一种双臂协作机器人系统的基坐标系标定方法及系统与流程

本发明属于机器人标定技术领域，更具体地，涉及一种双臂协作机器人系统的基坐标系标定方法及系统。

背景技术：

在服务机器人行业与自动化生产中存在许多复杂的装配任务或者大型零件的搬运等，双臂协作机器人系统则为其提供了便捷、有效的解决途径。双臂协作机器人目前已经成为机器人领域的研究热点，特别是在服务机器人的开发设计以及柔性化制造系统的实现过程中发挥着越来越重要的作用。在双臂协作机器人系统中，每一个机械臂在执行协作任务的时候需要知道另一个机械臂的位置，也就是确定另一个机械臂的基坐标系与自己基坐标系的相对位姿，这就是所谓的双臂协作机器人系统的基坐标系标定问题。

目前，解决双臂协作机器人的基坐标系标定问题依然缺少简单有效的方法，已有的多机械臂基坐标系的标定方法，一般均需要借助附加传感器与精密测量仪器，或者需要在机械臂末端安装额外的标定装置(如标定枪)，标定的步骤比较繁琐，且会由于误差的叠加影响标定的精度。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双臂协作机器人系统的基坐标系标定方法及系统，其通过在机器人双臂之间构造击掌动作并记录双机械臂末端的位置信息，依据标定方程计算对应基坐标系间的变换矩阵，本发明除标定环外不需要任何额外的传感装置或测量设备，操作步骤简单、标定精度高，可解决常见双臂机器人基坐标系的标定问题，适用于各类双臂协作的实验环境。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种双臂协作机器人系统的基坐标系标定方法，其通过在协作机器人的双臂间构造三组以上击掌动作以获取标定方程所需的位置信息，再利用标定方程求解具有协作关系的两机械臂基坐标系间的位姿变换矩阵，以此完成双臂协作机器人系统的基坐标系的标定。

作为进一步优选的，包括如下步骤：

(1)将双臂机器人的两条机械臂的末端移动到两机械臂工作空间重叠区域的某一位置点，并通过标定环构建击掌动作，使两机械臂的末端面完全贴合，以保证两机械臂末端坐标系的原点重合；

(2)保持击掌动作，将双臂机器人的两条机械臂的末端移动到工作空间重叠区域的m个不同位置点p1,p2,…,pm，m≥3，计算每一位置点在两个机械臂基坐标系下的坐标；

(3)将每一位置点在两个机械臂基坐标系下的坐标带入标定方程中得到双臂基坐标系间的位姿变换矩阵^rtl即为所求。

作为进一步优选的，所述标定方程为：

其中，(^rbxi,^rbyi,^rbzi)t为位置点pi在右机械臂基坐标系下的坐标，(^lbxi,^lbyi,^lbzi)为位置点pi在左机械臂基坐标系下的坐标，i＝1,2,…,m。

作为进一步优选的，位置点pi在右机械臂基坐标系下的坐标以及在左机械臂基坐标系下的坐标均通过机器人正向运动学求解。

作为进一步优选的，所述击掌动作具体为使两机械臂末端坐标系的原点为双臂机器人两机械臂工作空间重叠区域内的同一点。

作为进一步优选的，通过标定环实现双臂的位置约束。

按照本发明的另一方面，提供了一种双臂协作机器人系统的基坐标系标定系统，其特征在于，包括：

击掌动作执行模块，用于将双臂机器人的两条机械臂的末端移动到两机械臂工作空间重叠区域的某一位置点，并通过标定环构建击掌动作，使两机械臂的末端面完全贴合，以保证两机械臂末端坐标系的原点重合；

机器人移动模块，用于保持击掌动作并将双臂机器人的两条机械臂的末端移动到工作空间重叠区域的m个不同位置点p1,p2,…,pm，m≥3，计算每一位置点在两个机械臂基坐标系下的坐标；

位姿变换矩阵计算模块，用于将每一位置点在两个机械臂基坐标系下的坐标带入标定方程中得到双臂基坐标系间的位姿变换矩阵rtl。

作为进一步优选的，所述标定方程为：

其中，(^rbxi,^rbyi,^rbzi)t为位置点pi在右机械臂基坐标系下的坐标，(^lbxi,^lbyi,^lbzi)为位置点pi在左机械臂基坐标系下的坐标，i＝1,2,…,m。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过在机器人双臂之间构造特定的击掌动作，并利用标定环进行约束，可以直接拖动双机械臂到协作空间中的不同位置进行数据采集，最少仅需采集三组位置数据即可获得双臂基坐标系间的标定矩阵，灵活简单，操作方便。

2.本发明避免了为双臂协作机器人系统增加新的传感或测量装置，降低了协作系统的实现成本，本发明不需要在机械臂的末端安装多余的标定装置，避免了对于末端定位的测量误差的叠加。

