机器人系统的自动标定方法与流程

本发明涉及一种机器人系统的自动标定方法。

背景技术：

在现有技术中，对于机器人系统的标定，一般采用人工示教的方法，例如，手动地控制机器人以多种不同的姿态(对于六轴机器人而言，一般为四种或更多种不同的姿态)将安装在机器人的法兰盘上的末端执行工具(或称为末端执行器)的中心移动到同一目标点。但是，由于需要通过人眼来判断末端执行工具的中心是否移动到同一目标点，因此，不可避免地会存在误差，导致末端执行工具的中心相对于机器人的法兰盘的中心的传递矩阵的标定不准确，而且手动地控制机器人以多种不同的姿态到达同一目标点和依靠人眼判断是否到达同一目标点的工作非常费时，影响工作效率。对于需要经常更换末端执行工具的机器人系统，在每更换一次末端执行工具之后，都要进行一次重新标定，非常麻烦，非常费时。

在现有技术中，还曾提出过一种基于标定的视觉传感器自动执行机器人系统的标定的技术方案，在该技术方案中，在视觉传感器的引导下控制机器人以多种不同的姿态将安装在机器人的法兰盘上的末端执行工具的中心移动到同一目标点。与用人眼来判断末端执行工具的中心是否到达同一目标点相比，该技术方案省时省力。但是，在该技术方案中，视觉传感器需要识别末端执行工具的中心，由于末端执行工具的几何结构比较复杂，识别非常困难，特别是对于需要经常更换末端执行工具的机器人系统，每更换一次末端执行工具之后，都要重新识别末端执行工具的中心，非常麻烦，非常费时。

此外，在前述现有技术中，视觉传感器一般为摄像机，识别处理 系统根据视觉传感器拍摄到的图像来识别末端执行工具的中心。但是，根据拍摄到的图像识别末端执行工具的中心的计算量非常大，导致识别速度很慢，严重地降低了机器人系统的标定效率。

技术实现要素：

本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。

根据本发明的一个目的，旨在于提供一种机器人系统的自动标定方法，其能够精确地且高效地完成机器人系统的标定工作。

根据本发明的一个方面，提供一种机器人系统的自动标定方法，包括如下步骤：

s100：提供一个球棒部件，所述球棒部件具有一个连接杆和附接在所述连接杆的一端上的球体；

s200：将所述球棒部件的连接杆的另一端固定至安装在机器人的法兰盘上的末端执行工具上；

s300：在一个已知的目标点的周围设置三个距离传感器，用于分别检测至所述球体的表面的实际距离；

s400：根据三个距离传感器检测到的三个实际距离控制所述机器人分别以多种不同的姿态将所述球体的中心精确地移动到所述目标点，并根据所述机器人在所述目标点的位姿数据计算出所述球体的中心相对于所述法兰盘的中心的传递矩阵ts；和

s500：根据下面的公式(1)计算所述末端执行工具的中心相对于所述机器人的法兰盘的中心的传递矩阵tt，

tt＝ts*tc(1)，其中

tc为所述末端执行工具的中心相对于所述球体的中心的传递矩阵，并且传递矩阵tc是已知的、固定不变的。

根据本发明的一个实例性的实施例，所述三个距离传感器包括第一距离传感器、第二距离传感器和第三距离传感器；并且当所述球体的中心被精确地移动到所述目标点时，所述第一距离传感器、第二距 离传感器和第三距离传感器到所述球体的表面的距离分别等于第一预定距离、第二预定距离和第三预定距离。

根据本发明的另一个实例性的实施例，在所述步骤s400中，根据所述第一距离传感器检测到的第一实际距离与所述第一预定距离之间的第一距离误差、所述第二距离传感器检测到的第二实际距离与所述第二预定距离之间的第二距离误差、以及所述第三距离传感器检测到的第三实际距离与所述第三预定距离之间的第三距离误差，对机器人进行闭环反馈控制，直至所述第一距离误差、第二距离误差和第三距离误差都等于零。

