專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于測(cè)量機(jī)器人的外參數(shù)計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，確切的說(shuō)是一種用于測(cè)量機(jī)器人的外參數(shù)計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
機(jī)器人誕生于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)早已成熟。具有視覺(jué)功能的機(jī)器人主要應(yīng)用于汽車(chē)、電子、機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域，其中應(yīng)用最廣泛的是機(jī)器人手眼協(xié)調(diào)功能，例如抓取機(jī)器人、裝配機(jī)器人以及弧焊機(jī)器人等。機(jī)器人視覺(jué)在加工制造業(yè)已經(jīng)有了很成熟的技術(shù)應(yīng)用。
隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在測(cè)量中的應(yīng)用也越來(lái)越受到重視。機(jī)器人測(cè)量具有在線(xiàn)、靈活、高效等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件100%的測(cè)量。因此，特別適合于自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的工序間和過(guò)程測(cè)量。機(jī)器人測(cè)量造價(jià)低，容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量速度快、自動(dòng)化程度高、柔性好的在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)。測(cè)量機(jī)器人從誕生到投入生產(chǎn)應(yīng)用，開(kāi)始展現(xiàn)出蓬勃生機(jī)。
測(cè)量機(jī)器人通常在機(jī)器人末端安裝測(cè)距傳感器，由機(jī)器人帶動(dòng)傳感器完成一些關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量。為了將機(jī)器人在各個(gè)姿態(tài)下的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，需要確定傳感器和機(jī)器人末端的連接關(guān)系，稱(chēng)之為傳感器的外參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供適用于二維傳感器(即傳感器返回的數(shù)據(jù)為二維數(shù)據(jù))的外參數(shù)計(jì)算方法。
本發(fā)明的原理是，以一位置未知的平面(金屬或陶瓷等材料制成)作為參照物，機(jī)器人帶動(dòng)測(cè)頭以特定的運(yùn)動(dòng)方式測(cè)量該參考平面，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)器人的位姿建立關(guān)于外參數(shù)的約束方程，求解該方程即可得到外參數(shù)。
本發(fā)明的特征是
a. 本方法適用于由二維測(cè)距傳感器(1)、工業(yè)機(jī)器人(2)、平面靶標(biāo)(3)構(gòu)成的測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)，其中測(cè)距傳感器(1)安裝在工業(yè)機(jī)器人(2)末端，平面靶標(biāo)(3)作為參照物置于傳感器的可視范圍內(nèi)。
b. 外參數(shù)的計(jì)算步驟是動(dòng)測(cè)頭沿X， Y， Z三個(gè)方向做純平移運(yùn)動(dòng)，并測(cè)量平面標(biāo)靶，由測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)器人的位姿數(shù)據(jù)可計(jì)算出外參數(shù)的旋轉(zhuǎn)矩陣。
(2) 然后控制機(jī)器人末端做至少三次旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，并測(cè)量并測(cè)量平面標(biāo)靶，
由測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)器人的位姿數(shù)據(jù)可計(jì)算出外參數(shù)的平移向量。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是外參數(shù)的計(jì)算的常見(jiàn)方法有:①利用高精度的三坐標(biāo)測(cè)量
儀對(duì)傳感器夾持工具進(jìn)行測(cè)量；O針對(duì)傳感器為攝像機(jī)的外參數(shù)計(jì)算方法，該
類(lèi)方法不能直接應(yīng)用于位移傳感器；G)傳感器為一維測(cè)距儀，采用定點(diǎn)變位姿
進(jìn)行外參數(shù)計(jì)算。上述方法中①的成本較高，操作不便，⑦G)方法均不適用于
二維傳感器。而本方明針對(duì)用于完成測(cè)量任務(wù)的機(jī)器人，僅需要使用一個(gè)平面
作為參照物，成本低，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。


圖i的是世界坐標(biāo)系ow-zw-ivzw和手腕坐標(biāo)系Og-Zg-yg-Zg及測(cè)頭坐標(biāo)系
(^Ys-Fs-Zs的示意圖。
具體實(shí)施例方式
測(cè)頭輸出的數(shù)據(jù)是包含被測(cè)物體深度信息的二維數(shù)據(jù)，而被測(cè)點(diǎn)的位置是利用空間的三維坐標(biāo)描述的.實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量必須將這種二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)，完成這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換必須建立測(cè)量系統(tǒng)的幾何模型.
為便于研究測(cè)量系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，首先建立了下述3個(gè)坐標(biāo)系(見(jiàn)附圖).
(1) 世界坐標(biāo)系ow-xw-yw-zw，測(cè)量數(shù)據(jù)最終應(yīng)統(tǒng)一到該坐標(biāo)系.為方便起見(jiàn)，選擇世界坐標(biāo)系和機(jī)器人的基坐標(biāo)系重合.
(2) 手腕坐標(biāo)系Og-Xg-Tg-Zg，坐標(biāo)系原點(diǎn)在法蘭盤(pán)的中心，相對(duì)于基坐標(biāo)系
的姿態(tài)由機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)確定.
(3) 測(cè)頭坐標(biāo)系定義為<9s-Jrs-ys-Zs
設(shè)測(cè)頭坐標(biāo)系相對(duì)于手腕坐標(biāo)系的姿態(tài)(外參數(shù))為(A，f)，手腕坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人的基坐標(biāo)系的姿態(tài)為(i^A)，將以上3個(gè)坐標(biāo)系的后一個(gè)坐標(biāo)系向前一個(gè)坐標(biāo)系做變換，得到測(cè)量系統(tǒng)的幾何模型為其中X，義分別表示被測(cè)量點(diǎn)在基坐標(biāo)系和測(cè)頭坐標(biāo)系的坐標(biāo).