3.本发明充分利用了机器人控制器现有的关节参数与变换矩阵，构造特定的协作动作和标定方程来完成机器人基坐标系的标定，最大程度的降低了双臂协作机器人系统的硬件要求与测量误差，节约了双臂协作机器人系统的实现成本。

4.本发明仅需要在协作机器人之间构造m(≥3)组击掌动作、调用一次标定方程求解位置增广矩阵的伪逆即可完成，步骤简单，使用方便，同时标定环的使用能够极大地简化标定过程，提高标定精度，保证标定结果满足大多数双臂协作任务的精度要求，可应用到各类常见的机器人协作任务中。

附图说明

图1是机械臂的关节与连杆间的d-h参数示意图；

图2是机械臂开运动链中的坐标变换关系；

图3是由两个机械臂构成的双臂协作系统中的坐标系及其之间的相互变换关系图；

图4是通过标定环实现两机械臂完成击掌动作的示意图；

图5是标定环的结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为侧视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出了一种新的双臂协作机器人系统的基坐标系的标定方法，协作机器人基坐标系的标定是实现协作控制的基础，本发明的提出解决了这一协作控制的基本问题、关键问题，为进行高精度作业要求的机器人任务提供了技术支持。本发明的基本思想是利用协作机器人的双机械臂构成特定的击掌动作时满足机械臂末端坐标系的原点对应世界坐标系中的同一点的约束关系，构造出特定形式的标定方程求解出双臂协作机器人基坐标系间的位姿变换关系，采用本发明所提出的方法除发明中介绍的标定环之外，不需要为机器人控制器增加任何的传感或者测量装置，并且标定的结果能够满足绝大多数机器人操作任务的精度要求。

本发明实施例提供的一种双臂协作机器人系统的基坐标系标定方法，其首先通过在协作机器人的双臂间构造三组以上击掌动作以获取标定方程所需的位置信息，其中击掌动作要求两机械臂末端坐标系的原点为机器人双臂工作空间重叠区域内的同一点，然后利用标定方程求解具有协作关系的两机械臂基坐标系间的位姿变换矩阵，以此完成双臂协作机器人系统的基坐标系的标定。

该方法具体包括如下步骤为：

(1)将双臂机器人的两条机械臂(分别记为a1与a2)的末端移动到两机械臂工作空间重叠区域的某一个位置点p1，并通过标定环构建特定的击掌动作(图4)，使两机械臂的末端面完全贴合，其目的在于保证两机械臂末端坐标系的原点重合，对应世界坐标系中的同一点，原点即为位置点p1，如此便摆脱了使用附加标定工具(如标定枪)所造成的末端定位与测量误差；记录这个位置上两条机械臂对应的各个关节角的数据，并通过机器人正向运动学求解出对应机械臂末端坐标系原点在其基坐标系的坐标(^bx1,^by1,^bz1)^t，也即通过机器人正向运动学求解出位置点p1在对应机械臂基坐标系中的坐标；

利用机器人正向运动学求解机械臂末端坐标系原点在基坐标系的坐标具体为：如图1-2所示，设机械臂含有n个关节，每一个关节与连杆所对应的d-h参数如表1所示：

表1机械臂的d-h参数

其中，ai,αi,di,θi分别为与关节i和连杆i相关联的参数，ai为连杆长度、αi为连杆弯曲度、di为连杆偏移量，θi为关节角度，如图1所示。

记第i个关节对应的坐标系与第i+1个关节对应的坐标系间的变换关系为ⁱ⁺¹ti(θi)，其可以表示为四个基本变化的乘积形式，即：

其中，

故有：

其中，ⁱ⁺¹ti为第i个关节对应的坐标系原点在第i+1个关节对应坐标系中的坐标；ⁱ⁺¹ri为第i个关节对应的坐标系与第i+1个关节对应坐标系的旋转矩阵；

于是根据机器人正向运动学，采用递归方式进行运算，可得末端坐标系相对于基坐标系的变换矩阵为(如图2)：

其中，获得的ⁿt1为3×1的矩阵，其即为机械臂末端坐标系原点(也即位置点p1)在其基坐标系下的坐标，表达为ⁿt1＝(^bx1,^by1,^bz1)^t，ⁿr1为机械臂末端坐标系相对于基坐标系的旋转矩阵；

通过上述方法可分别获得右机械臂末端坐标系原点(也即位置点p1)在其基坐标系下的坐标以及左机械臂末端坐标系原点(也即位置点p1)在其基坐标系下的坐标；

(2)记点p1在世界坐标系下的坐标为p1w(^wx1,^wy1,^wz1)^t，在右机械臂基坐标系下的坐标为p1r(^rbx1,^rby1,^rbz1)^t(由步骤(1)获得)，在左机械臂基坐标系下的坐标为p1l(^lbx1,^lby1,^lbz1)^t(由步骤(1)获得)，再假设世界坐标系与右机械臂基坐标系的变换关系为^wtr，与左机械臂基坐标系变换关系为^wtl，则有如下等式成立：

