定机器人和激光传感器之间的标定矩阵。
12.本发明提供一种机器人与激光传感器手眼标定装置，用以减少标定误差并简化标定方式，其包括：
13.第一点位获取模块，用于按照所述用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光近视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第一点位；
14.第二点位获取模块，用于按照所述用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光远视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第二点位；
15.第三点位获取模块，用于保持所述机器人的姿势不变，移动所述机器人的位置，获取机器人工具中心点tcp对准所述标定板上的空间识别点时机器人工具末端的第三点位；
16.数学模型构建模块，用于构建机器人和激光传感器的手眼标定数学模型；
17.标定矩阵确定模块，用于基于所述第一点位、第二点位、第三点位和所述手眼标定数学模型，确定机器人和激光传感器之间的标定矩阵；
18.其中，所述激光传感器安装在所述机器人上。
19.本发明实施例通过基于标定板，利用三点法建立机器人的用户坐标系；按照用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光近视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第一点位；按照用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光远视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第二点位；保持机器人的姿势不变，移动机器人的位置，获取机器人工具中心点tcp对准标定板上的空间识别点时机器人工具末端的第三点位；构建机器人和激光传感器的手眼标定数学模型；基于第一点位、第二点位、第三点位和手眼标定数学模型，确定机器人和激光传感器之间的标定矩阵。只需要确定三个点位并构建手眼标定数学模型，即可完成标定，避免了现有技术中手动示教使激光多次照射到识别点上带来的误差，不仅简化了标定方式，且提高了标定的精度。
附图说明
20.以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
21.图1是本发明实施例的机器人与激光传感器手眼标定方法的实现过程示意图；
22.图2是本发明实施例中机器人和激光传感器的安装及工作示意图；
23.图3是本发明实施例中标定板的侧面示意图；
24.图4是本发明实例中机器人的用户坐标系和标定板的位置关系示意图；
25.图5是本发明实施例中机器人自动标定程序的处理流程示意图；
26.图6是本发明实施例的机器人与激光传感器手眼标定装置的结构示意图。
具体实施方式
27.下面通过附图和实施例对本技术进一步详细说明。通过这些说明，本技术的特点和优点将变得更为清楚明确。
28.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
29.此外，下面所描述的本技术不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
30.本发明实施例提供了一种机器人与激光传感器手眼标定方法，用以减少标定误差、简化标定方式，该方法如图1所示，包括：
31.步骤101：基于标定板，利用三点法建立机器人的用户坐标系；标定板安放在机器人可达范围内；
32.步骤102：按照用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光近视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第一点位；
33.步骤103：按照用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光远视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第二点位；
34.步骤104：保持机器人的姿势不变，移动机器人的位置，获取机器人工具中心点tcp
对准标定板上的空间识别点时机器人工具末端的第三点位；
35.步骤105：构建机器人和激光传感器的手眼标定数学模型；
36.步骤106：基于第一点位、第二点位、第三点位和手眼标定数学模型，确定机器人和激光传感器之间的标定矩阵。
