一种双机器人协作系统的基坐标标定方法
【专利摘要】本发明公开了一种双机器人协作系统的基坐标标定方法，首先根据协作系统中双机器人间的坐标变换关系建立双机器人基坐标系间的几何约束；然后采用安装在工具手末端的标定指进行双机器人的多次握手动作实验，获取双机器人在各自基坐标系下的握手采样点坐标；再根据握手采样点和机器人基坐标约束，建i■标定t吴型；最后采用奇异值分解算法进行求解以得到双机器人基坐标之间的旋转矩阵和平移矢量，以完成双机器人协作系统的标定。本发明的标定方法无需依赖其它外部专用测量设备，简单易行，且采用数值解方法，标定精度局，并具有良好的误差容错能力，从而有利于提高双机器人协作系统的加工水平和生产质量。
【专利说明】一种双机器人协作系统的基坐标标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及诸如焊接、切割、喷涂、搬运等工业机器人先进制造产业【技术领域】，特 别是涉及一种双机器人协作系统的基坐标标定方法。
【背景技术】
[0002] 作为自动化装备，工业机器人不受工作环境的影响，工作稳定可靠，又由于其具有 可编程性，极大地提高了工作效率，降低了生产成本。目前，在处理诸如无夹具系统焊接等 任务中，单体机器人所表现出来的能力越显不足，因而双机器人乃至多机器人系统正逐渐 被应用到各个领域中。多个机器人通过协调协作，可以完成单机器人难以完成的复杂作业， 提高生产效率，解决更多的实际应用问题。
[0003] 传统的双机器人协作系统大多是将机器人安装在事先已经规划好的安装位置。其 安装方法不够灵活，一旦机器人发生移动，原有的标定结果将不再适用，需要重新采用精密 仪器标定新的安装位置，费时费力，耽误生产进度。而精密仪器的价格昂贵，测量速度较慢， 也越来越不适应于现在高效率的生产工作。
[0004] 目前，国际国内双机器人标定问题的研究工作并不多，大多是通过精密仪器测量， 然后采用一定的方法改进测量结果，其具有一些难以克服的困难：（1)灵活性差，测量工作 费时费力，延缓生产进度；（2)步骤复杂，操作性差，需要相关专业人士才能胜任；（3)测量 仪器精密性要求高，一般较为昂贵，加大了成本开销。
【发明内容】
[0005] 技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种双机器人协作系统的基坐标 标定方法，该方法能针对双机器人的实际情况标定其坐标系间的变换关系，具有极1?的灵 活性及精度，简单可行，不需要借助其他的精密仪器，具有良好的适应性和较为广阔的应用 面，有效地提高了机器人生产中的工作效率。
[0006] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0007] -种双机器人协作系统的基坐标标定方法，该标定方法包括以下步骤：
[0008] 第一步：根据协作系统中双机器人间的坐标变换关系，建立双机器人两个基坐标 系之间的约束关系；
[0009] 第二步：根据第一步建立的基坐标系之间的约束关系，采用安装在双机器人工具 手末端的标定指，进行双机器人的握手动作，获取双机器人在各自基坐标系下的握手采样 点坐标；
[0010] 第三步：根据第二步获取的握手采样点坐标和机器人基坐标系之间的约束关系， 建立基于最小_乘的标定1旲型；
[0011] 第四步：进行双机器人协作系统的标定：采用奇异值分解算法对第三步建立的标 定模型进行求解，得到双机器人基坐标之间的旋转矩阵和平移矢量，进而得到双机器人基 座标系间的齐次坐标变换矩阵，完成双机器人协作系统的标定。
[0012] 进一步，所述的第一步的过程为：根据协作系统中双机器人各自的基座标系，采用 一台机器人的基座标系作为世界坐标系，从而得出另一台机器人的基座标系关于世界坐标 系的变换关系，将此作为双机器人基座标系之间的约束关系。
[0013] 进一步，所述的第二步的过程为：
[0014] 201):在每台机器人上安装标定指，得到标定指末端在各自机器人基座标系中的 位置；
[0015] 202):为第一台机器人设置标定指末端所要到达的点集，且该点集中的所有样本 点都在两台机器人的工作空间重叠区域内；设该点集中有N个样本点；
[0016] 203):将第一台机器人标定指末端运动到点集中的任一样本点，再将第二台机器 人标定指末端与第一台机器人标定指末端接触，实现握手动作；通过示教盒读取该样本点 在第二台机器人基座标系中的坐标，并记录；
[0017] 204):重复步骤203)，直至点集中所有的样本点都实现两机器人的握手动作。
[0018] 进一步，所述的第三步的过程为：
[0019] 301):点pk是双机器人工作空间重叠区域中的任意一点，点pk在第一台机器人基 坐标系中的坐标为W，点P k在第二台机器人基座标系中的坐标为W ·.
