机械臂自动标定方法、装置、设备、机械臂和介质制造方法及图纸

本申请提供了一种机械臂自动标定方法、装置、设备、机械臂和介质，通过获得机械臂末端坐标系与机械臂基座坐标系之间的第一变换矩阵；依据由相机采集特征点的方式所获取的标定块参考架坐标系与基座参考架坐标系之间的第二变换矩阵，并令机械臂末端根据自身旋转特性执行指定动作，据以得到基座参考架坐标系与机械臂末端坐标系之间的第二旋转变换矩阵；依据第一变换矩阵得到第一旋转变换矩阵，结合第二旋转变换矩阵以得到机械臂基座坐标系与基座参考架坐标系之间的第三变换矩阵，从而完成机械臂自动标定。本申请借助串联机械臂自身的旋转特性，实现了机械臂上参考架安装位置的标定，且标定过程中均采用的是绕轴旋转的方式来确定圆心，计算精度高。计算精度高。计算精度高。

【技术实现步骤摘要】
机械臂自动标定方法、装置、设备、机械臂和介质


[0001]本专利技术涉及机械视觉标定
，特别是涉及一种机械臂自动标定方法、装置、设备、机械臂和介质。

技术介绍

[0002]在光学定位机器人系统中，为了确定机械臂末端的位置，会在机械臂末端或者机械臂基座上安装光学定位参考架。相比于定位参考架安装在机械臂末端方案，安装在机械臂基座上的方案不存在机械臂运动时产生的遮挡问题。光学定位仪能确定光学定位参考架的位置，需要获得安装在机械臂基座上的参考架与基座之间的位置关系，才能计算出机械臂末端的位置。
[0003]因此，本专利需要解决串联机械臂的标定问题，确定安装在机械臂基座上的参考架与基座之间的位置关系。
[0004]目前常见的方法有如下几种，但均存在一定不足：
[0005](1)通过精确的加工与装配，直接根据设计的数据确定。该方法对机械加工与安装要求非常高，且随着使用时间的推移，系统误差会越来越大。
[0006](2)在机械臂第一个、第二个关节上安装光学定位参考架，通过仅旋转第一个关节、仅旋转第二个关节，来确定机械臂基座位置。该方法不能一步直接获得结果，需要多次在机械臂上安装光学定位参考架。
[0007](3)在机械臂末端也安装一个光学定位参考架，使机械臂任意移动多个位置，直接计算安装在机械臂基座上的参考架与基座之间的位置关系。该方法被定义为求解方法组AX＝YB，但计算精度相对于绕轴旋转相对低。