37.具体实施例中，通过基于标定板，利用三点法建立机器人的用户坐标系；按照用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光近视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第一点位；按照用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光远视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第二点位；保持机器人的姿势不变，移动机器人的位置，获取机器人工具中心点tcp对准标定板上的空间识别点时机器人工具末端的第三点位；构建机器人和激光传感器的手眼标定数学模型；基于第一点位、第二点位、第三点位和手眼标定数学模型，确定机器人和激光传感器之间的标定矩阵。只需要确定三个点位并构建手眼标定数学模型，即可完成标定，避免了现有技术中手动示教使激光多次照射到识别点上带来的误差，不仅简化了标定方式，且提高了标定的精度。
38.在本发明实施例中，如图2所示，机器人落地或放在其他行走轴上固定安装，激光传感器固定安装在机器人的第六关节轴，或抓手，或焊枪等预设位置上，且激光传感器为一字线激光传感器。将机器人、一字线激光传感器和标定板安装完成后，构建传感器、工控机和机器人三者组成的局域网进行通讯，一字线激光传感器和工控机通过传感器约定的协议进行通讯，工控机和机器人通过机器人约定的协议进行通讯，一字线激光传感器和机器人之间不直接通讯，三者共同组成一个局域网，工控机用于采集获取二者的位置信息并进行算法处理。图中，机器人的基坐标系为xr、yr、zr所示的坐标系，x
l
、y
l
、z
l
所示的坐标系为激光传感器坐标系，x
t
、y
t
、z
t
所示的坐标系为机器人的工具坐标系。
39.由于一字线激光传感器发出的激光呈线型，视野范围有限，在其与工件之间的距离不在视野范围内是无法识别到工件的，而在视野范围内，将与工件距离较近的第一预设范围被定义为激光近视野，而与工件距离较远的第一预设范围被定义为激光远视野，例如，假设激光的视野范围为300-500mm，则激光照到工件距离小于300mm或大于500mm都是识别不出来的，可以定义在接近300mm处为近视野范围，接近500mm处为远视野范围。
40.在标定前，还需要准备操作，包括：进行机器人的tcp(tool central point，工具中心点)标定，由于进行机器人的tcp标定的技术已经比较成熟，在此不再赘述，本发明具体实施例中，以各个品牌机器人提供的标定方式为准，例如，可优先使用标准的校枪尺或者校枪块进行标定，不具备条件时可使用非l1方式进行标定，即依次测量出工具末端到法兰盘中心的xyz的距离，角度参数以焊枪厂家提供为准，然后填写到机器人工具参数中。
41.基于标定板，利用三点法建立机器人的用户坐标系，且标定板安放在机器人可达范围内，机器人可达范围是指机器人机械臂通过移动或旋转等操作能够到达的范围。具体实施过程，包括：调节机器人的枪姿，使得激光传感器的激光线束与标定板平面之间的夹角处于预设范围内，一般是垂直或近似垂直，激光传感器的激光线束与标定板特定的边重合或平行。
42.标定板一般被放置在一个平台上，且放置在机器人能够到达的范围内，以便能够识别到标定板上的空间识别点，具体实施例中标定板一般为矩形，为了便于标定板上的空间识别点能够被准确捕捉到，如图3所示，标定板由两块板材焊接搭接而成，两块板材一大
一小，空间识别点位于两块板的搭接焊缝处。
43.机器人的用户坐标系是用户定制每个工作空间的直角坐标系，用于位置寄存器的教学和执行、位置补偿指令的执行等，用户坐标系建立方法相对比较简单，一般通过示教3个示教点实现，第一个示教点是用户坐标系的原点，第二个示教点在x轴上，第一个示教点到第二个示教点的连线是x轴，所指方向为x正方向；第三个示教点在y轴的正方向区域内，z轴由右手手法则确定。具体实施例中的用户坐标系如图4所示，p0为设置的第一点，也是用户坐标系原点位置，p
x
为设置的第二点，从p0指向p
x
，即为用户坐标系的x方向(图中的xs所示的方向)，py为设置的第三点，用于计算用户坐标系的y方向(图中的ys所示的方向)，而用户坐标系的z方向由右手法则可确定出来。且为了后面使用方便，尽量通过调节机器人的焊枪枪姿使激光传感器的激光线束近似垂直于标定板平面，且与标定板特定的边(与ys方向平行的边，即图4中边缘1所在的边)平行或重合。
44.建立机器人的用户坐标系后，按照用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光近视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第一点位。具体实施过程，包括：
45.保持上述焊枪枪姿不变，按照用户坐标系移动机器人，使得激光传感器的激光近视野的中心能识别出标定板的识别点；
46.移动用户坐标系的xs方向，使得激光传感器的激光线束与标定板特定的边重合，记录此时的机器人工具末端的位置为第一点位p1。
47.接着，按照用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光远视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第二点位，具体实施过程包括：
48.保持上述焊枪枪姿不变，按照用户坐标系移动机器人，使得激光传感器的激光远视野的中心能识别出标定板的识别点；
