專利名稱：：基于相對測量的工件坐標系統標定方法基于相對測量的工件坐標系統標定方法技術領城本發明涉及工件的位姿標定
技術領域：
，特別涉及一種機器人領域中工件坐標系統的標定方法。
背景技術：
：坐標系統標定是機器人領域的關鍵技術，其任務是確定機器人加工系統中工件、工具等的位置。一般的工件標定算法，可以稱為基于絕對測量的算法；這類算法是將測量點轉換為機器人末端坐標系(Tqq1。)下的坐標(工件被固坐標系的情況)；然后，再用其他的算法比如最小二乘法來標定工件位置。絕對測量的方法能夠在一定程度上完成工件坐標系統位姿(Wobj)的定位，但是，在絕對測量過程中，存在機器人的系統誤差和測量系統標定誤差等，這使得現有技術中的標定方法對于這些工件位置的標定不夠精確。
發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種標定精度及作業精度更高的基于相對測量的工件坐標系統標定方法。為解決上述技術問題，本發明采取的技術方案是提供一種基于相對測量的工件坐標系統標定方法，其特征在于，包括Al.標定測量裝置的相對零點和機器人基座坐標系間的位置關系，在所述機器人末端固定所述工件，其中，所述測量裝置及所述機器人基座位置固定；A2.對工件坐標系統進行初步標定，得到所述工件坐標系統位姿的初始值；A3.在所述工件的三維模型的表面生成表面加工路徑，其中所述路徑上的點稱為目標點；A4.通過所述測量裝置測量所述目標點相對于所述測量裝置相對零點的坐標；A5.通過求解所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣，完成所述工件坐標系統的標定。優選的，所述對工件坐標系統進4亍初步標定是通過絕對測量的方法而進行。優選的，步驟A3中在所述工件三維模型的表面生成表面加工路徑是通過離線編程技術實現。優選的，步驟A5進一步包括利用最小二乘法使所述偏移量最小，進而求出所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣。優選的，上述技術方案還可以包括步驟A6.將步驟A5中得到的所述工件坐標系統的標定值作為初始值，重復步驟A4,最終完成對所述工件坐標系統的^r確標定。本發明采取的另一種技術方案是提供一種基于相對測量的工件坐標系統標定方法，其特征在于，包括Bl.標定測量裝置的相對零點和機器人末端坐標系間的位置關系，其中，所迷測量裝置固定于所述機器人的末端，并且所述工件及所述機器人位置固定；B2.對工件坐標系統進行初步標定，得到所述工件坐標系統位姿的初始值；B3.在所述工件的三維模型的表面生成表面加工路徑，其中所述路徑上的點稱為目標點；B4.通過所述測量裝置測量所述目標點相對于所述測量裝置相對零點的坐標；B5.通過求解所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣，完成所述工件坐標系統的標定。優選的，所述對工件坐標系統進行初步標定是通過絕對測量的方法而進行。優選的，步驟B3中在所述工件三維模型的表面生成表面加工路徑是通過離線編程技術實現。優選的，步驟B5進一步包括利用最小二乘法使所述偏移量最小，進而求出所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣。優選的，上述技術方案還可以包括步驟B6.將步驟B5中得到的所述工件坐標系統的標定值作為初始值，重復步驟B4,最終完成對所述工件坐標系統的4青確標定。同現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點1.可以運用接觸與非接觸式的測量裝置作為測量工具，如點激光測量器等，測量過程簡單易行；2.無需獲取測量點的絕對坐標值，只需運用相對測量的偏差值和非線性最小二乘法來補償和計算即可實現對工件坐標系統的標定，操作過程簡便、快捷，結果準確；3.在誤差補償過程中，局部補償了機器人系統誤差，提高了機器人坐標系統標定精度和最終系統的作業精度。圖l是本發明實施方式的結構圖；圖2是本發明實施方式的流程圖；圖3是本發明第二種實施方式的結構圖；圖4是本發明第二種實施方式的流程具體實施例方式本發明的核心思想是標定工件坐標系統位姿(Wobj)的初始值，利用Wobj的初始值與實際值之間的轉換矩陣，完成工件坐標系統的標定。參照圖l，是本發明實施方式的結構如圖所示，包括機器人IO、測量裝置ll、工件12，其中機器人10的基座101和測量裝置11分別固定，例如固定在世界坐標系中等，工件12固定于機器人10的末端102。其中測量裝置ll可以為線性位移傳感器(LVDT)或點激光測量器等。參照圖2，是本發明實施方式的流程步驟201，標定測量裝置的相對零點和機器人基座坐標系間的位置關系，將工件固定在機器人末端；由于測量裝置11與機器人基座10l相對靜止，利用公知的標定技術可以完成測量裝置11與機器人基座101之間的位姿關系標定，假設其為^w;將工件12固定于機器人末端102，以便機器人lO對其進行測量路徑的編輯。步驟202,對工件坐標系統進行初步標定，得到所述工件坐標系統位姿的初始^f直；優選的，可以通過基于絕對測量的方法或其他方法，對工件12坐標系統進行初步標定，例如通過測量工件12表面特征點在機器人末端102坐標系下的位置，完成對工件12坐標系統的初步標定。步驟203,在工件的三維模型的表面生成表面加工路徑；優選的，可以通過離線編程等技術，在工件12的三維模型的表面生成表面加工路徑，其中，路徑上的點稱為目標點(Target)。