一种机器人DH参数及零点偏移标定方法、设备及存储介质技术

本发明专利技术公布了一种机器人DH参数及零点偏移标定方法、设备及存储介质，本技术方案采用3D相机获取标定板图像，通过相机的内外参数计算标定板上位置坐标数据点，利用9个数据点的拟合进行求解圆心点，54个圆心点拟合成关节轴线，通过数据点拟合提高旋转轴线和实际旋转轴线吻合度，提高标定精度，利用空间直线的几何关系求解关节机器人DH参数要比其它方法标定精度更高，通过公垂线求解关节的初始角度及零位偏移标定，使得零点位置更准确，更精确，有利于机器人末端定位精度提高。于机器人末端定位精度提高。于机器人末端定位精度提高。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人DH参数及零点偏移标定方法、设备及存储介质


[0001]本专利技术涉及医疗器械领域，具体涉及到一种机器人DH参数及零点偏移标定方法、设备及存储介质。

技术介绍

[0002]在机器人尤其是医疗领域机器人控制领域，对多关节机器人的参数进行标定及零点偏移进行纠正尤为重要，在标定和纠偏的过程中，首先建立机器人运动学模型参数，求解DH参数(Denavit
–
Hartenberg parameters)误差矩阵，再借助昂贵的激光跟踪仪器，利用激光跟踪仪器获取机器人至少50个数据点，通过最小二乘法求得各关节轴的DH参数，在此过程中的计算量庞大，计算误差较大，成本高昂，标定过程极其复杂。
[0003]中国专利号201811597859X揭示一种基于相机视觉的工业机器人DH参数标定方法及标定装置。运动机器人采集不同位置和姿态下的多个激光点位置及对应的机器人关节角度。由计算单元对采集的多个位置点进行平移，使对应的激光束交于一点。并以此为约束条件，采用非线性优化方法求解机器人DH参数误差，进而获得DH参数模型，该专利利用相机获取由机器人末端法兰处射出的激光束在平面上的投影点位置，并结合对应的机器人关节数据完成HD参数的标定过程。
[0004]中国专利号2016106694744提供一种基于激光跟踪仪的工业机器人DH参数标定与零位标定方法，包括机器人、机器人控制器、计算机和激光跟踪仪；计算机分别与机器人控制器和激光跟踪仪电连接；包括如下步骤：机器人运行到50个位置点；计算机读取关节角，激光跟踪仪测量靶球位置；计算机计算修正后的DH参数；设置机器人新的零位点；将修正后的DH参数写到机器人控制器中。
[0005]上述两种技术方案均采用昂贵的激光跟踪仪或激光设备进行相关参数的采集与处理，而且不能同时实现DH参数及零点偏移的标定，其技术方案计算量庞大，计算误差有待进一步提高。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术的不足，本专利技术提出一种机器人DH参数及零点偏移标定方法、设备及存储介质。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种机器人DH参数及零点偏移标定方法，包括3D相机
[0008]及标定板，包括以下步骤：
[0009]步骤101：固定3D相机；
[0010]步骤102：将标定板装在机器人末端，保证标定板所有mark点在3D相机拍摄范围内；
[0011]步骤103：标定3D相机的内外参数；
[0012]步骤104：将机器人各关节移动到建模原点；
[0013]步骤105：保持机器人的其它关节轴静止不动，单独将运行轴运行到
‑
60度的位置，
进行拍照后保存图像；
[0014]步骤106：运行轴单轴从当前位置每加15度位置运行，相机拍照保存图像；
[0015]步骤107：运行轴的位置达到60度并拍照后保存图像，完成运行轴的图像数据采集；
[0016]步骤108：判断是否采集完成所有轴数据，若否，则返回步骤104继续进行其他关节轴的图像采集；若是，则执行步骤109；
[0017]步骤109：通过图像数据及3D相机的内外参数，计算所有图像中每张图指定的54个mark点在相机坐标系下位置数据；
[0018]步骤110：求取某个关节轴的空间直线，具体为：将该关节轴采集得到同一个mark点的9个数据进行圆拟合，获取该关节轴的旋转中心，所述旋转中心即圆心；
[0019]步骤111：依次获取其它mark点的9个数据的圆心，从而得到其余53个圆心点；
[0020]步骤112：将所述54个圆心点进行直线拟合，得到该关节轴的空间直线；
[0021]步骤113：判断是否完成并获取所有关节轴线；若否，则返回步骤110继续执行；若是，则分别执行步骤114和步骤115；
[0022]步骤114：利用空间几何关系，求得相邻两空间直线的夹角α和公垂线距离a，同直线两个公垂线点距离d及夹角的Θ，夹角α即DH参数中连杆扭转α
i
‑1，公垂线距离a即DH参数中连杆长度a
i
‑1，直线上两条公垂线点距离d即连杆参数d
i
，直线上两条公垂线的夹角Θ即关节角度的初始角度Θ
i
；
[0023]步骤115：标定某个关节轴零点位置，将轴处于
‑
60度、O度、60度的同一个mark的位置数据点A、B及C，分别与所有的圆心点O构成三条直线OA、OB、OC，求取直线AC的中点D，再求取直线OD与OC的夹角即零点偏移角度；
[0024]步骤116：DH参数标定完成；
[0025]步骤117：获取剩余关节轴零点偏移角度完成零点偏移标定；
[0026]步骤118：完成DH参数和零点偏移标定。
[0027]进一步的，所述步骤109进一步包括：首先采用OpenCV求解标定板到相机坐标的转换矩阵Rt，标定板设置54个特征点，采用以下公式1求解标定板上mark点在相机坐标下数据，标定板上坐标数据Pw＝{Xw，Yw,Zw}转换到相机坐标下的数据Pc＝{Xc，Yc，Zc}：
[0028][0029]进一步的，所述步骤110具体包括以下步骤：
[0030]步骤1101：将9个数据代入矩阵求取平面法向量A，A＝{a，b，c}由公式(2)求出；
[0031]A＝(M
T
*M)
‑1*M
