一种单个激光位移传感器的标定方法

1.本发明属于非接触测量领域，尤其涉及一种单个激光位移传感器的激光发射方向与原点位置的标定方法。


背景技术：

2.机器人与智能制造技术的结合发展已推动工业自动化发展的动力，得到了极大的关注。为确保制造过程的智能程度与安全稳定，传感器测量技术被广泛使用在各个作业场景中。
3.激光位移传感器作为经典的非接触式测量传感器，被广泛应用于工业生产中。其测量值主要两种用途：一是获取其激光发射原点位置与被测量点之间的直线距离，主要用于固定测量；二是将测量值进一步计算，获得被测量点的空间坐标，主要用于运动测量，且被测点空间坐标多是在设定的基坐标系下。上述的第一种方式较多使用于生产线中的识别或安全判断作业，使用较为简单；第二种方式较多使用于机器人末端执行器上，用于识别被作业对象的空间位置，以引导机器人的下一步操作。其中在第二种方式的计算过程中需要用到激光位置传感器的激光发射方向与原点位置，二者可通过标定过程获取。
4.现有的激光位移传感器的标定方法依赖于标定块，或特定的标定装置，且操作过程存在较多限制，这样不仅增加了激光位移传感器的标定成本与难度，也限定了其使用范围。
5.因此，本领域的研究人员提出了一种使用任意空间点对单个激光位移传感器的激光发射方向与原点位置进行标定的方法，对现有技术进一步改进和完善。


