一种用于测量机器人的外参数计算方法技术

本发明专利技术是一种用于测量机器人的外参数计算方法。该方法主要针对安装有二维测距传感器工业机器人的外参数的计算。该方法需要使用平面靶标作为参照物，首先由机器人带动测头沿Ｘ，Ｙ，Ｚ三个方向做纯平移运动，并测量平面标靶，由测量数据和机器人的位姿数据可计算出外参数的旋转矩阵。然后控制机器人末端做至少三次旋转动作，并测量平面标靶，由测量数据和机器人的位姿数据可计算出外参数的平移向量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及测量
，确切的说是。
技术介绍
机器人诞生于20世纪60年代，经过几十年的发展，机器人技术早已成熟。具有视觉功能的机器人主要应用于汽车、电子、机械制造等工业领域，其中应用最广泛的是机器人手眼协调功能，例如抓取机器人、装配机器人以及弧焊机器人等。机器人视觉在加工制造业已经有了很成熟的技术应用。随着机器人技术的发展，机器人在测量中的应用也越来越受到重视。机器人测量具有在线、灵活、高效等特点，可以实现对零件100%的测量。因此，特别适合于自动化制造系统中的工序间和过程测量。机器人测量造价低，容易实现测量速度快、自动化程度高、柔性好的在线检测系统。测量机器人从诞生到投入生产应用，开始展现出蓬勃生机。测量机器人通常在机器人末端安装测距传感器，由机器人带动传感器完成一些关键参数的测量。为了将机器人在各个姿态下的测量数据统一到同一坐标系下，需要确定传感器和机器人末端的连接关系，称之为传感器的外参数。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供适用于二维传感器(即传感器返回的数据为二维数据)的外参数计算方法。本专利技术的原理是，以一位置未知的平面(金属或陶瓷等材料制成)作为参照物，机器人带动测头以特定的运动方式测量该参考平面，根据测量数据和机器人的位姿建立关于外参数的约束方程，求解该方程即可得到外参数。本专利技术的特征是a. 本方法适用于由二维测距传感器(1)、工业机器人(2)、平面靶标(3)构成的测量机器人系统，其中测距传感器(1)安装在工业机器人(2)末端，平面靶标(3)作为参照物置于传感器的可视范围内。b. 外参数的计算步骤是动测头沿X， Y， Z三个方向做纯平移运动，并测量平面标靶，由测量数据和机器人的位姿数据可计算出外参数的旋转矩阵。(2) 然后控制机器人末端做至少三次旋转动作，并测量并测量平面标靶，由测量数据和机器人的位姿数据可计算出外参数的平移向量。本专利技术的优点是外参数的计算的常见方法有:①利用高精度的三坐标测量仪对传感器夹持工具进行测量；O针对传感器为摄像机的外参数计算方法，该类方法不能直接应用于位移传感器；G)传感器为一维测距仪，采用定点变位姿进行外参数计算。上述方法中①的成本较高，操作不便，⑦G)方法均不适用于二维传感器。而本方明针对用于完成测量任务的机器人，仅需要使用一个平面作为参照物，成本低，容易实现自动标定。附图说明图i的是世界坐标系ow-zw-ivzw和手腕坐标系Og-Zg-yg-Zg及测头坐标系(^Ys-Fs-Zs的示意图。具体实施例方式测头输出的数据是包含被测物体深度信息的二维数据，而被测点的位置是利用空间的三维坐标描述的.实现三维测量必须将这种二维数据转化为三维数据，完成这种数据转换必须建立测量系统的几何模型.为便于研究测量系统中各环节之间的关系，首先建立了下述3个坐标系(见附图).(1) 世界坐标系ow-xw-yw-zw，测量数据最终应统一到该坐标系.为方便起见，选择世界坐标系和机器人的基坐标系重合.(2) 手腕坐标系Og-Xg-Tg-Zg，坐标系原点在法兰盘的中心，相对于基坐标系的姿态由机器人的正向运动学确定.(3) 测头坐标系定义为<9s-Jrs-ys-Zs设测头坐标系相对于手腕坐标系的姿态(外参数)为(A，f)，手腕坐标系相对于机器人的基坐标系的姿态为(i^A)，将以上3个坐标系的后一个坐标系向前一个坐标系做变换，得到测量系统的几何模型为其中X，义分别表示被测量点在基坐标系和测头坐标系的坐标.设点p在测头坐标系6M「i;-Zs下的坐标为Xs=[;cs ,乂 ， Of,该点在手腕坐标系Og-Xg-Zg的坐标为Jfg呵Xg,j;g,Zg〗T，贝ij<formula>formula see original document page 5</formula>(2)(1)求解矩阵i 设初始位置手腕坐标系记为ogl-xgl-rgl-zgl，在该系下标靶平面的方程为!