专利名称：一种计算工件绝对坐标的方法
技术领域：
本发明涉及机器人自动化控制技术和在线测量技术，是一种基于对工件特征点提取，计 算工件绝对坐标的方法。
背景技术：
在机器人自动化加工、搬运、装配等领域，为提高机器人系统作业的柔性和智能程度， 在机器人对工件进行作业前，首先利用测量设备对工件特征点进行提取、测量，再利用苧间 坐标变换算法将特征点变换到机器人世界坐标系内，从而得到工件相对于机器人世界坐标系 的位置，即工件坐标系。计算T件坐标系下，与工件相关的加工、搬运、装配等过程均以工 件坐标系为参考坐标系建立机器人运动路径，从而可以实现在自动化生产过程中，对新来的 工件进行测量、计算、得到该工件的坐标系后，更新原来的工件坐标系，即可更新机器人针 对工件加工、或搬运、或装配等的工作路径，而更新后的机器人工作路径是完全符合当前工 件位姿的。 一
目前已经有多种激光测量定位工件的方法，但总体上存在如下的问题 一是由于大部分 的激光测量设备自身的坐标系并非和硬件安装法兰重合，而是在测量设备内部的某个位置(如
CCD中心等)，无法通过物理的方法直接进行标定，因此需要编写复杂的标定算法和软件，辅 之以标定工具，才能完成测量设备的标定工作，而且该标定过程需要远程电脑进行数据运算 和通讯，增加了系统复杂度；二是对物体的测量过程是通过单线激光扫描物体的特征部位， 采集大量的点数据，再对数据依次进行去噪、稀释、算法处理、匹配等，最终得到物体相对 于标准位置的偏差，进行偏差补偿，这过程复杂，稳定性差，对算法和软件的要求高，并且 扫描过程占用很长时间，极大地影响了节奏和系统效益。
发明内容
本发明旨在解决机器人生产过程中由于工件位置不确定性带来的难题，以降低工装设计 难度，提高制造精度，同时也提高机器人自动化流水线的智能化、柔性化程度。本发明解决问题的方案是利用工业测量设备对工件的特征点进行提取、计算，通过空 间坐标变换算法将工件的特征点坐标从测量设备坐标系下变换到机器人世界坐标系下，通过 提取三个不同的特征点，创建工件坐标系。该方法过程包括以下步骤
(1) 测量设备被固定在机器人执行器末端，测量设备的位置相对于机器人执行器末端的 位置不变；
(2) 在机器人运动过程中，被测量工件的位置相对于机器人世界坐标系不变
(3) 测量设备的坐标系原点在其自身的安装法兰中心点，通过机器人自带的空间点标定 功能标定出测量设备的坐标系原点，通过测量设备自带的软件，计算出测量设备坐标系的姿 态；
(4) 测量设备测量工件不同部位，提取出工件在测量设备坐标系下的三个特征点数据；
(5) 根据空间坐标变换算法，将工件的三个特征点从测量设备坐标系下变换到机器人的 世界坐标系下，得到在机器人世界坐标系下的工件三个特征点；
(6) 根据三个特征点建立工件的绝对坐标系，选择第一个特征点作为工件坐标系原点， 第一个特征点指向第二个特祉点的为工付坐标系的X轴方向，三个特征点确定的平面作为工 件坐标系的XOY平面，从而确定最终的工件坐标系。 -
本发明中，利用初始化工件的绝对坐标系对工件测量完成后，机器人对工件进行加工、 搬运、装配等过程中，机器人的程序均建立在工件坐标系上。
本发明计算工件绝对坐标的力法屮,.转换公式为P, X Pfeatoe=Pwid ，其中Pcam为测罩 设备相对于机器人执行器末端的空间位置和姿态关系，Pwld为机器人世界坐标系下的特征点； Pcam为RPY格式，首先将Pc咖转换为Quaternion格式，再转换为44矩阵；Pfeature为空间点 坐标，将Pfeatoe转换为Vector向量格式，由矩阵和向量相乘即可得出PwW ， PwW为空间坐标 点。
参数设定根据实际工况选择机器人的速度以及和周围设备的配合逻辑等，以使得系统 达到最稳定的运行状态。
系统自动运行在完成标定，施教，设定等工作后，系统具备自动运行的条件，可投入 生产。 . .