【权利要求】
1. 一种双机器人协作系统的基坐标标定方法，其特征在于：该标定方法包括以下步 骤： 第一步：根据协作系统中双机器人间的坐标变换关系，建立双机器人两个基坐标系之 间的约束关系； 第二步：根据第一步建立的基坐标系之间的约束关系，采用安装在双机器人工具手末 端的标定指，进行双机器人的握手动作，获取双机器人在各自基坐标系下的握手采样点坐 标； 第三步：根据第二步获取的握手采样点坐标和机器人基坐标系之间的约束关系，建立 基于最小-乘的标定|吴型； 第四步：进行双机器人协作系统的标定：采用奇异值分解算法对第三步建立的标定模 型进行求解，得到双机器人基坐标之间的旋转矩阵和平移矢量，进而得到双机器人基座标 系间的齐次坐标变换矩阵，完成双机器人协作系统的标定。
2. 根据权利要求1所述的双机器人协作系统的基坐标标定方法，其特征在于：所述的 第一步的过程为：根据协作系统中双机器人各自的基座标系，采用一台机器人的基座标系 作为世界坐标系，从而得出另一台机器人的基座标系关于世界坐标系的变换关系，将此作 为双机器人基座标系之间的约束关系。
3. 根据权利要求1或2所述的双机器人协作系统的基坐标标定方法，其特征在于：所 述的第二步的过程为： 201) :在每台机器人上安装标定指，得到标定指末端在各自机器人基座标系中的位 置； 202) :为第一台机器人设置标定指末端所要到达的点集，且该点集中的所有样本点都 在两台机器人的工作空间重叠区域内；设该点集中有N个样本点； 203) :将第一台机器人标定指末端运动到点集中的任一样本点，再将第二台机器人标 定指末端与第一台机器人标定指末端接触，实现握手动作；通过示教盒读取该样本点在第 二台机器人基座标系中的坐标，并记录； 204) :重复步骤203)，直至点集中所有的样本点都实现两机器人的握手动作。
4. 根据权利要求3所述的双机器人协作系统的基坐标标定方法，其特征在于：所述的 第二步的过程为： 301):点pk是双机器人工作空间重叠区域中的任意一点，点pk在第一台机器人基坐标 系中的坐标为尸!，点Pk在第二台机器人基座标系中的坐标为A2:
其中，表示点Pk在第一台机器人基坐标系中的X轴坐标，ii表示点Pk在第一台机 器人基坐标系中的y轴坐标，表示点Pk在第一台机器人基坐标系中的z轴坐标，表示 点Pk在第二台机器人基坐标系中的X轴坐标，；i表示点P k在第二台机器人基坐标系中的 y轴坐标，表示点Pk在第二台机器人基坐标系中的z轴坐标，上标T表示矩阵的转置； 302) :乂和凡2满足下式：
式⑷ 式（4)中，i?】表不第二个机器人的基坐标系B2到第一个机器人的基座标系B1的旋转 矩阵，g表示第二个机器人的基坐标系B2到第一个机器人的基座标系B1的平移矩阵； 303) :建立如式（5)所示的基于最小二乘的标定模型：
5.根据权利要求4所述的双机器人协作系统的基坐标标定方法，其特征在于：所述的 第四步包括以下步骤： 401) :记由W组成点集M，其中，k = 1、2、…、N;记由Λ2组成点集D，其中，k = 1、2、…、 N ;测算两个点集的中心：点集Μ中心为
点集D中心为
在两个点集中，用每个样本点的坐标减去点集中心坐标，得到点集Μ的中间点集ΚΓ和 点集D的中间点集D':
其中，m'k表示点集Μ'中的第k个元素，d'k表示点集D'中的第k个元素； 402) :建立如式（6)所示的协方差矩阵Hr7ieR3x3):
其中，协方差矩阵Η的各分量为：
其中，m' ^表示点集Μ'中第k个点的X坐标，d' ^表示点集D'中第k个点的X坐 标W ky表示点集IV中第k个点的y坐标，(Γ !"表示点集IV中第k个点的Z坐标，ky 表示点集W中第k个点的y坐标，m' !"表示点集NT中第k个点的z坐标； 403) :对协方差矩阵Η作奇异值分解： H = Q A VT 其中，Q的列为HHT的特征向量，V的列为HTH的特征向量，HHT与H TH有相同的特征值， 将特征值设为λ i，...，λ ^，1*表示协方差矩阵Η的秩；Λ中对角线元素
r，且Λ中对角线元素按降序排列，Λ中其余元素为0 ; 404):建立两机器人基座标系的旋转矩阵< 和平移矩阵< :
根据式（7)和式（8)，两机器人基座标系间的齐次变换关系为
，完成双机器人 协作系统的标定。
【文档编号】G01B21/04GK104215206SQ201410510923
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】周波, 戴先中, 孟正大, 张曦 申请人:东南大学