技术实现要素：

6.为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种单个激光位移传感器的标定方法。
7.为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
8.一种单个激光位移传感器的标定方法，包括以下步骤：
9.步骤1、建立坐标系：机器人基坐标系ob、机器人腕部坐标系ow、激光位移传感器坐标系o
l
，并设定齐次变换矩阵：
10.其中，所述激光位移传感器坐标系o
l
的z轴方向、原点与激光发射方向、激光发射原点一致；所述为机器人腕部坐标系ow相对于机器人基坐标系ob的齐次变换矩阵，该齐次变换矩阵通过机器人控制器获取；
11.步骤2、将激光位移传感器安装在机器人腕部，然后将标定纸装在机器人与激光位移传感器结合的测量范围内；
12.步骤3、将激光位移传感器的测量点与标定纸上的标定点对齐，读取激光位移传感器的距离测量值d，以及机器人腕部坐标系ow相对于机器人基坐标系ob的齐次变换矩阵
13.步骤4、改变机器人姿态以改变激光位移传感器的测量位置，至少采用三种不同的
机器人姿态重复步骤3并获取三组测量值d和齐次变换矩阵然后对获得数据进行求解以得到激光位移传感器在机器人腕部坐标系ow下的激光发射方向与原点位置。
14.所述步骤4中，将激光位移传感器的测量值d，转化为被测点在机器人基坐标系o 下的空间坐标[x y z]，采用下式进行转换计算：
[0015][0016]
上式中，为激光位移传感器坐标系o
l
相对于机器人腕部坐标系ow的齐次变换矩阵，该齐次变换矩阵为标定过程的获取目标。
[0017]
所述齐次变换矩阵转换为下式所示：
[0018][0019]
再按照矩阵乘法运算的结合律处理，得式：
[0020][0021]
从上式中可知，齐次变换矩阵中仅有a
13
、a
14
、a
23
、a
24
、a
33
、a
34
参与空间点坐标的运算，其中[a
13 a
23 a
33
]
t
表示激光位移传感器在机器人腕部坐标系ow下的发射方向，[a
14 a
24 a
34
]
t
表示激光位移传感器发射点在机器人腕部坐标系ow下的发射原点坐标，因此只需确定a
13
、a
14
、a
23
、a
24
、a
33
、a
34
这六个未知参数的值，即可完成激光位移传感器的标定，因其余未知参数均不参与计算，在中将其直接赋值为1即可。
[0022]
采用三个不同的机器人姿态进行测量，相应的得到三个激光位移传感器的测量值 d1、d2和d3，以及三个齐次变换矩阵三组数据可按照下式表示：
[0023][0024]
上式中d1、d2和d3属于已知量，求解即可得到激光位移传感器在机器人腕部坐标系ow下的激光发射方向[a
13 a
23 a
33
]
t
与原点位置[a
14 a
24 a
34
]
t
。
[0025]
所述激光位移传感器坐标系o
l
相对于机器人腕部坐标系ow的齐次变换矩阵采用下式表示：
[0026][0027]
还设定有齐次变换矩阵为激光位移传感器坐标系o
l
相对于机器人基坐标系ob的齐次变换矩阵，该齐次变换矩阵下式的计算获取：
[0028][0029]
所述采用三次不同的机器人姿态进行测量时，即相应的三次不同姿态下的激光位移传感器的测量点，保持标定纸的标定点不变，每一次不同姿态下的激光位移传感器的测量点都与标定点对齐，然后读取机器人腕部坐标系ow相对于机器人基坐标系ob的齐次变换矩阵以及激光位移传感器的距离测量值d。
[0030]
当测量次数超过三次时，通过最小二乘法求解得到数据。
[0031]
所述步骤2中，标定纸位于激光位移传感器的测量范围内的任意位置即可，在标定纸上标记出一个标定点。
[0032]
所述标定纸选择为设定大小尺寸的纸张，在该纸张上标记出一个标定点。
[0033]
与现有的激光位移传感器的标定方法相比，本发明所提出的一种单个激光位移传感器的标定方法，具有以下有益效果：
[0034]
1、操作难度低，本方法仅需要操作机器人将激光位移传感器的测量点与固定的标定点以不同姿态对齐3次，然后读取机器人腕部坐标系ow相对于机器人基坐标系ob的齐次变换矩阵与激光位移传感器的距离测量值d即可；
[0035]
2、无需特定标定设备，本方法所提标定纸与标定点，仅需利用a4纸打印一个标记点固定激光位移传感器的测量范围内即可；
[0036]
3、计算求解难度低，根据测量数据，仅需要解一个方程组即可得到激光位移传感器在机器人腕部坐标系下的激光发射方向与原点位置。
附图说明
[0037]
图1为本发明示意的标定系统；
[0038]
图2为图1中的a处放大示意图；
[0039]
图3为本发明的机器人基坐标系ob、机器人腕部坐标系ow、激光位移传感器坐标系o
l
的建模示意图；
[0040]
图4为图3中的b处放大示意图；
[0041]
图5为本发明的标定纸于标定点示意图。
[0042]
附图标记：1-工业机器人，2-激光位移传感器，3-传感器支架，4-机器人腕部连接件，5-激光位移传感器发射方向，6-标定纸，7-标定点。
具体实施方式
[0043]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参
考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0044]
在本发明的描述中，需要理解的是，如果有涉及到的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0045]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0046]
参考图1-4所示，本发明揭示了一种单个激光位移传感器的标定方法，基于机器人与激光位移传感器的装配，首先，将激光位移传感器利用安装支架3安装在工业机器人1的腕部或其他的末端执行器；其次，将标定纸6放置在激光位移传感器3测量范围的任意一个位置，该标定纸6上带有一个明显的标定点7，确保标定点7位于激光位移传感器3的测量范围中；然后将测量点与标定点7对齐，读取此时的激光位移传感器2的测量值与机器人腕部相对于基坐标系的齐次变换矩阵，至少进行3次不同姿态的测量；最后，根据同一空间点的三维坐标值一致，建立求解方程组并求解，便可以得到激光位移传感器在机器人腕部坐标系下的激光发射方向与原点位置。更具体的见如下所述。
