一种基于扫描仪的机器人手眼标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及工业机器人技术领域，尤其设及一种基于扫描仪的机器人手眼标定方 法。
【背景技术】
[0002] 随着现代工业和机器人技术的发展，机器人在工业方面的应用也越来越广，然后 由于机器人本身的刚性不足，重复定位精度和绝对定位精度不高等问题，导致机器人加工 高精密零件的精度不高，无法满足工件的质量要求。机器人本身的精度不高是目前的机器 人普遍存在的问题，还没有很好的解决方案，因此通过提高机器人本身的精度来提高加工 的质量是行不通的，只能通过减少机器人加工过程中产生的各种误差来提高加工的质量。 运些外部的误差主要包括加工误差、装配误差、调试误差等，也会造成机器人的定位精度相 对重复定位精度较低，一般在2cm到3cm范围。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于通过提出一种基于扫描仪的机器人手眼标定方法，来解决W上
【背景技术】部分提到的问题。
[0004] 为达此目的，本发明采用W下技术方案： 阳〇化]一种基于扫描仪的机器人手眼标定方法，其包括如下步骤：
[0006] S101、建立机器人末端工具坐标系相对于机器人基座标系的变换矩阵；
[0007] S102、建立扫描仪坐标系相对于机器人的基座标系的变换矩阵；
[0008] S103、通过步骤S101、步骤S102计算结果，建立扫描仪坐标系与机器人末端工具 坐标系之间的关系，完成机器人基于扫描仪的定位精度的标定。
[0009] 特别地，所述步骤S102包括：通过机器人加持不同半径的标准球在扫描仪的可视 区域进行移动，计算获得扫描仪坐标系相对机器人的基座标系的旋转矩阵和平移矩阵。
[0010] 特别地，所述步骤S102具体包括：将扫描仪固定在机器人本体W外的固定位置， 机器人加持标准球，在扫描仪的可视区域内进行移动W构造。、Cb两个坐标系之间的关系， 根据扫描仪获取的标准球表面的弧线W及球屯、相对于激光平面的上下位置得到标准球球 屯、在扫描仪坐标系。中的固定位置，构建扫描仪坐标系Cg与机器人基座标系Cb的关系；标 定旋转矩阵=
[0011] 标准球球屯、在扫描仪坐标系。中的固定位置计算过程如下：
[0012] 一、获得激光条纹所在位置的圆弧上的点数据；
[001引二、根据获得的所述点数据拟合得到一个扫描仪XY平面内的圆，计算圆屯、 0(0、，0,)及圆的半径r;计算圆弧与标准球赤道平面的距离：=n/知-r2
[0014]S、扫描仪坐标系内的球屯、坐标为：
[0015]
[0016] 使用另一半径的标准球来标定平移矩阵：在标定旋转矩阵的过程中，当操作机器 人使标准球位于扫描仪视野范围内的时，存在如下关系式：
[0017]
[0018] 即：妒1(作>-6灰。+ '式。）=>，其中：
[0019] Sp表示标准球表面某一点在扫描仪坐标系空间中的坐标.
[0020] bps。表示扫描仪坐标系相对于机器人基座标系的平移矩阵.
[0021] ，6及表示扫描仪坐标系相对于机器人基座标系的旋转矩阵；
[0022] bp。。表示机器人末端工具坐标系相对于机器人基座标系的平移矩阵.