49.移动用户坐标系的xs方向，使得激光传感器的激光线束与标定板特定的边重合，记录此时的机器人工具末端的位置为第二点位p2。
50.获取p2后，保持机器人的姿势不变，移动机器人的位置，获取机器人工具中心点tcp对准标定板上的空间识别点时机器人工具末端的第三点位，具体过程包括：保持上述焊枪枪姿不变，移动机器人的位置，使得机器人tcp对准到标定板上的空间识别点，记录此时的机器人工具末端的位置为第三点位p3。
51.接着，构建机器人和激光传感器的手眼标定数学模型，具体的数学模型为：
[0052][0053]
其中，p代表空间识别点在机器人基坐标下的位置；pi代表激光传感器照到空间识别点时在机器人基坐标系下的坐标；代表机器人工具坐标系到基坐标系的旋转矩阵，可由机器人欧拉角变换得到；p
laser
代表空间识别点在激光传感器坐标系下的位置；代表激光传感器坐标系到工具坐标系的变换矩阵关系，未知量；m
tl
代表平移分量，未知量。
[0054]
对上式进行整理后，可以得到
[0055]
令
[0056]
则有：
[0057][0058]
对于上式而言，每个方程都有4个未知数，只要通过采集4组坐标数据就能够整理得到三个非线性方程组，以上式中的第一方程为例，可以得到：
[0059][0060]
式中，x
bi
、y
bi
、z
bi
分别代表第i(i＝1,2,3,4)组激光传感器坐标系下的空间识别点的坐标在x、y、z方向上的分量；x
ai
代表第i(i＝1,2,3,4)组机器人基坐标系下pi坐标计算得到ca的x方向上的分量。
[0061]
则标定矩阵的系数为：
[0062][0063]
类似地，对第二个方程和第三个方程进行变换求解，最终即可确定和m
tl
。
[0064]
因而，构建好机器人和激光传感器的手眼标定数学模型后，基于第一点位、第二点位、第三点位和手眼标定数学模型，确定机器人和激光传感器之间的标定矩阵。具体实施时，设置偏移距离参数；将第一点位p1、第二点位p2、按照偏移距离参数进行变换，得到四个识别点位，将四个识别点位和第三点位p3输入手眼标定数学模型，计算得到机器人和激光传感器之间的标定矩阵。
[0065]
具体地，上述计算过程通过工控机实现，在机器人自动标定程序中设置偏移距离参数，自动标定流程是编写的机器人示教程序，每个机器人厂家的指令不一样，但基本都含有得到机器人当前位置、按照指定参数进行偏移等指令。工控机首先接收用户设置的偏移距离参数，运行机器人自动标定程序，运行时，将p1和p2按照偏移距离参数进行变换，可分别得到远视野左右两侧和近视野左右两侧的四个识别点位，工控机采集四个识别点位以及p3对应的机器人位姿以及在激光传感器坐标系下的坐标，将其输入手眼标定数学模型，按照上述手眼标定数学模型的求解推导过程，即可计算得到机器人和激光传感器之间的标定矩阵。
[0066]
其中，偏移距离参数包括：s
x
和sy，s
x
取值为标点板上空间识别点到标定板特定边的距离，sy的取值与激光传感器的激光线束长度有关，一般是取激光线束近视野可识别长度的一半适中。
[0067]
如图5所示，为机器人自动标定程序的处理流程，依次获取p1、p2、p3这三个点位后，设置左右偏移量s
x
，并设置前进偏移量sy。
[0068]
在机器人的用户坐标系下，把p1点沿xs方向偏移s
x
，沿ys方向偏移sy得到识别点s1；在机器人的用户坐标系下，把p1点沿xs方向偏移s
x
，沿ys方向偏移-y
得到识别点s2；在机器人的用户坐标系下，把p2点沿xs方向偏移s
x
，沿ys方向偏移sy得到识别点s3；在机器人的用户坐标系下，把p2点沿xs方向偏移s
x
，沿ys方向偏移-y
得到识别点s4。
[0069]
工控机分别采集p3、s1、s2、s3、s4点位对应的机器人坐标系下的位姿以及s1、s2、s3、s4点位对应的激光传感器坐标系下的位置，代入构建的手眼标定数学模型即可确定机器人和激光传感器之间的标定矩阵。
[0070]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种机器人与激光传感器手眼标定装置，所解决问题的原理相似，重复之处不再赘述，具体结构如图6所示，包括：
[0071]
用户坐标系建立模块601，用于基于标定板，利用三点法建立机器人的用户坐标系；标定板安放在机器人可达范围内；
[0072]
第一点位获取模块602，用于按照用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光近视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第一点位；
[0073]
第二点位获取模块603，用于按照用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光远视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第二点位；
[0074]
第三点位获取模块604，用于保持机器人的姿势不变，移动机器人的位置，获取机器人工具中心点tcp对准标定板上的空间识别点时机器人工具末端的第三点位；