技术实现思路

[0008]鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种机械臂自动标定方法、装置、设备、机械臂和介质，以克服现有技术中存在的至少一个问题。
[0009]为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种机械臂自动标定方法，应用于机械臂上；其中，机械臂基座上安装有基座参考架；机械臂末端的法兰盘上任意位置安装有标定块参考架；所述标定块参考架为能被光学导航系统识别的带反光靶球的参考架；所述方法包括：启动机械臂并运行至一初始位姿，通过记录机械臂上每个关节的旋转角度，以获得机械臂末端坐标系TCP与机械臂基座坐标系Base之间的第一变换矩阵；依据由相机采集特征点的方式所获取的标定块参考架坐标系Cali与基座参考架坐标系Ref之间的第二变换矩阵，并令机械臂末端根据机械臂自身旋转特性执行指定动作，以采集不同动作姿态下所述标定块参考架的旋转圆心的点集，据以得到对应基座参考架坐标系Ref与机械臂末端坐标系TCP之间的第二旋转变换矩阵；依据所述第一变换矩阵得到第一旋转变换矩阵，结合第二旋转变换矩阵以得到机械臂基座坐标系Base与基座参考架坐标系Ref之间的第三变换矩阵，从而完成机械臂自动标定。
[0010]于本申请的一实施例中，所述机械臂末端根据机械臂自身旋转特性执行的指定动作，包括：基础指定动作包括：令机械臂最末端的关节以其自身旋转轴进行多次间断旋转，并旋转一周为止；第一指定动作包括：令机械臂末端沿机械臂末端坐标系TCP的Z轴方向移动预设距离，然后重复所述基础指定动作若干次；第二指定动作包括：令机械臂末端恢复至所述初始位姿，再沿机械臂末端坐标系TCP的X轴方向移动预设距离，然后重复所述基础指定动作若干次。
[0011]于本申请的一实施例中，所述依据由相机采集特征点的方式所获取的标定块参考架坐标系Cali与基座参考架坐标系Ref之间的第二变换矩阵，并令机械臂末端根据机械臂自身旋转特性执行指定动作，以采集不同动作姿态下所述标定块参考架的旋转圆心的点集，据以得到对应基座参考架坐标系Ref与机械臂末端坐标系TCP之间的第二旋转变换矩阵，包括：根据基础指定动作获取基座参考架坐标系Ref下的旋转圆心；依据第一指定动作、及第二指定动作分别获取机械臂末端坐标系TCP下X、Y、Z三轴对应的单位向量；通过X、Y、Z三轴对应的单位向量表示对应基座参考架坐标系Ref与机械臂末端坐标系TCP之间的第一旋转变换矩阵。
[0012]于本申请的一实施例中，所述根据基础指定动作获取基座参考架坐标系Ref下的旋转圆心，包括：获取标定块坐标系Cali下齐次坐标的原点；随着所述基础指定动作中机械臂最末端的关节多次间断旋转，依据所述第二变换矩阵及原点，可在基座参考架坐标系Ref下可得到由多个不同点组成的点集，该点集构成三维空间圆；依据平面方程到球方程的转换公式，以求得点集构成的三维空间圆的圆心坐标，以对应基座参考架坐标系Ref下的旋转圆心。
[0013]于本申请的一实施例中，所述依据第一指定动作、及第二指定动作分别获取机械臂末端坐标系TCP下X、Y、Z三轴对应的单位向量，包括：在第一指定动作的基础上获取多个依据基础指定动作获取的旋转圆心，以得到对应Z轴的第一圆心点集；以及在第二指定动作的基础上获取多个依据基础指定动作获取的旋转圆心，以得到对应X轴的第二圆心点集；针对所述第一圆心点集、及第二圆心点集分别采用最小二乘法拟合直线，以分别得到对应Z轴和X轴的单位向量；将Z轴的单位向量与X轴的单位向量相乘以得到Y轴的单位向量。
[0014]于本申请的一实施例中，所述依据所述第一旋转变换矩阵、及第二旋转变换矩阵以得到机械臂基座坐标系Base与基座参考架坐标系Ref之间的第三变换矩阵，从而完成机械臂自动标定，包括：依据其中，p
TCP
＝[0 0 ΔZ 1]T
，ΔZ为标定块参考架中心到机械臂末端坐标系TCP原点在其Z方向上的偏移；表示机械臂末端坐标系TCP与机械臂基座坐标系Base之间的第一变换矩阵；表示机械臂基座坐标系Base与基座参考架坐标系Ref之间的第三变换矩阵；p
Ref
＝[O
X O
Y O
Z 1]T
；O
X
，O
Y
，O
Z
分别为圆心O的三个坐标分量；可得到：其中，表示第一旋转变换矩阵；表示机械臂基座坐标系Base与基座参考架坐标系Ref之间的第三旋转变换矩阵；表示对应第一旋转变换矩阵的第一旋转变换矩阵；表示对应第
三旋转变换矩阵的第三平移变换矩阵；可转换为：其中，记录每次机械臂末端执行指定动作时机械臂末端坐标系TCP与机械臂基座坐标系Base之间的多组转换矩阵将带入公式可求得第三平移变换矩阵由旋转变换矩阵与平移变换矩阵转换为转换矩阵的公式，可得到机械臂基座坐标系Base与基座参考架坐标系Ref之间的第三变换矩阵的表达式为：根据所述第一旋转变换矩阵第二旋转变换矩阵及第三平移变换矩阵以得到第三旋转变换矩阵
