本发明涉及机器人运动轨迹中关键点误差的测量方法，具体涉及一种关键点生成的双棱镜跟踪装置和视觉测量系统相结合的机器人运动轨迹关键点误差测量方法。。
背景技术：
在先技术(机械科学与技术，2011年2期，20卷，第252页，钱瑞明《挠性机器人动态误差集成激光测量与补偿研究》)提出一种基于3个激光发生器和3个激光位置检测器(PSD)的挠性构件动态误差测量方法,该法可以测量除杆长方向外的5个变形分量,且光路和测量模型简单；建立了PSD上光点位置与构件各误差分量及机器人末端执行器动态误差之间的关系，并给出其补偿控制方法。但其控制过程复杂，计算繁琐，容易出现因控制误差而导致测量结果不准确的问题。
在先技术(机械传动，2013年5期，6卷，第50页，王良文《用于物体捕捉的四足步行机器人的运动误差模型》)提出在四足机器人的机体上，安装图像捕捉系统，用于引导机器人完成对目标物的抓取。并在对抓取状态逆运动学分析的基础上，建立精确的图像捕捉系统误差与机器人的工作臂参数误差之间的关系，给出了详细的计算公式，得到机器人运动过程中的运动误差并进行补偿。此机器人运动误差的获取是通过采集外界环境的改变的图像来逆向计算出机器人工作臂运动误差，测量精度受后期图像处理精度限制。
在先技术(浙江大学，专利号：201010552545.5)提到一种基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统：通过总分光镜将来自扫频激光器的光信号分成X向光信号和Y向光信号，并打到安装在机床导轨的靶镜上。最后，通过X向检测机构和Y向检测机获取机床导轨的圆轨迹运动误差。此发明装置只能检测平面上机器人轨迹运动误差，应用领域较窄。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种机器人运动轨迹关键点误差测量方法，本发明可以实现机器人运动过程中关键离散点运动误差测量：在机器人运动过程中，控制机器人在某一关键点处停止运动，通过视觉成像系统采集此时机器人末端实际空间点坐标，同时关键点生成的双棱镜跟踪装置产生机器人运动到此关键点的理论坐标，通过比较计算两点之间距离，可得到关键离散点处的机器人运动误差。
本发明提出的机器人运动轨迹关键点误差的测量方法，所述方法通过用于关键点生成的双棱镜跟踪装置和用于关键点图像采集的双目视觉测量系统实现，所述方法用于机器人运动过程中关键离散点运动误差的测量，其中：
所述双棱镜跟踪装置包括第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2，第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2同轴布置；所述双目视觉测量系统包括第一相机3、第二相机4、第一支杆5、第二支杆6和底板7，第一相机3与第一支杆5一端相连，第一支杆5另一端固定于底板7上；第二相机4与第二支杆6一端相连，第二支杆6另一端固定于底板7上。第一相机3和第二相机4同时对机器人末端9进行拍摄，并设置同样的拍摄间隔；对拍摄的照片进行特征匹配，匹配的内容为机器人末端标记点10和激光点11；具体步骤如下：
(1)在关节机器人末端粘贴一个标记点10；
(2)根据关节机器人各关节的运动角度以及角速度，计算出需要测量运动误差的关键点位置坐标Mi(xi,yi,zi)，其中：i＝1,2,3…，并可得到理论上机器人运动到关键点Mi(xi,yi,zi)的时间ti；
(3)基于旋转双棱镜查表法，根据机器人运动过程中关键点Mi(xi,yi,zi)，可查表得出激光点11到达关键点Mi时，第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2的转角是(θi1,θi2)；
(4)控制关键点生成的双棱镜跟踪装置中第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2的转角为(θi1,θi2)，使激光点11打在机器人运动第一个关键点M1(x1,y1,z1)上；
(5)控制机器人动作到t1时刻并停止，使机器人末端9到达第一个关键点M1(x1,y1,z1)的实际位置；
(6)使用第一相机3和第二相机4对机器人末端9进行拍照；