^+^=0 (3)其中「[lc , ，J7为标靶平面在<9gl-zgl-;rgl-zgl坐标系下的单位法向量.手腕运动到位置j时坐标系记为Ogj-J^-^-Zgj，此时在该系下标靶平面的方程为 ;^化=0 (4)设^^/ ^^+^，代入(3)得比较(4)和(5)得到设在第j个位置测头测量标靶上一点得到的数据为《J，则将(6)代入(7)得(5)(6)(7)(8)如果手腕的运动为纯平移，即《产I，贝U (8)为<formula>formula see original document page 5</formula>o (9)用第j个位置形成的方程(9)减去初始位置的方程(《w)《i+《6^o得到<formula>formula see original document page 6</formula>(10)式(10)是关于 和i 的方程，有以下结论存在(I) 如果手腕做至少三次纯平移运动，并且这三次运动不共面，则m唯一确定.(II) 改变标靶方向至少三次，每次重复结论(I)的过程，则i 唯一确定.假设手腕做了 《次纯平移运动，取初始位置1测得的一个数据点K]T，取位置i得到的两个数据点[4,乂]T，[]T，则根据式(10)在位置i有如下方程成立.<formula>formula see original document page 6</formula> (lla)<formula>formula see original document page 6</formula> (lib)令i T,[&《]T，用(lib)减去(lla)得到<formula>formula see original document page 6</formula>(12)亦即<formula>formula see original document page 6</formula>(13)若标靶的方向一定，则W、^,《]T为常数，也就是说在不改变标靶方向的前提下，如果手腕只做平移运动，测量得到的直线的斜率是一致的.设手腕运动到个位置，得到个形如式(lla)的方程<formula>formula see original document page 6</formula>(14)由* =-化简方程(14)得<formula>formula see original document page 7</formula>pinv()代表矩阵的广义逆，又由约束条件||一| = 1，可以唯一确定m，《和《.至此，由《和《建立了关于尺的一个约束方程i 、仅由一个 约束方程不能得到i ，因此还需要改变标靶的方向或者改变机器人手腕的位姿， 得到关于i 的更多的约束方程.设标靶的方向改变m次，得到了关于i 的m个约束方程i Tw2 =[y^22]T(17)由此只要/ 23就可以唯一地确定i 。 (2)求解平移向量Z根据方程(9)对应一个标靶方向只能得到关于Z和W的一个约束条件，因 此求解《还需要手腕做旋转运动，得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量机器人的外参数计算方法，包括二维测距传感器（１）、工业机器人（２）、平面靶标（３），其特征在于，其中测距传感器（１）安装在工业机器人（２）末端，平面靶标（３）作为参照物置于传感器的可视范围内，外参数的计算步骤是：　　（１）首先由机器人带动测头沿Ｘ，Ｙ，Ｚ三个方向做纯平移运动，并测量平面标靶，由测量数据和机器人的位姿数据计算出外参数的旋转矩阵，　　（２）然后控制机器人末端做至少三次旋转动作，并测量平面标靶，由测量数据和机器人的位姿数据计算出外参数的平移向量。

【技术特征摘要】
1、一种用于测量机器人的外参数计算方法，包括二维测距传感器(1)、工业机器人(2)、平面靶标(3)，其特征在于，其中测距传感器(1)安装在工业机器人(2)末端，平面靶标(3)作为参照物置于传感器的可视范围内，外参数的计算步骤是(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：马孜，李爱国，胡英，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]