根据本发明的另一个实例性的实施例，在所述步骤s400中，根据所述三个距离传感器检测到的三个实际距离计算出所述球体的中心在传感器坐标系中的实际位置，并根据所述球体的中心在传感器坐标系中的实际位置与所述目标点在所述传感器坐标系中的目标位置之间的位置误差，对机器人进行闭环反馈控制，直至所述位置误差等于零。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一距离传感器的轴线、所述第二距离传感器的轴线和所述第三距离传感器的轴线相交于同一点。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一距离传感器的轴线、所述第二距离传感器的轴线和所述第三距离传感器的轴线的交点作为所述目标点。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一距离传感器的轴线、所述第二距离传感器的轴线和所述第三距离传感器的轴线相互正交。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一距离传感器的轴线、所述第二距离传感器的轴线和所述第三距离传感器的轴线分别限定了传感器坐标系的三个轴线方向，并且所述传感器坐标系的原点与所述第一距离传感器的轴线、所述第二距离传感器的轴线和所述第三距离传感器的轴线的交点重合。

根据本发明的另一个实例性的实施例，在所述步骤s400中，所述机器人以至少两种不同的姿态将所述球体的中心精确地移动到所述目标点。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述步骤s400包括：

s410：根据三个距离传感器检测到的三个实际距离控制机器人以第一姿态将所述球体的中心移动到所述目标点，并记录所述机器人在所述目标点处的第一位姿数据；

s420：根据三个距离传感器检测到的三个实际距离控制机器人以第二姿态将所述球体的中心移动到所述目标点，并记录所述机器人在所述目标点处的第二位姿数据；

s430：根据三个距离传感器检测到的三个实际距离控制机器人以第三姿态将所述球体的中心移动到所述目标点，并记录所述机器人在所述目标点处的第三位姿数据；

s440：根据三个距离传感器检测到的三个实际距离控制机器人以第四姿态将所述球体的中心移动到所述目标点，并记录所述机器人在所述目标点处的第四位姿数据；和

s450：根据获得的所述机器人的第一位姿数据、第二位姿数据、第三位姿数据和第四位姿数据计算出所述球体的中心相对于所述法兰盘的中心的传递矩阵ts。

根据本发明的另一个实例性的实施例，在前述步骤s420至s440中的每个步骤中，根据所述第一距离传感器检测到的第一实际距离与所述第一预定距离之间的第一距离误差、所述第二距离传感器检测到的第二实际距离与所述第二预定距离之间的第二距离误差、以及所述第三距离传感器检测到的第三实际距离与所述第三预定距离之间的第三距离误差，对机器人进行闭环反馈控制，直至所述第一距离误差、第二距离误差和第三距离误差都等于零。

根据本发明的另一个实例性的实施例，在所述步骤s420至s440中的每个步骤中，根据所述三个距离传感器检测到的三个实际距离计算出所述球体的中心在传感器坐标系中的实际位置，并根据所述球体 的中心在所述传感器坐标系中的实际位置与所述目标点在所述传感器坐标系中的目标位置之间的位置误差，对机器人进行闭环反馈控制，直至所述位置误差等于零。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述机器人为多轴机器人。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述三个距离传感器为非接触式距离传感器。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述三个距离传感器为激光式距离传感器或超声波式距离传感器。

在本发明的前述各个实施例中，可以根据三个距离传感器检测到的、与球体的表面之间的三个实际距离来控制机器人将球体的中心精确地移动到已知的目标点，因此，无需根据图像来识别球体的中心，提高了机器人系统的标定效率。

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

附图说明

图1显示根据本发明的一个实例性的实施例的机器人系统的原理图；

图2显示三个距离传感器的坐标系；

图3显示利用三个距离传感器检测三个距离传感器与球体的表面之间的三个实际距离；

图4显示当球体的中心被精确地移动到目标点时，三个距离传感器与球体的表面之间的预定距离；和

图5显示控制机器人分别以四种不同的姿态将球体的中心精确地移动到目标点。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部 件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