(7)对第一相机3和第二相机4拍摄的照片与标记点10的图像进行匹配，得到标记点10在第一相机3内的图像坐标系坐标(x1,y1)，在第二相机4内的图像坐标系坐标(x2,y2)；
(8)对第一相机3和第二相机4拍摄的照片与激光点11的图像进行匹配，得到激光点11在第一相机3内的图像坐标系坐标(x3,y3)，在第二相机4内的图像坐标系坐标(x4,y4)；
(9)基于双目视觉测量方法，通过步骤(7)得到的标记点10在第一相机3内的图像坐标系坐标(x1,y1)，与在第二相机4内的图像坐标系坐标(x2,y2)，可计算出机器人运动时末端上标记点10的三维坐标(X1,Y1,Z1)；通过步骤(8)得到的激光点11在第一相机3内的图像坐标系坐标(x3,y3)，与在第二相机4内的图像坐标系坐标(x4,y4)，可计算出机器人运动时末端上激光点11的三维坐标(X2,Y2,Z2)；
(10)根据公式可计算得到第一个关键点M1(x1,y1,z1)处的运动误差δ；
(11)其他运动关键点Mi(xi,yi,zi)(i＝2,3,4…)的运动误差测量过程和第一个关键点的运动误差测量过程相同。
本发明中，步骤(3)中所述旋转双棱镜查表法，具体步骤如下：
(1)根据机器人运动轨迹选择旋转双棱镜的合理的结构参数，包括第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2的楔角α、第一旋转双棱镜1的旋转角度范围(θr1min,θr1max)和第二旋转双棱镜2的旋转角度范围(θr2min,θr2max)、第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2间距离D1等；
(2)根据机器人关键点运动误差测量的精度确定查表法精度ε；
(3)根据得到的查表法精度ε，确定第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2角度分辨率θtr；
(4)根据角度分辨率θtr、第一旋转双棱镜1的旋转角度范围(θr1min,θr1max)和第二旋转双棱镜2的(θr2min,θr2max)，任意组合第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2的角度为(θr1l,θr2l)；
(5)根据上述的组合角度(θr1l,θr2l)，计算出此组合角度下，旋转双棱镜系统对应的扫描点坐标(Xp,Yp,Zp)；
(6)将上述的组合角度(θr1l,θr2l)和扫描点坐标(Xp,Yp,Zp)的关系写入计算机，建立此特定的旋转双棱镜系统专用数据库；
(7)根据已知需要扫描的关键点坐标Mi(xi,yi,zi)，在所建立的专用数据库中搜索与目标点最接近的坐标值(Xpm,Ypm,Zpm)，即找到最小时所对应的(Xp,Yp,Zp)，根据搜索到的坐标值(Xpm,Ypm,Zpm)，可得到对应的专用数据表中第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2的转角是(θi1,θi2)。
本发明的有益效果在于：
1.本方法属于非接触测量机器人运动轨迹误差方法，不需要直接接触机器人。保证了在不破坏机器人的情况下，能精确得到机器人运动轨迹关键点误差测量。
2.易于得到精准的机器人运动轨迹关键点误差测量，本发明采用双目视觉测量机器人运动关键点误差的方法，通过两个相机对机器人末端标记点和激光扫描点拍照，利用双目视觉测量原理，可以精确的得到机器人末端标记点和激光扫描点三维坐标值，通过计算标记点和扫描点的距离得到机器人运动轨迹关键点误差测量，精度最高可达到微米级别。
3.易于实时得到机器人运动轨迹关键点误差测量，在机器人运动过程中，对机器人末端的运动轨迹关键点进行实时误差测量。
4.控制方便。该装置采用独立控制方式，只需要控制旋转双棱镜旋转达到指定的角度(θ1,θ2)，保证通过旋转双棱镜的激光持续打在机器人末端的理论轨迹上；对于第一相机3和第二相机4，只需使用PC机控制第一相机3和第二相机4同时拍摄照片，并设置相同的拍摄时间间隔，控制过程简单，易于实现。
附图说明
图1是关键点生成的双棱镜跟踪装置。
图2是关节机器人8和双目视觉测量系统。
图3是机器人末端9标记点和激光点11示意图。
图4为旋转双棱镜查表法示意图。
图5为机器人运动过程中关键点运动误差测量流程图。