[0047]
实施例一
[0048]
参考图1-5所示，本发明揭示了一种单个激光位移传感器的标定方法，包括以下步骤：
[0049]
步骤1、建立坐标系：机器人基坐标系ob、机器人腕部坐标系ow
、
激光位移传感器坐标系o
l
，设定三个坐标系之间的齐次变换矩阵：
[0050]
其中，所述激光位移传感器坐标系o
l
的z轴方向与激光发射方向一致，激光位移传感器坐标系o
l
的原点与激光发射原点一致；所述为机器人腕部坐标系ow相对于机器人基坐标系ob的齐次变换矩阵，该齐次变换矩阵通常可通过机器人控制器获取；所述为激光位移传感器坐标系o
l
相对于机器人腕部坐标系ow的齐次变换矩阵，该齐次变换矩阵为标定过程的获取目标；所述为激光位移传感器坐标系o
l
相对于机器人基坐标系ob的齐次变换矩阵，该齐次变换矩阵可通过下式(1)的计算获取：
[0051][0052]
步骤2、将激光位移传感器安装在机器人腕部，然后将标定纸装在机器人与激光位移传感器结合的测量范围内，位于激光位移传感器的测量范围内的任意一个位置即可，并
无具体的限定，以满足激光位移传感器能够与标定纸上的标定点进行对齐测量即可。在本实施例中，建立的是机器人腕部坐标系ow，因此就需要把激光位移传感器装配在机器人的腕部位置。在其他情况下，如果装在机器人的其他位置，只需要确保也建立对应的坐标系即可。
[0053]
步骤3、将激光位移传感器的测量点与标定纸上的标定点对齐，读取激光位移传感器的距离测量值d，以及机器人腕部坐标系ow相对于机器人基坐标系ob的齐次变换矩阵测量值d是指激光位移传感器距离标定点的距离。
[0054]
步骤4、改变机器人姿态以改变激光位移传感器的测量位置，至少采用三种不同的机器人姿态重复步骤3并获取三组测量值d和齐次变换矩阵然后对获得数据进行求解以得到激光位移传感器在机器人腕部坐标系ow下的激光发射方向与原点位置。
[0055]
实施例二
[0056]
参考图1-3所示，更具体地，所述步骤4中，将激光位移传感器的测量值d，转化为被测点在机器人基坐标系ob下的空间坐标[x y z]，采用下式(2)进行转换计算：
[0057][0058]
上式中，为激光位移传感器坐标系o
l
相对于机器人腕部坐标系ow的齐次变换矩阵，该齐次变换矩阵为标定过程的获取目标。
[0059]
所述齐次变换矩阵转换为下式(3)所示：
[0060][0061]
再按照矩阵乘法运算的结合律处理，得式(4)：
[0062][0063]
从上式中可知，齐次变换矩阵中仅有a
13
、a
14
、a
23
、a
24
、a
33
、a
34
参与空间点坐标的运算，其中[a
13 a
23 a
33
]
t
表示激光位移传感器在机器人腕部坐标系ow下的发射方向，[a
14 a
24a34
]
t
表示激光位移传感器发射点在机器人腕部坐标系ow下的发射原点坐标，因此只需确定a
13
、a
14
、a
23
、a
24
、a
33
、a
34
这六个未知参数的值，即可完成激光位移传感器的标定，因其余未知参数均不参与计算，在中将其直接赋值为1即可。
[0064]
采用三个不同的机器人姿态进行测量，机器人不同姿态，也就决定了激光位移传感器的位置不同，从而就实现不同方向位置的测量，相应的得到三个激光位移传感器的测量值d1、d2和d3，以及三个齐次变换矩阵三组数据可按照下式 (5)表示：
[0065][0066]
上式中d1、d2和d3属于已知量，通过整理，可以获得6个与未知量a
13
、a
14
、a
23
、a
24
、a
33
、a
34
有关的一次方程，经过方程组求解即可得到激光位移传感器在机器人腕部坐标系下的激光发射方向[a
13 a
23 a
33
]
t
与原点位置 [a
14 a
24 a
34
]
t
。
[0067]
所述激光位移传感器坐标系o
l
相对于机器人腕部坐标系ow的齐次变换矩阵采用下式(6)表示：
[0068][0069]
当测量次数超过三次时，通过最小二乘法求解得到数据。选择一张a4纸打印出一个明显的标定点即可。
[0070]
实施例三
[0071]
如图1和2所示，分别建立机器人基坐标系ob、机器人腕部坐标系ow和激光位移传感器坐标系o
l
。坐标系的具体模型如图2所示，机器人基坐标系ob原点在工业机器人1的基座中心，以竖直向上为z轴方向，x轴与y轴方向如图3中所示；机器人腕部坐标系ow原点在机器人腕部末端关节的中心，以指向腕部外侧为z轴方向，x轴与y 轴方向如图2中所示；激光位移传感器坐标系o
l
原点在激光发射点，以激光发射方向 5为z轴方向，x轴与y轴方向如图3中所示。
[0072]
然后将激光位移传感器2的测量点与标定纸6上的标定点7对齐，并读取此时激光位移传感器的距离测量值d，以及机器人腕部坐标系ow相对于机器人基坐标系ob的齐次变换矩阵该齐次变换矩阵通常可通过机器人控制器获取此过程作为一次测量过程。
[0073]
按照上述的测量过程，以三种不同的工业机器人1姿态重复测量，并获取三组测量数据d1、d2和d3，然后对获得数据进行求解以得到激光位移传感器在机器人腕部坐标系下的激光发射方向与原点位置。
[0074]
本实施例中以三次测量为准，将三次测量得到的数据d1、d2和d3，按照
[0075]
在具体求解时，按照实施例一和实施例二提到的式(1)到式(6)，将相应的数据代入，最后使用最小二乘法求解，以获得未知量a
13
、a
14
、a
23
、a
24
、a
33
、a
34
的标定值，从而就可以得到具体的激光位移传感器在机器人腕部坐标系下的激光发射方向[a
13 a
23 a
33
]
t
与原点位置[a
14 a
24 a
34
]
t
。
[0076]
与现有的激光位移传感器的标定方法相比，本发明所提出的一种单个激光位移传
感器的标定方法，具有操作难度低、无需特定标定设备和计算求解难度低等优点。
[0077]
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。