一种基于三维激光扫描的机器人重复位姿测量方法技术

一种基于三维激光扫描的机器人重复位姿测量方法，包括计算机、三维激光扫描仪、扫描仪支架、标靶球和标靶球安装基板。三维激光扫描仪安装在扫描仪支架上，扫描仪支架和机器人被固定在地面，标靶球安装基板被固定在机器人末端的法兰上，标靶球规则地安装在标靶球安装基板上，所有标靶球的球心不在同一条直线上。该测量方法的工作原理是在机器人末端运动到某一个固定位置，使用三维激光扫描仪对机器人末端标靶球进行扫描，获取各标靶球表面的三维点云数据，利用计算机对点云数据进行处理并通过计算得到标靶球的球心坐标，然后重复N次，最终根据这N组数据，计算出机器人的重复位姿。

A Repeated Position and Posture Measurement Method for Robots Based on Three-dimensional Laser Scanning

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维激光扫描的机器人重复位姿测量方法
本专利技术专利涉及一种基于三维激光扫描的机器人重复位姿测量方法，特别涉及一种基于多个标靶球的三维激光扫描的机器人重复位姿测量方法。
技术介绍
随着机器人在生产领域中的应用需求不断增高，对机器人的位姿精度要求也越来越高。因此，如何测试机器人的重复位姿精度也成为了关注的焦点。机器人重复位姿精度是机器人性能的一个重要评价指标。机器人精度的影响因素很多，如：机器人本体零部件的加工制造误差、本体的装配误差、减速器的传动误差、机器人杆件的柔性变形、环境温度的变化以及控制系统的插补误差和计算舍入误差等，都会对机器人的重复位姿精度产生影响。而机器人的重复位姿精度过大会导致机器人的动作不准确，工作效率下降，甚至会影响到工作人员的人身安全。所以，对机器人的重复位姿精度的测量方法研究具有重大意义。机器人生产企业一般采用激光跟踪仪设备对机器人进行重复位姿精度测量，激光跟踪仪的测量精度高，效果好，但是价格成本高昂。机器人生产企业和使用单位迫切需要价格成本低廉的机器人重复位姿精度测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于三维激光扫描的机器人重复位姿测量方法。该测量方法成本低廉，系统结构简单。为实现本专利技术所述目的，本专利技术提供一种基于三维激光扫描的机器人重复位姿测量方法，包括计算机、三维激光扫描仪、扫描仪支架、三个或三个以上的标靶球和标靶球安装基板。其中三维激光扫描仪安装在扫描仪支架上，扫描仪支架和机器人被固定在地面，标靶球安装基板被固定在机器人末端的法兰上，标靶球规则地安装在标靶球安装基板上，所有标靶球的球心不在同一条直线上。本专利技术中的所述测试装置中包含三个或三个以上的标靶球，这些标靶球规则地安装在标靶球安装基板上，并均在三维激光扫描仪的单幅扫描范围内，使得三维激光扫描仪可以一次性扫描到所有的标靶球，这样使得获取的三维点云数据不需要拼接。为实现机器人重复位姿的测量，本专利技术的方法步骤如下：a)机器人末端从任意位置开始运动到靠近三维激光扫描仪的某一个固定位置，该位置使得标靶球安装基板上的所有标靶球都处于三维激光扫描仪的单幅扫描范围内；b)三维激光扫描仪对标靶球安装基板上的所有标靶球进行扫描，获得所有标靶球的表面三维点云数据；c)在计算机中根据得到的三维点云数据，计算得到所有标靶球的球心在三维激光扫描仪坐标系下的三维坐标；d)通过已知的标靶球的球心位于机器人工具坐标系下的三维坐标和计算出的标靶球的球心在三维激光扫描仪坐标系下的三维坐标，可得出机器人末端相对于三维激光扫描仪坐标系的姿态；e)重复步骤a)、b)、c)、d)共计N次，计算得到N组所有标靶球的球心三维位置坐标和机器人末端的姿态数据；f)根据N组所有标靶球的球心三维位置坐标数据和机器人末端的姿态数据，计算机器人末端的重复位姿精度；本专利技术是一种基于三维激光扫描的机器人重复位姿测量方法，该测量方法成本较低，步骤简单，容易实现。附图说明图1是本专利技术的结构框图；其中1为计算机，2为三维激光扫描仪，3为扫描仪支架，4为标靶球，5为标靶球安装基板，6为机器人。具体实施方式如图1所示，本专利技术的具体实施例包括五个部分：计算机1，三维激光扫描仪2，扫描仪支架3，标靶球4和标靶球安装基板5。其中，三维激光扫描仪2通过螺钉和卡槽固定在扫描仪支架3上。扫描仪支架3和机器人6都被固定在地面，标靶球安装基板5通过螺钉和工具片安装固定在机器人6手臂的末端法兰上。本具体实施例中的标靶球4有三个，分别规则地安装在标靶球安装基板5上，并使得三个标靶球4不在同一条直线上。