步驟204，通過測量裝置測量所述目標點相對于該測量裝置相對零點的坐標；根據工具位置(將所述測量裝置的相對零點位置設為工具位置)、工件12坐標系統位姿初始值和工件12表面目標點，控制機器人10夾持工件12運動至所述目標點，通過測量裝置11測量所述目標點相對于測量裝置11相對零點的坐標，該坐標即為目標點的偏移量。步驟205,記錄目標點的偏移量，通過所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣，完成工件坐標系統的標定。由于初始的Wobj與實際的Wobj之間存在誤差，于是當每個Target運行到測量裝置ll相對零點時，測量到的是實際工件12表面上的點，這個點在測量裝置ll中的坐標與理想情況會有偏差。而每個測量值就是實際的目標點與理論的目標點之間的偏移量(Offsets);運用最小二乘法使得Offsets最小，求出實際的Wobj與初始的Wobj之間的轉換矩陣，進而求出實際的Wobj。其中，假定測量裝置11測得的相對測量值是實際的目標點(在實際的Wobj中的目標點)到理論的目標點之間的距離值(在初始的Wobj中的目標點，這個目標點和實際的目標點之間存在有誤差值)；這個布支定忽略了兩個對結果影響很小的因素工具標定誤差以及由初始Wobj和工具標定誤差導致的測量點的偏移(實際測量到的點偏離了理想的測量點)。用最小二乘法求解實際Wobj相對于初始的Wobj的轉換矩陣實際目標點相對于期望目標點(在初始Wobj下的目標點)的轉換矩陣的轉換關系是IdealTargetTxyz-TargetMT1*AccurateWobj—、InitialWobj*TargetM其中，TargetM為工件12表面目標點相對于工件12坐標系的位姿矩陣，AccurateWobj為實際的精確工件12坐標系統位姿矩陣，InitialWobj為初始的工件12坐標系統位姿矩陣。這里實際精確的Wobj值為AccurateWobj=Transform*InitialWobj實際目標點相對于期望目標點的位置關系為IdealTargetTxyz(3)-Offset其中IdealTargetTxyz(3)為向量IdealTargetTxyz的第三個元素的值(即Z值)，Offset是測量i殳備測得的相對值；運用非線性最小二乘法，即可求解出轉換矩陣Transform,進而求出實際的Wobj值。本發明還可以將上述實際的Wobj值作為初始值，重復步驟204以進^f亍多次迭代運算，最終完成對工件12坐標系統的精確標定。參照圖3，是本發明第二種實施方式的結構如圖所示，本實施例與上述優選實施例的區別為工件12與測量裝置11的位置互換，即工件12位置固定，同機器人10相對靜止，測量裝置ll則固定于機器人末端102。參照圖4，是本發明第二種實施方式的流程步驟401，將測量裝置固定在機器人末端，標定測量裝置的相對零點和機器人末端坐標系間的位置關系，；由于測量裝置11固定在機器人末端102坐標系上，利用公知的標定技術可以完成測量裝置11與機器人末端102之間的位姿關系標定，假設其為乂m;步驟402,對工件坐標系統進行初步標定，得到所述工件坐標系統位姿的優選的，可以通過基于絕對測量的方法或其他方法，對工件12坐標系統進行初步標定，例如通過測量工件12表面特征點在機器人基座101坐標系下的位置，完成對工件坐標系統的初步標定。步驟403，在所述工件的三維模型的表面生成表面加工路徑；優選的，可以通過離線編程等技術，在工件12的三維模型的表面生成表面加工路徑，其中，路徑上的點稱為目標點(Target)。步驟404,通過測量裝置測量所述目標點相對于該測量裝置相對零點的坐標；根據工具位置(將所述測量裝置的相對零點位置設為工具位置)、工件坐標系統位姿初始值和工件表面目標點，控制機器人10夾持測量裝置11運動至所述目標點，通過測量裝置11測量所述目標點相對于測量裝置11相對零點的坐標，該坐標即為目標點的偏移量。步驟405，記錄目標點的偏移量，通過所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣，完成工件坐標系統的標定。由于初始的Wobj與實際的Wobj之間存在誤差，于是當每個Target被測量裝置ll測量到時，測量到的是實際工件12表面上的點，這個點在測量裝置11中的坐標與理想情況會有偏差。而每個測量值就是實際的目標點與理論的目標點之間的偏移量(Offsets);運用最小二乘法使得Offsets最小，求出實際的Wobj與初始的Wobj之間的轉換矩陣，進而求出實際的Wobj。本發明還可以將上述實際的Wobj值作為初始值，重復步驟604以進行多次迭代運算，最終完成對工件12坐標系統的精確標定。相關原理以及轉換矩陣的推導過程同實施例1中步驟205描述的過程相同，因此不再贅述。通過上述兩種實施方式描述的方法對工件12進行標定，其實施效果如下表所示<table>complextableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>在工件標定前，測量裝置11測量到的工件12目標點到測量裝置11零點的距離波動有2、3mm,標定后，測量裝置11測量到的工件12目標點到測量裝置零點的距離波動在土O.l咖以內。實施結果表明，本發明很好地補償了系統誤差，實現了對工件坐標系統的標定。以上應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本i兌明書內容不應理解為對本發明的限制。權利要求1.一種基于相對測量的工件坐標系統標定方法，其特征在于，包括101.標定測量裝置的相對零點和機器人基座坐標系間的位置關系，在所述機器人末端固定所述工件，其中，所述測量裝置及所述機器人基座位置固定；102.