設(shè)點(diǎn)p在測(cè)頭坐標(biāo)系6M「i;-Zs下的坐標(biāo)為Xs=[;cs ,乂 ， Of,該點(diǎn)在手腕坐標(biāo)系Og-Xg-Zg的坐標(biāo)為Jfg呵Xg,j;g,Zg〗T，貝ij
<formula>formula see original document page 5</formula>
(2)
(1)求解矩陣i
設(shè)初始位置手腕坐標(biāo)系記為ogl-xgl-rgl-zgl，在該系下標(biāo)靶平面的方程為
"!^+^=0 (3)
其中"「["lc , ，"J7為標(biāo)靶平面在<9gl-zgl-;rgl-zgl坐標(biāo)系下的單位法向量.
手腕運(yùn)動(dòng)到位置j時(shí)坐標(biāo)系記為Ogj-J^-^-Zgj，此時(shí)在該系下標(biāo)靶平面的方
程為
;^化=0 (4)
設(shè)^^/ ^^+^，代入(3)得比較(4)和(5)得到
設(shè)在第j個(gè)位置測(cè)頭測(cè)量標(biāo)靶上一點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)為《J，則
將(6)代入(7)得
(5)
(6)
(7)
(8)
如果手腕的運(yùn)動(dòng)為純平移，即《產(chǎn)I，貝U (8)為
<formula>formula see original document page 5</formula>o (9)
用第j個(gè)位置形成的方程(9)減去初始位置的方程(《w)《i+《"6^o得到<formula>formula see original document page 6</formula>(10)
式(10)是關(guān)于 和i 的方程，有以下結(jié)論存在
(I) 如果手腕做至少三次純平移運(yùn)動(dòng)，并且這三次運(yùn)動(dòng)不共面，則m唯一確定.
(II) 改變標(biāo)靶方向至少三次，每次重復(fù)結(jié)論(I)的過(guò)程，則i 唯一確定.假設(shè)手腕做了 《次純平移運(yùn)動(dòng)，取初始位置1測(cè)得的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)
K"]T，取位置i得到的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)[4,乂]T，["]T，則根據(jù)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)減去(lla)得到
<formula>formula see original document page 6</formula>
(12)
亦即<formula>formula see original document page 6</formula>
(13)
若標(biāo)靶的方向一定，則W、^,《]T為常數(shù)，也就是說(shuō)在不改變標(biāo)靶方向的前提下，如果手腕只做平移運(yùn)動(dòng)，測(cè)量得到的直線(xiàn)的斜率是一致的.
設(shè)手腕運(yùn)動(dòng)到"個(gè)位置，得到"個(gè)形如式(lla)的方程
<formula>formula see original document page 6</formula>
(14)
由* =-"化簡(jiǎn)方程(14)得<formula>formula see original document page 7</formula>
pinv()代表矩陣的廣義逆，又由約束條件||一| = 1，可以唯一確定m，《和《.
至此，由""《和《建立了關(guān)于尺的一個(gè)約束方程i 、僅由一個(gè) 約束方程不能得到i ，因此還需要改變標(biāo)靶的方向或者改變機(jī)器人手腕的位姿， 得到關(guān)于i 的更多的約束方程.
設(shè)標(biāo)靶的方向改變m次，得到了關(guān)于i 的m個(gè)約束方程
i Tw2 =[y^22]T
(17)
由此只要/ 23就可以唯一地確定i 。 (2)求解平移向量Z
根據(jù)方程(9)對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)靶方向只能得到關(guān)于Z和W的一個(gè)約束條件，因 此求解《還需要手腕做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，得到若干個(gè)形如式(8)的方程. 由式(9)得
…"t肌-《卜4 (18)
代入式(8)
W =(《i^i )A;—(《i )A;.+《& —O (19)
權(quán)利要求
1、一種用于測(cè)量機(jī)器人的外參數(shù)計(jì)算方法，包括二維測(cè)距傳感器(1)、工業(yè)機(jī)器人(2)、平面靶標(biāo)(3)，其特征在于，其中測(cè)距傳感器(1)安裝在工業(yè)機(jī)器人(2)末端，平面靶標(biāo)(3)作為參照物置于傳感器的可視范圍內(nèi)，外參數(shù)的計(jì)算步驟是(1)首先由機(jī)器人帶動(dòng)測(cè)頭沿X，Y，Z三個(gè)方向做純平移運(yùn)動(dòng)，并測(cè)量平面標(biāo)靶，由測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)器人的位姿數(shù)據(jù)計(jì)算出外參數(shù)的旋轉(zhuǎn)矩陣，(2)然后控制機(jī)器人末端做至少三次旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，并測(cè)量平面標(biāo)靶，由測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)器人的位姿數(shù)據(jù)計(jì)算出外參數(shù)的平移向量。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于測(cè)量機(jī)器人的外參數(shù)計(jì)算方法。該方法主要針對(duì)安裝有二維測(cè)距傳感器工業(yè)機(jī)器人的外參數(shù)的計(jì)算。該方法需要使用平面靶標(biāo)作為參照物，首先由機(jī)器人帶動(dòng)測(cè)頭沿X，Y，Z三個(gè)方向做純平移運(yùn)動(dòng)，并測(cè)量平面標(biāo)靶，由測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)器人的位姿數(shù)據(jù)可計(jì)算出外參數(shù)的旋轉(zhuǎn)矩陣。然后控制機(jī)器人末端做至少三次旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，并測(cè)量平面標(biāo)靶，由測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)器人的位姿數(shù)據(jù)可計(jì)算出外參數(shù)的平移向量。
文檔編號(hào)G01B21/00GK101660903SQ20091018753
公開(kāi)日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者李?lèi)?ài)國(guó), 英 胡, 孜 馬 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)