联立上述两式，可得：

^wtr[^rbx1,^rby1,^rbz1,1]'＝^wtl[^lbx1,^lby1,^lbz1,1]'(2)

进而：

[^rbx1,^rby1,^rbz1,1]'＝(wtr)-1wtl[^lbx1,^lby1,^lbz1,1]'(3)

记(^wtr)^-1wtl为^rtl，^rtl即为左机械臂基坐标系到右机械臂基坐标系间的变换关系，即：

[^rbx1,^rby1,^rbz1,1]'＝^rtl[^lbx1,^lby1,^lbz1,1]'(4)

(3)保持图4的击掌动作，将机器人双臂末端移动到工作空间重叠区域的不同位置点p1,p2,…,pm，m≥3，如图4，对于每一个位置点，按照步骤(1)中的方法计算出两个机械臂末端坐标系原点在对应基坐标系下的坐标，记其对应的坐标对为(p1r,p1l),(p2r,p2l),…,(pmr,pml)；

(4)对于步骤(3)中的第i组坐标对(pir,pil)，根据步骤(2)建立方程：[^rbxi,^rbyi,^rbzi,1]'＝^rtl[^lbxi,^lbyi,^lbzi,1]'，i＝1,2,…,m，将上述m个方程联立可得：

记等式左边的矩阵为pr,等式右边右侧的矩阵为pl，则上式可表示为：

pr＝^rtlpl(5)

于是左机械臂基坐标系到右机械臂基坐标系的位姿变换矩阵^rtl表示为：

其中，为位置增广矩阵pl的伪逆，该^rtl即为所求。

本发明中通过标定环来实现双臂的位置约束，而不需要在末端安装额外的标定装置(如标定枪等)，避免了测量误差的叠加，标定环的结构如图5所示，标定环的内径为d，其大小等于对应的机械臂末端法兰盘的直径；外径为d，为了保证强度，应满足d＝1.2d；高度为h，为保证连接稳固，h应为末端法兰盘高度的两倍。

以下为本发明的具体实施例，本实施例以ur5双臂协作机器人系统为例对本发明的标定方法进行说明，该机器人系统的简图如图3所示，目标是求解左机械臂基坐标系^blf到右机械臂基坐标系^brf的变换矩阵^brtbl。图3描述了由两个机械臂构成的双臂协作系统中的坐标系及其之间的相互变换关系，图中1和2分别表示机械臂r与机械臂l，^tlf为左机械臂末端坐标系，^blf为左机械臂基坐标系，^blttl为^tlf到^blf的变换关系，^trf为右机械臂末端坐标系，^brf为右机械臂基坐标系，^brttr为^trf到^brf的变换关系，^brtbl为^blf到^brf的变换关系，即为所求。图4显示了将两个机械臂的末端坐标系原点运动到协作空间中的同一位置点p，与标定环一起构成本发明中的击掌动作。图5是图4中安装在两个机械臂末端法兰的标定环示意图，标定环的作用是辅助两个协作机械臂完成击掌动作，其目的就是要保证双机械臂的末端面可以准确的贴合到一起，使得其末端坐标系的原点重合。

按照图4所示的击掌动作，将两个ur机械臂的末端通过标定环固定，使得两个末端面贴合，保证其末端坐标系的原点重合，记录下此时p1点对应的左机械臂的各个关节数据(θ1,θ2,…,θ6)，通过机器人正向运动学求解出当前p1点在左机械臂基坐标系^blf下的坐标(^lbx1,^lby1,^lbz1)；同理，计算出p1点在右机械臂基坐标系^brf下的坐标(^rbx1,^rby1,^rbz1)，事实上，也可以直接通过机器人控制柜或者示教器直接读出当前位置下相对于基座的坐标，但是为了提高标定的精度，减小系统误差，通过正向运动学求解更加合适；

重复的，按住ur机器人示教器的使能键，保持机器人双臂的击掌动作，将双臂末端移动到协作空间中的不同位置点(p1,p2,…,pm)，m≥3，如图4所示，对于每一个点pi，记录下其在左右机械臂基坐标系下对应的坐标(^lbxi,^lbyi,^lbzi)、(^rbxi,^rbyi,^rbzi)；

将上述各点的坐标带入式(7)，即可求得协作机器人双臂基坐标系的标定结果^rtl＝rplp^-1，以此实现本发明双臂协作机器人系统的基坐标系标定方法。

采用本发明的方法除了发明中所介绍的标定环外，可以在不增加任何传感器和测量设备的情况下，快速、准确的标定具有协作关系的双机械臂基坐标系间的相对位姿，为双臂协作机器人系统进行高精度操作任务提供了技术保障，本发明克服了传统的标定方法中需要借助附加传感器与精密测量仪器，并需在机械臂末端安装额外的标定装置(如标定枪)而造成的标定步骤繁琐，测量不方便，以及标定精度不高等问题，采用本发明提出的标定方法可以解决双臂机器人中的基坐标系标定问题，标定精度满足常见的双臂协作机器人任务的精度要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。