對工件坐標系統進行初步標定，得到所述工件坐標系統位姿的初始值；103.在所述工件的三維模型的表面生成表面加工路徑，其中所述路徑上的點稱為目標點；104.通過所述測量裝置測量所述目標點相對于所述測量裝置相對零點的坐標；105.通過求解所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣，完成所述工件坐標系統的標定。2.如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述對工件坐標系統進行初步標定是通過絕對測量的方法而進行。3.如權利要求l所述的方法，其特征在于，步驟103中在所述工件三維模型的表面生成表面加工路徑是通過離線編程技術實現。4.如權利要求l所述的方法，其特征在于，步驟105進一步包括利用最小二乘法使所述偏移量最小，進而求出所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣。5.如權利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述求解所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣的過程為用最小二乘法求解實際Wobj相對于初始的Wobj的轉換矩陣實際目標點相對于期望目標點的轉換矩陣的轉換關系是IdealTargetTxyz-TargetMT1*AccurateWobj、InitialWobj*TargetM這里實際精確的Wobj值為AccurateWobj=Transform*InitialWobj實際目標點相對于期望目標點的位置關系為IdealTargetTxyz(3)=0ffset其中IdealTargetTxyz(3)為向量IdealTargetTxyz的第三個元素的值(即Z值)，Offset是測量設備測得的相對值；運用非線性最小二乘法，即可求解出轉換矩陣Transform。6.如權利要求l所述的方法，其特征在于還包括步驟106.將步驟105中得到的所述工件坐標系統的標定值作為初始值，重復步驟104，最終完成對所述工件坐標系統的精確標定。7.—種基于相對測量的工件坐標系統標定方法，其特征在于，包括701.標定測量裝置的相對零點和機器人末端坐標系間的位置關系，其中，所述測量裝置固定于所述機器人的末端，并且所述工件及所述機器人位置固定；702.對工件坐標系統進行初步標定，得到所述工件坐標系統位姿的初始值；703.在所述工件的三維模型的表面生成表面加工路徑，其中所述路徑上的點稱為目標點；704.通過所述測量裝置測量所述目標點相對于所述測量裝置相對零點的坐標；705.通過求解所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣，完成所述工件坐標系統的標定。8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述對工件坐標系統進行初步標定是通過絕對測量的方法而進行。9.如權利要求7所述的方法，其特征在于，步驟703中在所述工件三維模型的表面生成表面加工路徑是通過離線編程技術實現。10.如權利要求7所述的方法，其特征在于，步驟705進一步包括利用最小二乘法使所述偏移量最小，進而求出所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣。'11.如權利要求7至10中任意一項所述的方法，其特征在于，所述求解所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣的過程為用最小二乘法求解實際Wobj相對于初始的Wobj的轉換矩陣實際目標點相對于期望目標點的轉換矩陣的轉換關系是IdealTargetTxyz-TargetM—1*AccurateWobj畫、InitialWobj*TargetM這里實際精確的Wobj值為AccurateWobj=Transform*IniUalWobj實際目標點相對于期望目標點的位置關系為IdealTargetTxyz(3)-Offset其中IdealTargetTxyz(3)為向量IdealTargetTxyz的第三個元素的值(即Z值)，Offset是測量設備測得的相對值；運用非線性最小二乘法，即可求解出轉換矩陣Transform。12.如權利要求7所述的方法，其特征在于還包括步驟706.將步驟705中得到的所述工件坐標系統的標定值作為初始值，重復步驟704，最終完成對所述工件坐標系統的精確標定。全文摘要本發明公開了一種基于相對測量的工件坐標系統標定方法，以實現標定精度及作業精度更高的工件坐標系統標定；該方法通過標定測量裝置的位置，以及工件坐標系統的初始值，并在虛擬工件的表面生成表面加工路徑(路徑上的點稱為目標點)，控制機器人運動，通過測量裝置測量所述目標點的坐標，記錄所述目標點的偏移量，通過求解所述工件坐標系統位姿的初始值與實際值之間的轉換矩陣，完成所述工件坐標系統的標定；通過該方法，可以使測量過程簡單易行，補償了機器人系統誤差，提高了機器人坐標系統標定精度和最終系統的作業精度。文檔編號G01B21/04GK101097132SQ20061009080公開日2008年1月2日申請日期2006年6月30日優先權日2006年6月30日發明者平劉,劉華根,吳水華,孫云權,青湯,甘中學申請人:廊坊智通機器人系統有限公司
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