根据本发明的一个总体技术构思，提供一种机器人系统的自动标定方法，包括如下步骤：提供一个球棒部件，所述球棒部件具有一个连接杆和附接在所述连接杆的一端上的球体；将所述球棒部件的连接杆的另一端固定至安装在机器人的法兰盘上的末端执行工具上；在一个已知的目标点的周围设置三个距离传感器，用于分别检测至所述球体的表面的实际距离；根据三个距离传感器检测到的三个实际距离控制所述机器人分别以多种不同的姿态将所述球体的中心精确地移动到所述目标点，并根据所述机器人在所述目标点的位姿数据计算出所述球体的中心相对于所述法兰盘的中心的传递矩阵ts；和根据下面的公式(1)计算所述末端执行工具的中心相对于所述机器人的法兰盘的中心的传递矩阵tt，tt＝ts*tc(1)，其中tc为所述末端执行工具的中心相对于所述球体的中心的传递矩阵，并且传递矩阵tc是已知的、固定不变的。

图1显示根据本发明的一个实例性的实施例的机器人系统的原理图。

图1显示了一个六轴机器人系统的示意图，但是，本发明不局限于图示的实施例，机器人系统也可以是其它类型的多自由度机器人系统，例如，四轴机器人系统或五轴机器人系统。

请参见图1，图示的机器人系统主要包括三个距离传感器11、12、13、六轴机器人20、安装在机器人20的法兰盘21上的末端执行工具(或称为末端执行器)30和固定至末端执行工具30上的一个球棒部件41、42。

在图示的实施例中，该球棒部件41、42具有一个连接杆41和附接在连接杆41的一端上的球体42。球棒部件41、42的连接杆41的另一端固定至安装在机器人20的法兰盘21上的末端执行工具30上。

在图示的实施例中，球棒部件41、42的连接杆41和球体42的几何参数是已知的、固定不变的。因此，当球棒部件41、42固定至 末端执行工具30上之后，可以预先获得末端执行工具30的中心tool相对于球体42的中心的传递矩阵tc。由于球棒部件41、42的连接杆41和球体42的几何参数是已知的、固定不变的，因此传递矩阵tc是已知的、固定不变的。

图2显示三个距离传感器11、12、13的坐标系(此坐标系也称作传感器坐标系)。图3显示利用三个距离传感器11、12、13检测三个距离传感器11、12、13与球体42的表面之间的三个实际距离l1’、l2’、l3’。

在图示的实施例中，在一个已知的目标点(例如，图2中所示的点os)的周围设置三个距离传感器11、12、13，用于分别检测至与球体42的表面的实际距离l1’、l2’、l3’(参见图3)。

为了便于说明，如图1至图3所示，三个距离传感器11、12、13分别被称为第一距离传感器11、第二距离传感器12和第三距离传感器13。如图3所示，在实际应用中，当球体42朝向目标点os移动时，第一距离传感器11可以实时地检测出第一距离传感器11至球体42的表面的第一实际距离l1’，第二距离传感器12可以实时地检测出第二距离传感器12至球体42的表面的第二实际距离l2’，第三距离传感器13可以实时地检测出第三距离传感器13至球体42的表面的第三实际距离l3’。在图示的实施例中，第一实际距离l1’是指沿第一距离传感器11的轴线方向从第一距离传感器11至球体42的表面的距离，第二实际距离l2’是指沿第二距离传感器12的轴线方向从第二距离传感器12至球体42的表面的距离，第三实际距离l3’是指沿第三距离传感器13的轴线方向从第三距离传感器13至球体42的表面的距离。

尽管未图示，本发明的机器人系统还包括控制器，用于根据预先编制的程序对机器人进行控制。

图4显示当球体42的中心c被精确地移动到目标点os时，三个距离传感器11、12、13与球体42的表面之间的预定距离l1、l2、l3；和图5显示控制机器人分别以四种不同的姿态pose#1、pose#2、 pose#3、pose#4将球体42的中心c精确地移动到目标点os。