[0075]
数学模型构建模块605，用于构建机器人和激光传感器的手眼标定数学模型；
[0076]
标定矩阵确定模块606，用于基于第一点位、第二点位、第三点位和手眼标定数学模型，确定机器人和激光传感器之间的标定矩阵；
[0077]
其中，激光传感器安装在机器人上，且设置激光传感器为一字线激光传感器。
[0078]
具体实施例中的机器人与激光传感器手眼标定装置，在图6的基础上还包括：tcp标定模块，用于进行机器人的tcp标定。
[0079]
具体实施时，用户坐标系建立模块601，具体用于：调节机器人的焊枪枪姿，使得激光传感器的激光线束与标定板平面之间的夹角处于预设范围内，且激光传感器的激光线束与标定板特定的边重合或平行。
[0080]
具体实施例中，第一点位获取模块602具体用于：
[0081]
保持上述焊枪枪姿不变，按照用户坐标系移动机器人，使得激光传感器的激光近视野的中心能识别出标定板的识别点；
[0082]
移动用户坐标系的xs方向，使得激光传感器的激光线束与标定板特定的边重合，记录此时的机器人工具末端的位置为第一点位。
[0083]
具体实施例中，第二点位获取模块603，具体用于：
[0084]
保持上述焊枪枪姿不变，按照用户坐标系移动机器人，使得激光传感器的激光远视野的中心能识别出标定板的识别点；
[0085]
移动用户坐标系的xs方向，使得激光传感器的激光线束与标定板特定的边重合，记录此时的机器人工具末端的位置为第二点位。
[0086]
具体实施例中，第三点位获取模块604，具体用于：
[0087]
保持上述焊枪枪姿不变，移动机器人的位置，使得机器人tcp对准到标定板上的空间识别点，记录此时的机器人工具末端的位置为第三点位。
[0088]
具体实施例中，数学模型构建模块605，具体用于：
[0089]
构建机器人和激光传感器的手眼标定数学模型为：
[0090][0091]
其中，p代表空间识别点在机器人基坐标下的位置；pi代表激光传感器照到空间识别点时在机器人基坐标系下的坐标；代表机器人工具坐标系到基坐标系的旋转矩阵；p
laser
代表空间识别点在激光传感器坐标系下的位置；代表激光传感器坐标系到工具坐标系的变换矩阵关系；m
tl
代表平移分量。
[0092]
具体实施例中，标定矩阵确定模块606，具体用于：
[0093]
设置偏移距离参数；
[0094]
将第一点位和第二点位、按照偏移距离参数进行变换，得到四个识别点位，将四个识别点位和第三点位输入手眼标定数学模型，计算得到机器人和激光传感器之间的标定矩阵。
[0095]
综上所述，本具体实施例提供的机器人与激光传感器手眼标定方法及装置具有如下优点：
[0096]
通过基于标定板，利用三点法建立机器人的用户坐标系；按照用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光近视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第一点位；按照用户坐标系移动机器人，获取激光传感器的激光远视野处与标定板特定的边重合时机器人工具末端的第二点位；保持机器人的姿势不变，移动机器人的位置，获取机器人工具中心点tcp对准标定板上的空间识别点时机器人工具末端的第三点位；构建机器人和激光传感器的手眼标定数学模型；基于第一点位、第二点位、第三点位和手眼标定数学模型，确定机器人和激光传感器之间的标定矩阵。只需要确定三个点位并构建手眼标定数学模型，即可完成标定，避免了现有技术中手动示教使激光多次照射到识别点上带来的误差，不仅简化了标定方式，且提高了标定的精度。且无需多次手动示教，也便于现场调试维护，降低了调试耗费的时间成本。
[0097]
虽然本发明提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。
[0098]
本领域技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、装置(系统)或计算机程序产品。因此，本说明书实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0099]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程
和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0100]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0101]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0102]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0103]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。
[0104]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。