本发明的优点在于-
第一，将工件的特征提取这一关键而复杂的工作从测量过程剥离出去，集成到测量设备 内部，通过测量设备自带的人机交互软件对测量设备特征提取算法进行选择以及参数设定；第二，可根据工件各个特征的不同选择不同的特征提取算法，兼容性强大； 第三，相比其他以扫描方式获取工件特征部位的点云数据，根据点云数据对工件进行定 位的方法，本发明设计的过程简单，稳定，速度快，且不需要对点云进行处理的计算机软件；
第四，虽然最终计算得出的是相对于机器人世界坐标系的绝对工件坐标系，但在测量每 个工件的过程中，机器人总是保持相同的姿态和路径，从而屏蔽了机器人和测量设备的绝对 误差，从根本上提高工件的测量精度。
图l、图2、图3为测量设备对工件特征点的提取算法图，通过图中三种特征点提取算法 可以处理常见的工件特征。图1表示测量设备自动从工件表面的断层或者断面处提取断点； 图2表示测量设备从工件的T艺孔上提取四个边缘点(也属于断点)，通过拟合可自动返回工 艺孔圆心坐标；图3表示测量设备根据连接工件圆弧面两侧区域的切线计算切线交点。
图4、图5为坐标系之间的关系描述图，机器人坐标系为世界坐标系"0， y0, z0),机器人 末端法兰坐标系为标准的工具坐标系(xl, yl, zl)，代表机器人实时的空间位置，测量设备坐 标系(x2, y2， z2)为测量设备自身安装法兰在机器人末端法兰上的空间位置，相对于机器人末 端法兰位置恒定不变，工件坐标系(x3, y3， z3)表示工件相对于世界坐标系的空间位置，根据 工件的摆放位置而变化，工件的加工路径(xa-n)， y(1-n), z(l-n))表示机器人对工件进行处 理时的一系列的空间点，这些点建立在工件坐标系上，相对于工件坐标系，其位置关系不变。
图6为坐标系的创建示意图，测量设备首先测量得出丁件上的三个特征点，并将他们转 换到机器人世界坐标系下，再将三个点按指定的顺序创建一个坐标系，即工件坐标系。
具体实施例方式
实施例按照以下歩骤操作
利用机器人自带的标定方法标定测量设备的坐标系位置，通常选用6点法进行标定。其 方法是
A) 在机器人旁侧固定安装一个锥形针，在机器人控制器内选择6点法标定方法后，分别 施教4个姿态各异的点，每个点都确保测量设备的安装法兰中心(测量设备坐标系原点)和锥 形针尖精确对接，从而可计算出测量设备法兰中心的位置；
B) 标定出测量设备坐标原点后，选定任意可达的位置，放置一平板，将测量设备的激光 线打在平板上(平板最好是大于200X200，平板平面度不大于O.lmm),分别标记两条激光线在平板上的端点位置，并记录当前机器人末端法兰的位置；
C) 在机器人上装一个锥形针，保持机器人的姿态不变，选择机器人直线运动模式，依次 施教针尖对准平板上的激光线端点并记录机器人末端法兰相应的位置；
D) 根据步骤C得到的机器人的4个位置数据，分别计算出空间两条直线的方向，正交化 处理后，将方向的数据赋予测量设备坐标系方向，测量设备标定完成，根据测暈设备的位置 数据建立工具坐标系并设定成为机器人当前的工具坐标系。
根据工件表面特征的实际情况，选择和设置特征提取算法，如附图l、图2、图3中的三 种特征点提取算法可满足多种特征要求，对工件表面共有的边缘、圆孔、断面等均可提取特 征点。分别在工件的不问部位提取特征点，当得到工件的3个特征点后，根据图6所示方法 建立工件的绝对坐标系，以该工件坐标系作为当前的工件坐标系，施教需要施加于工件的标 准程序，也就是说自此施教的所有点都是以该工件坐标系为参考坐标系。
施教完成后进行整体参数的设定、逻辑安全的检査等，设备具备自动运行条件，过程完毕。
下面结合附图对实施例做进一 步说明
如图1所示，直接提取工件边缘或者平面的断点，每条激光线均可独立提取工件表面的 断点，根据配套软件提前设定的边界条件，测量设备控制器自动返回满足条件的断点。
如图2所示，通过工件上圆孔或者圆形凸台边缘断点的检测，拟合计算圆心或者凸台屮 心点。
如图4所示，坐标系C2 (x2， y2, z2)为测量设备自身的坐标系，测量工件时，工件特征点 的坐标值相对于C2坐标系；Tr (Tx, Ty， Tz)为测量设备相对于机器人世界坐标系的坐标，根据 、测量特征点时机器人的位置读取；C0(x0， y0, z0)为f几器人世界坐标系，C0是其它所有坐标系 的参考坐标系。