下面将根据附图1-5来详细地说明根据本发明的一个实施例的机器人系统的自动标定方法，该方法主要包括以下步骤：

s100：如图1所示，提供一个球棒部件41、42，球棒部件41、42具有一个连接杆41和附接在连接杆41的一端上的球体42；

s200：如图1所示，将球棒部件41、42的连接杆41的另一端固定至安装在机器人20的法兰盘21上的末端执行工具30上；

s300：如图2和图3所示，在一个已知的目标点的周围设置三个距离传感器11、12、13，用于分别检测至球体42的表面的实际距离l1’、l2’、l3’：

s400：如图3、图4和图5所示，根据三个距离传感器11、12、13检测到的三个实际距离l1’、l2’、l3’控制机器人20分别以多种不同的姿态pose#1、pose#2、pose#3、pose#4将球体42的中心c精确地移动到目标点，并根据机器人在目标点的位姿数据计算出球体42的中心c相对于法兰盘21的中心tool0的传递矩阵ts；和

s500：根据下面的公式(1)计算末端执行工具30的中心tool相对于机器人20的法兰盘21的中心tool0的传递矩阵tt，

tt＝ts*tc(1)。

如图1至图5所示，第一距离传感器11、第二距离传感器12和第三距离传感器13的位置是已知的并且是固定不变的。因此，当球体42的中心c被精确地移动到已知的目标点os时，第一距离传感器11、第二距离传感器12和第三距离传感器13到球体42的表面的距离也是已知的和固定不变的。为了便于说明，如图4所示，当球体42的中心c被精确地移动到已知的目标点os时，第一距离传感器11、第二距离传感器12和第三距离传感器13到球体42的表面的距离被分别设定为第一预定距离l1、第二预定距离l2和第三预定距离l3。即，沿第一距离传感器11的轴线方向从第一距离传感器11至球体42的表面的第一预定距离l1，沿第二距离传感器12的轴线方向从第二距离传感器12至球体42的表面的第二预定距离l2，沿第三 距离传感器13的轴线方向从第三距离传感器13至球体42的表面的第三预定距离l3是已知的和固定不变的。

请注意，前述第一预定距离l1、第二预定距离l2和第三预定距离l3可以彼此相等也可以彼此不相等。在本发明的一个实例性的实施例中，在前述步骤s400中，根据第一距离传感器11检测到的第一实际距离l1’与第一预定距离l1之间的第一距离误差、第二距离传感器12检测到的第二实际距离l2’与第二预定距离l2之间的第二距离误差、以及第三距离传感器13检测到的第三实际距离l3’与第三预定距离l3之间的第三距离误差，对机器人20进行闭环反馈控制，直至第一距离误差、第二距离误差和第三距离误差都等于零，即，直至球体42的中心c被精确地移动到目标点os。

在本发明的另一个实例性的实施例中，在前述步骤s400中，根据三个距离传感器11、12、13检测到的三个实际距离l1’、l2’、l3’计算出球体42的中心c在传感器坐标系xs、ys、zs中的实际位置，并根据球体42的中心c在传感器坐标系xs、ys、zs中的实际位置与目标点在传感器坐标系xs、ys、zs中的目标位置之间的位置误差，对机器人20进行闭环反馈控制，直至位置误差等于零，即，直至球体42的中心c被精确地移动到目标点os。

请注意，在做标定的过程中，不一定要计算出球体42的中心c在传感器坐标系xs、ys、zs中的实际位置。例如，如前所述，可以通过控制机器人使第一距离传感器11检测到的第一实际距离l1’与第一预定距离l1一致、第二距离传感器12检测到的第二实际距离l2’与第二预定距离l2一致、以及第三距离传感器13检测到的第三实际距离l3’与第三预定距离l3一致。这样，就可确定球体42的中心c被精确地移动到了目标点os。

在本发明的一个实例性的实施例中，为了便于计算，第一距离传感器11的轴线、第二距离传感器12的轴线和第三距离传感器13的轴线相交于同一点os。但是，本发明不局限于此，第一距离传感器11的轴线、第二距离传感器12的轴线和第三距离传感器13的轴线 也可以不相交于同一点。

在本发明的一个实例性的实施例中，为了便于计算，第一距离传感器11的轴线、第二距离传感器12的轴线和第三距离传感器13的轴线的交点os作为目标点。但是，本发明不局限于此，目标点可以与前述交点os不重合。

在本发明的一个实例性的实施例中，为了便于计算，第一距离传感器11的轴线、第二距离传感器12的轴线和第三距离传感器13的轴线相互正交。但是，本发明不局限于此，第一距离传感器11的轴线、第二距离传感器12的轴线和第三距离传感器13的轴线也可以不相互垂直。