[0023] f取表示机器人末端工具坐标系相对于机器人基座标系的旋转矩阵；
[0024] 6p表示标准球表面sp对应的点在机器人末端工具坐标系中的坐标. W25] 在标定过程中，标准球与机器人末端工具坐标系之间的固定位置关系固 定，故点6p对应的球屯、固定，所W可通过多个式获得市，它们拟合的球屯、都是标准 球的球屯、在机器人末端工具坐标系中的坐标，设为0。;在保持不变的情况下，式 妒1(作巧,。+ 6化。）= > 中（次+V.、。）可拟合得到球心因bps。为未知常 量，（作>-6化。）可拟合得到球屯、，记为在坐标系在姿态上与机器人基座标 系保持一致，原点与机器人末端工具坐标系保持bpg。的平移；0^^与0。具有如下关系： 八。）二;由于化是未知的，且汝1、0J1机器人姿态相关，"口5。有；个未知 参数，所W需构造=个等式获得bp,。，即需要四个不同机器人姿态下构成=个方程W获得bpsO:
W29] 由此可解得平移矩阵bpg。。
[0030] 本发明提出的基于扫描仪的机器人手眼标定方法完成了机器人基于扫描仪的定 位精度的标定，w此来计算扫描仪相对于机器人的固定位置关系，从而再利用扫描仪来对 机器人末端加持工具进行扫描，得到机器人末端的工具相对于机器人末端坐标系的实际位 置，克服由于安装等技术操作上的不精确而产生的误差，使得标定后的工业机器人能够在 不同的场合完成对工件的精确扫描，从而对工件进行精确的加工，提高了加工的精度。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明提供的基于扫描仪的机器人手眼标定系统原理图；
[0032]图2为本发明的基于扫描仪的机器人手眼标定系统坐标系关系图；
[0033] 图3为本发明提供的基于扫描仪的机器人手眼标定方法流程图。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可W理解的是，此处所描述的具 体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描 述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0035] 请参照图1所示，图1为本发明提供的基于扫描仪的机器人手眼标定系统原理图， 图中101为机器人，102为工件，103为扫描仪，104为机器人的基座。根据扫描仪安装位置 的不同，手眼系统分为两种类型。一种是Eye-in-hand，在该类型的手眼系统中，扫描仪固定 在机器人的末端，扫描仪跟随机器人末端运动。视觉引导系统是该类系统应用的典型代表， 在视觉引导系统中，扫描仪通过对工件表面的特征识别，引导机器人运动到准确的固定位 置来完成任务。另一种是Eye-to-hand，在该类型的手眼系统中，扫描仪固定在机器人本体 W外的固定位置，二者空间位置上相互独立。由于机器人运动过程的一些不可控因素，第二 种Eye-to-hand方式更加实用，本发明也是基于第二种方式。如图2所示，图2为本发明的 基于扫描仪的机器人手眼标定系统坐标系关系图，图中201为机器人末端工具坐标系，202 为工件坐标系，203为扫描仪坐标系，204为机器人的基座标系。
[0036] 如图3所示，本实施例中基于扫描仪的机器人手眼标定方法具体包括：
[0037]S301、建立机器人末端工具坐标系相对于机器人基座标系的变换矩阵。
[0038]S302、建立扫描仪坐标系相对于机器人的基座标系的变换矩阵。
[0039]S303、通过步骤S301、步骤S302计算结果，建立扫描仪坐标系与机器人末端工具 坐标系之间的关系，完成机器人基于扫描仪的定位精度的标定。
[0040] 通过手眼标定建立机器人与扫描仪之间的坐标系关系。在Eye-to-hand方式中， 机器人运动过程中，扫描仪坐标系相对于机器人末端工具坐标系的关系是实时变化的，无 法建立固定的坐标系关系。但是相对于机器人基坐标系之间的关系是固定不变的，可W建 立固定的坐标系关系，因此在Eye-to-hand中，手眼标定的是机器人基坐标系和扫描仪坐 标系之间的坐标系关系。
[0041] 本发明过程中的标定是一种借助于标定球的手眼标定方法，从而找到扫描仪坐标 系相对于机器人末端坐标系之间的关系，W此再对机器人末端加持的工件进行扫描，从而 就可W根据手眼标定方法的结果来得到工件相对于机器人末端坐标系的实际位置关系，从 而就可W消除在装夹、调试等过程中产生的误差，提高工件的加工精度。
[00创 W坐标系{A}、脚为例，在机器人工作空间中两个坐标系{A}和脚之间的关系 主要为位置偏移和姿态旋转，位置偏移是指坐标系原点的偏移，用平移向量（平移矩阵）Ape。表示。姿态旋转是指坐标系坐标轴之间的旋转关系，一般用旋转矩阵巧表示。坐标系 {B}中的点Bp向坐标系{A}转换可W表示为：V 仇。；于是标定过程就分为旋转 矩阵的标定和平移矩阵的标定，而手眼标定的任务就是得到。向Cb转换的平移向量bpg。和 旋转矩阵鸿。
[0043] 通过机器人加持不同半径的标准球在扫描仪的可视区域进行移动，计算获得扫描 仪坐标系相对机器人的基座标系的旋转矩阵和平移矩阵。机器人加持标准球，在扫描仪的 可视区域内进行移动W构造。、Cb两个坐标系之间的关系，根据扫描仪获取的标准球表面 的弧线W及球屯、相对于激光平面的上下位置得到标准球球屯、在扫描仪坐标系。中的固定 位置，构建扫描仪坐标系。与机器人基座标系Cb的关系。标定旋转矩阵，墙
[0044] 标准球球屯、在扫描仪坐标系。中的固定位置计算过程如下：
[0045](1)、获得激光条纹所在位置的圆弧上的点数据；
[0046] (2)、根据获得的所述点数据拟合得到一个扫描仪XY平面内的圆，计算圆屯、 〇(〇、，〇,)及圆的半径r;计算圆弧与标准球赤道平面的距离：沁=~-r2 ；
[0047] (3)、扫描仪坐标系内的球屯、坐标为：
[0048]
[0049] 使用另一半径的标