[0015]为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种电子装置，所述装置包括：第一处理模块，用于启动机械臂并运行至一初始位姿，通过记录机械臂上每个关节的旋转角度，以获得机械臂末端坐标系TCP与机械臂基座坐标系Base之间的第一变换矩阵；第二处理模块，用于依据由相机采集特征点的方式所获取的标定块参考架坐标系Cali与基座参考架坐标系Ref之间的第二变换矩阵，并令机械臂末端根据机械臂自身旋转特性执行指定动作，以采集不同动作姿态下所述标定块参考架的旋转圆心的点集，据以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机械臂自动标定方法，其特征在于，应用于机械臂上；其中，机械臂基座上安装有基座参考架；机械臂末端的法兰盘上任意位置安装有标定块参考架；所述标定块参考架为能被光学导航系统识别的带反光靶球的参考架；所述方法包括：启动机械臂并运行至一初始位姿，通过记录机械臂上每个关节的旋转角度，以获得机械臂末端坐标系TCP与机械臂基座坐标系Base之间的第一变换矩阵；依据由相机采集特征点的方式所获取的标定块参考架坐标系Cali与基座参考架坐标系Ref之间的第二变换矩阵，并令机械臂末端根据机械臂自身旋转特性执行指定动作，以采集不同动作姿态下所述标定块参考架的旋转圆心的点集，据以得到对应基座参考架坐标系Ref与机械臂末端坐标系TCP之间的第二旋转变换矩阵；依据所述第一变换矩阵得到第一旋转变换矩阵，结合第二旋转变换矩阵以得到机械臂基座坐标系Base与基座参考架坐标系Ref之间的第三变换矩阵，从而完成机械臂自动标定。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机械臂末端根据机械臂自身旋转特性执行的指定动作，包括：基础指定动作包括：令机械臂最末端的关节以其自身旋转轴进行多次间断旋转，并旋转一周为止；第一指定动作包括：令机械臂末端沿机械臂末端坐标系TCP的Z轴方向移动预设距离，然后重复所述基础指定动作若干次；第二指定动作包括：令机械臂末端恢复至所述初始位姿，再沿机械臂末端坐标系TCP的X轴方向移动预设距离，然后重复所述基础指定动作若干次。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述依据由相机采集特征点的方式所获取的标定块参考架坐标系Cali与基座参考架坐标系Ref之间的第二变换矩阵，并令机械臂末端根据机械臂自身旋转特性执行指定动作，以采集不同动作姿态下所述标定块参考架的旋转圆心的点集，据以得到对应基座参考架坐标系Ref与机械臂末端坐标系TCP之间的第二旋转变换矩阵，包括：根据基础指定动作获取基座参考架坐标系Ref下的旋转圆心；依据第一指定动作、及第二指定动作分别获取机械臂末端坐标系TCP下X、Y、Z三轴对应的单位向量；通过X、Y、Z三轴对应的单位向量表示对应基座参考架坐标系Ref与机械臂末端坐标系TCP之间的第一旋转变换矩阵。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据基础指定动作获取基座参考架坐标系Ref下的旋转圆心，包括：获取标定块坐标系Cali下齐次坐标的原点；随着所述基础指定动作中机械臂最末端的关节多次间断旋转，依据所述第二变换矩阵及原点，可在基座参考架坐标系Ref下可得到由多个不同点组成的点集，该点集构成三维空间圆；依据平面方程到球方程的转换公式，以求得点集构成的三维空间圆的圆心坐标，以对应基座参考架坐标系Ref下的旋转圆心。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述依据第一指定动作、及第二指定动作分别获取机械臂末端坐标系TCP下X、Y、Z三轴对应的单位向量，包括：
在第一指定动作的基础上获取多个依据基础指定动作获取的旋转圆心，以得到对应Z轴的第一圆心点集；以及在第二指定动作的基础上获取多个依据基础指定动作获取的旋转圆心，以得到对应X轴的第二圆心点集；针对所述第一圆心点集、及第二圆心点集分别采用最小二乘法拟合直线，以分别得到对应Z轴和X轴的单位...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘剑楠，陈晓军，张陈平，胡俊磊，韩婧，周子疌，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：