扫描仪支架3放置在机器人6的附近，使得当机器人6末端运动到扫描仪支架3附近时，标靶球安装基板5上的所有标靶球4都可以处于三维激光扫描仪2的单幅扫描范围内。标靶球安装基板5上有三个圆柱形的标靶球安装槽，两者通过焊接实现连接，标靶球和圆柱形安装槽通过磁力吸附连接。本具体实施例中的标靶球是半径为25.4mm的标准磁性球体。本具体实施例中采用的三维激光扫描仪2是工业级手持式激光三维扫描仪，单幅扫描精度达到0.01mm。本具体实施例中采用的测量方法工作步骤如下：a)机器人6通过示教编程从任意位置开始运动到靠近三维激光扫描仪2附近的某一个固定位置，该位置使得标靶球安装基板5上的所有标靶球4处于三维激光扫描仪2的单幅扫描范围内；b)三维激光扫描仪2通过设定的扫描角度范围对标靶球安装基板5上的标靶球4进行扫描，获得标靶球4表面的三维坐标点云数据；c)根据各标靶球4表面的三维点云数据，利用球面拟合和圆心估计算法计算得到所有标靶球4的球心在三维激光扫描仪2坐标系中的三维坐标；d)通过已知的标靶球4的球心位于机器人6工具坐标系下的三维坐标和计算出的标靶球4的球心在三维激光扫描仪2坐标系下的三维坐标，可得出机器人6末端相对于三维激光扫描仪2坐标系的姿态；e)重复步骤a)、b)、c)、d)共计N次，计算得到N组所有标靶球4的球心三维位置坐标和机器人6末端的姿态数据；f)根据N组所有标靶球4的球心三维位置坐标数据和机器人6末端的姿态数据，计算机器人6末端的重复位姿精度；本具体实施例中，在步骤b)中的得到所有标靶球的三维点云数据，通过点云数据算法处理，别得标靶球的球心在三维激光扫描仪坐标系下的三维坐标。本具体实施例通过以下方法根据标靶球表面点云数据计算得到球心坐标：假设扫描得到某标靶球表面的M个点云数据，记标靶球表面的三维坐标为(xi,yi,zi),i＝1,2...，M，然后利用正交非线性最小二乘法进行曲面拟合，得到球的部分曲面，计算如下：其中，r是标靶球的半径。然后根据(1)式可求得标靶球的球心在三维激光扫描仪坐标系的三维坐标(x,y,z)。在步骤d)中的得到通过已知的标靶球的球心位于机器人工具坐标系下的三维坐标和计算出的标靶球的球心在三维激光扫描仪坐标系下的三维坐标，利用绝对定向问题求解算法解得机器人末端相对于三维激光扫描仪坐标系的姿态：机器人工具坐标系下的三维点集为{p1,p2,p3}，三维激光扫描仪坐标系下的三位点集为{q1,q2,q3}，则有：qi＝Rpi+t(2)求解机器人末端相对于三维激光扫描仪坐标系的姿态问题即为解算以下最小二乘法问题：利用奇异值分解法，两个点击的质心分别为：定义协方差矩阵为：当上式求得最优解时，R*、t*应满足：令矩阵M的奇异值分解为UDVT，可得最优旋转矩阵R*为：R*＝VUT(7)t*＝q'-VUTp'(8)在步骤f)中，重复扫描并计算30次，得到30组标靶球的球心三维位置坐标和机器人末端的姿态数据，通过计算30组数据的平均值、方差和标准差，得到机器人重复位姿精度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维激光扫描的机器人重复位姿测量方法，包括计算机、三维激光扫描仪、扫描仪支架、标靶和标靶球安装基板，其特征在于，所述三维激光扫描仪安装在扫描仪支架上，扫描仪支架和机器人被固定在地面，标靶球安装基板被固定在机器人末端的法兰上，标靶球规则地安装在标靶球安装基板上，所有标靶球的球心不在同一条直线上。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维激光扫描的机器人重复位姿测量方法，包括计算机、三维激光扫描仪、扫描仪支架、标靶和标靶球安装基板，其特征在于，所述三维激光扫描仪安装在扫描仪支架上，扫描仪支架和机器人被固定在地面，标靶球安装基板被固定在机器人末端的法兰上，标靶球规则地安装在标靶球安装基板上，所有标靶球的球心不在同一条直线上。2.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的机器人重复位姿精度测量方法，其特征在于，所述三个或三个以上的标靶球均在三维激光扫描仪的单幅扫描范围内。3.一种基于三维激光扫描的机器人重复位姿测量方法，其特征在于以下步骤：a)机器人末端从任意位置开始运动到靠近三维激光扫描仪的某一个固定位置，该位置使得标靶球安装基板...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐旭东，柳杨，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33