在本发明的一个实例性的实施例中，为了便于计算，第一距离传感器11的轴线、第二距离传感器12的轴线和第三距离传感器13的轴线分别限定了传感器坐标系xs、ys、zs的三个轴线方向，并且传感器坐标系xs、ys、zs的原点与第一距离传感器11的轴线、第二距离传感器12的轴线和第三距离传感器13的轴线的交点os重合。

在本发明的一个实例性的实施例中，如图1-5所示，前述步骤s400包括：

s410：根据三个距离传感器11、12、13检测到的三个实际距离l1’、l2’、l3’控制机器人20以第一姿态pose#1将球体42的中心c移动到目标点，并记录机器人20在目标点处的第一位姿数据；

s420：根据三个距离传感器11、12、13检测到的三个实际距离l1’、l2’、l3’控制机器人20以第二姿态pose#2将球体42的中心c移动到目标点，并记录机器人在目标点处的第二位姿数据；

s430：根据三个距离传感器11、12、13检测到的三个实际距离l1’、l2’、l3’控制机器人20以第三姿态pose#3将球体42的中心c移动到目标点，并记录机器人在目标点处的第三位姿数据；

s440：根据三个距离传感器11、12、13检测到的三个实际距离l1’、l2’、l3’控制机器人20以第四姿态pose#4将球体42的中心c移动到目标点，并记录机器人在目标点处的第四位姿数据；和

s450：根据获得的机器人的第一位姿数据、第二位姿数据、第三位姿数据和第四位姿数据计算出球体42的中心c相对于法兰盘21的中心tool0的传递矩阵ts。

在本发明的一个实例性的实施例中，在前述步骤s420至s440中的每个步骤中，根据第一距离传感器11检测到的第一实际距离l1’与第一预定距离l1之间的第一距离误差、第二距离传感器12检测到的第二实际距离l2’与第二预定距离l2之间的第二距离误差、以及第三距离传感器13检测到的第三实际距离l3’与第三预定距离l3之间的第三距离误差，对机器人20进行闭环反馈控制，直至第一距离误差、第二距离误差和第三距离误差都等于零，即，直至球体42的中心c被精确地移动到目标点os。

在本发明的另一个实例性的实施例中，在步骤s420至s440中的每个步骤中，根据三个距离传感器11、12、13检测到的三个实际距离l1’、l2’、l3’计算出球体42的中心c在传感器坐标系xs、ys、zs中的实际位置，并根据球体42的中心c在传感器坐标系xs、ys、zs中的实际位置与目标点在传感器坐标系xs、ys、zs中的目标位置之间的位置误差，对机器人20进行闭环反馈控制，直至位置误差等于零，即，直至球体42的中心c被精确地移动到目标点os。

在图示的前述实施例中，根据三个距离传感器11、12、13检测到的三个实际距离l1’、l2’、l3’控制机器人20以四种不同的姿态pose#1、pose#2、pose#3、pose#4将球体42的中心c精确地移动到同一目标点os。但是，本发明不局限于图示的实施例，机器人20也可以以两种、三种、五种或更多种不同的姿态将球体42的中心c精确地移动到同一目标点。

在本发明的一个实例性的实施例中，三个距离传感器11、12、13可以为但不限于非接触式距离传感器。

在本发明的一个实例性的实施例中，三个距离传感器11、12、13可以为激光式距离传感器或超声波式距离传感器。

在本发明的前述各个实施例中，在机器人20的法兰盘21上安装 一个球棒部件41、42，并且在目标点的周围设置三个距离传感器11、12、13。这样，可以根据三个距离传感器11、12、13检测到的、与球体42的表面之间的三个实际距离l1’、l2’、l3’来控制机器人20将球体42的中心c精确地移动到已知的目标点，因此，无需根据图像来识别球体42的中心，提高了机器人系统的标定效率。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。

虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

应注意，措词“包括”不排除其它元件或步骤，措词“一”或“一个”不排除多个。另外，权利要求的任何元件标号不应理解为限制本发明的范围。