如图5所示，C一 (x3,y3，z3)为工件坐标系，其参考坐标系为CO; Cp (XI-n， Yl-n, Zl-n)
'为机器人对工件进行加工、搬运、装配等工作路径点，其参考坐标系为C3。
坐标变换流程 已知
CTOb"工具坐标系
C2:测量设备坐标系
Tr:测量设备在世界坐标系的坐标(TCP)CO:机器人世界坐标系
Tl—1:特征点1在测量设备坐标系下的位置 Tl一2:特征点2在测量设备坐标系下的位置 Tl一3:特征点3在测量设备坐标系下的位置 计算-
T0J(工件特征点1在机器人世界坐标系下的位置^T"T1一1 T0一2(工件特征点2在机器人世界坐标系下的位置)-T"T1—2 T0一3(工件特征点3在机器人世界坐标系下的位置)=Tr*Tl—3 C 。hJ =CREATFRAME(T0_1,T0—2,T0—3)
如图6所示，坐标系的创建从物体表面提取出三个特征点，'并将三个特征点的坐标从 相对于测量设备坐标系变换到相对于机器人世界坐标系的坐标，以第一个特征点为坐标系原 点，第一个特征点指向第二个特征点的方向为坐标系'X'轴正方向，以三个特征点所在平面为
坐标系'XOY'平面，从而可以建立完整的坐标系。 本发明实施例记录的数据及数据关系见表1。
表1实施例数据及数据关系表
序 号 1特征点在测量设备 坐标系下的坐标测量特征点时测量设备 在机器人世界坐标下的位置特征点变换到机器 坐标下的坐4f人世界 示
0.40.06607.8871844.38648926.0951844.141471.457-581.782
0.744 '-0.111-90.45322.4471.64608.2871844. 02467.78826.1521840.957450.843-582.1卩2
0.744-0.111-90.45330.280.78608.1371844.302479.25926.1221844.056461.725-581.755
0.744-0.111-90.453权利要求
1.一种计算工件绝对坐标的方法，利用工业测量设备对工件的特征点进行提取、计算，其特征在于通过空间坐标变换算法将工件的特征点坐标从测量设备坐标系下变换到机器人世界坐标系下，通过提取三个不同的特征点，创建工件坐标系，该方法过程包括下列步骤(1)测量设备被固定在机器人执行器末端，测量设备相对于机器人执行器末端的位姿不变；(2)在机器人运动过程中，被测量工件的位姿相对于机器人世界坐标系不变；(3)测量设备的坐标系和测量设备自身的安装法兰中心点重合，通过机器人自带的空间点标定功能标定出测量设备坐标系相对于机器人末端的位置，通过测量设备自带的软件，计算出测量设备坐标系相对于机器人末端的姿态；(4)测量设备测量工件不同部位，提取出工件在测量设备坐标系下的三个特征点数据，同时记录测量工件每个位置时机器人的位姿数；(5)根据空间坐标变换算法，将工件的三个特征点从测量设备坐标系下变换到机器人的世界坐标系下，得到在机器人世界坐标系下的工件三个特征点；(6)根据三个特征点建立工件的绝对坐标系，选择第一个特征点作为工件坐标系原点，第一个特征点指向第二个特征点的为工件坐标系的X轴方向，三个特征点确定的平面作为工件坐标系的XOY平面，从而计算出工件坐标系。
全文摘要
一种计算工件绝对坐标的方法，利用工业测量设备对工件的特征点进行提取、计算，通过空间坐标变换算法将工件的特征点坐标从测量设备坐标系下变换到机器人世界坐标系下，通过提取三个不同的特征点，创建工件坐标系。本发明解决了机器人生产过程中由于工件位置不确定性带来的难题，能较有效地降低工装设计难度，提高制造精度。
文档编号G01B11/00GK101666619SQ20091004442
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月27日 优先权日2009年9月27日
发明者刘华根, 张继伟, 胡从斌 申请人:长沙长泰输送包装设备有限公司