T
*L1ꢀꢀꢀ
(2)；
[0032]步骤1102：将n＝9点的数据代入公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)分别求出矩阵B，L2：
[0033]ΔX
(n
‑
1)n
＝X
n
‑
X
n
‑1ꢀꢀꢀ
(3)；
[0034]ΔY
(n
‑
1)n
＝Y
n
‑
Y
n
‑1ꢀꢀꢀ
(4)；
[0035]ΔZ
(n
‑
1)n
＝Z
n
‑
Z
n
‑1ꢀꢀꢀ
(5)；
[0036][0037][0038][0039]步骤1103：将B、L2、A分别代入公式(9)求出矩阵D，公式(10)求出矩阵L3：
[0040][0041][0042]步骤1104：将D、L3代入公式(11)求出圆心坐标C{X0，Y0，Z0}：
[0043]C＝(D
T
*D)
‑1*D
T
*L3ꢀꢀꢀ
(11)。
[0044]进一步的，所述步骤112具体包括以下步骤：
[0045]步骤1121：将n＝54个圆心坐标{X
i
，Y
i
，Z
i
}代入公式(12)求出k1：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机器人DH参数及零点偏移标定方法，包括3D相机及标定板，其特征在于，包括以下步骤：步骤101：固定3D相机；步骤102：将标定板装在机器人末端，保证标定板所有mark点在3D相机拍摄范围内；步骤103：标定3D相机的内外参数；步骤104：将机器人各关节移动到建模原点；步骤105：保持机器人的其它关节轴静止不动，单独将运行轴运行到
‑
60度的位置，进行拍照后保存图像；步骤106：运行轴单轴从当前位置每加15度位置运行，相机拍照保存图像；步骤107：运行轴的位置达到60度并拍照后保存图像，完成运行轴的图像数据采集；步骤108：判断是否采集完成所有轴数据，若否，则返回步骤104继续进行其他关节轴的图像采集；若是，则执行步骤109；步骤109：通过图像数据及3D相机的内外参数，计算所有图像中每张图指定的54个mark点在相机坐标系下位置数据；步骤110：求取某个关节轴的空间直线，具体为：将该关节轴采集得到同一个mark点的9个数据进行圆拟合，获取该关节轴的旋转中心，所述旋转中心即圆心；步骤111：依次获取其它mark点的9个数据的圆心，从而得到其余53个圆心点；步骤112：将所述54个圆心点进行直线拟合，得到该关节轴的空间直线；步骤113：判断是否完成并获取所有关节轴线；若否，则返回步骤110继续执行；若是，则分别执行步骤114和步骤115；步骤114：利用空间几何关系，求得相邻两空间直线的夹角α和公垂线距离a，同直线两个公垂线点距离d及夹角的Θ，夹角α即DH参数中连杆扭转α
i
‑1，公垂线距离a即DH参数中连杆长度a
i
‑1，直线上两条公垂线点距离d即连杆参数d
i
，直线上两条公垂线的夹角Θ即关节角度的初始角度Θ
i
；步骤115：标定某个关节轴零点位置，将轴处于
‑
60度、0度、60度的同一个mark的位置数据点A、B及C，分别与所有的圆心点O构成三条直线OA、OB、OC，求取直线AC的中点D，再求取直线OD与OC的夹角即零点偏移角度；步骤116：DH参数标定完成；步骤117：获取剩余关节轴零点偏移角度完成零点偏移标定；步骤118：完成DH参数和零点偏移标定。2.如权利要求1所述的机器人DH参数及零点偏移标定方法，其特征在于，所述步骤109进一步包括：首先采用OpenCV求解标定板到相机坐标的转换矩阵Rt，标定板设置54个特征点，采用以下公式1求解标定板上mark点在相机坐标下数据，标定板上坐标数据Pw＝{Xw,Yw,Zw}转换到相机坐标下的数据Pc＝{Xc,Yc,Zc}：3.如权利要求1所述的机器人DH参数及零点偏移标定方法，其特征在于，所述步骤110具体包括以下步骤：
步骤1101：将9个数据代入矩阵求取平面法向量A，A＝{a,b,c}由公式(2)求出；A＝(M
T
*M)
‑1*M
T
*L1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；步骤1102：将n＝9点的数据代入公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)分别求出矩阵B，L2：ΔX
(n
‑
1)n
＝X
n
‑
X
n
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；ΔY
(n
‑
1)n
＝Y
n
‑
Y
n
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；ΔZ
(n
‑
1)n
＝Z
n
‑
Z
n
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)；(5)；(5)；步骤1103：将B、L2、A分别代入公式(9)求出矩阵D，公式(10)求出矩阵L3：：步骤1104：将D、L3代入公式(11)求出圆心坐标C{X0,Y0,Z0}：C＝(D
T
*D)
‑1*D
T
*L3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)。4.如权利要求1所述的机器人DH参数及零点偏移标定方法，其特征在于，所述步骤112具体包括以下步骤：步骤1121：将n＝54个圆心坐标{X
i
，Y
i
,Z
i
}代入公式(12)求出k1：步骤1122：将n＝54个圆心坐标{X
i
，Y
i
,Z
i
}代入公式(13)求出k2：步骤1123：将n＝54个圆心坐标{X
i
，Y
i
,Z
i
}代入公式(14)求出b1：步骤1124：将n＝54个圆心坐标{X
i
，Y
i
,Z
i
}...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗建平，王建平，
申请(专利权)人：深圳市资福医疗技术有限公司，
类型：发明
国别省市：