图6为机器人实际运动轨迹点和理论运动轨迹点仿真图。
图中标号：1为第一旋转双棱镜，2为第二旋转双棱镜，3为第一相机，4为第二相机，5为第一支杆，6为第二支杆，7为底板，8为机器人，9为机器人末端，10为标记点，11为激光点。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：
本发明提供一种机器人运动轨迹关键点误差的测量方法，可以实现机器人运动过程中关键点运动误差测量：在机器人运动过程中，控制机器人在某一关键点处停止运动，通过视觉成像系统采集此时机器人末端实际空间点坐标，同时关键点生成的双棱镜跟踪装置产生理论空间点坐标，通过计算两点之间距离，可得到关键点处的机器人运动误差。本发明的目的通过下述几个部分来实现：包括关键点生成的双棱镜跟踪装置和关键点图像采集的双目视觉测量系统。根据机器人运动轨迹中的关键点位置坐标，旋转双棱镜产生高精度的光束扫描到此关键点位置，从而高精度模拟机器人末端运动到关键点位置时的理论位置。双目视觉测量系统用于采集机器人末端上标记点的实际空间位置和激光点的理论空间位置。最后根据得到的机器人末端的理论空间点位置坐标和实际空间点位置坐标，计算出机器人运动轨迹关键点误差。
结合图1、图2、图3和图6说明关键点生成的双棱镜跟踪装置通过查表法产生机器人末端理论空间点位置的步骤：S1：如图2所示，在关节机器人末端9中心粘贴一标记点10。S2:根据机器人运动轨迹选择旋转双棱镜的合理的结构参数：第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2的楔角α为10°、第一旋转双棱镜1的旋转角度范围为(0°,360°)和第二旋转双棱镜2的旋转角度范围(0°,360°)、第一旋转双棱镜和第二旋转双棱镜间距离D1为400mm等；S3：根据机器人关键点运动误差测量的精度确定查表法精度ε为0.1mm；S4：根据得到的查表法精度0.1mm，确定第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2角度分辨率θtr为0.01°；S5：根据角度分辨率0.01°、第一旋转双棱镜1的旋转角度范围(0°,360°)和第二旋转双棱镜2的(0°,360°)，任意组合第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2的角度为(θr1l,θr2l)；S6：根据上述的组合角度(θr1l,θr2l)，计算出此组合角度下，旋转双棱镜系统对应的扫描点坐标(Xp,Yp,Zp)；S7：将上述的组合角度(θr1l,θr2l)和扫描点坐标(Xp,Yp,Zp)的关系写入计算机，建立此特定的旋转双棱镜系统专用数据库。S8：根据已知需要扫描的关键点坐标M1(30.0,51.96,34.64)(单位cm)，在所建立的专用数据库中搜索与M1最接近的坐标值(Xpm,Ypm,Zpm)，即找到最小时所对应的(Xp,Yp,Zp)。搜索到的坐标值(Xpm,Ypm,Zpm)为(30.0,52.0,34.6)(单位cm)，可得到对应的专用数据表中旋转双棱镜的组合角度(233.1°,111.0°)。
根据下列步骤完成机器人运动轨迹关键点误差的测量：
S1：在关节机器人末端粘贴一个标记点10；
S2：根据关节机器人各关节的运动角度以及角速度，可计算出需要测量运动误差的各个关键点位置坐标，如附图6所示，第一个关键点M1位置坐标为(30.0,51.96,34.64)(单位cm)，并且理论上机器人运动到关键点M1的t1时间为3s；
S3：基于旋转双棱镜查表法，根据机器人运动过程中关键点M1(30.0,51.96,34.64)，可查表得出激光点11到达关键点M1时第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2的转角组合是(233.1°,111.0°)；
S4：控制关键点生成的双棱镜跟踪装置中旋转双棱镜转角组合为(233.1°,111.0°)，使激光点打在机器人运动第一个关键点M1(30.0,51.96,34.64)上；
S5：控制机器人动作到3s时刻并停止，此时机器人末端9上标记点10的实际位置为N1。
S6：使用第一相机3和第二相机4对机器人末端9进行拍照；
S7：对第一相机3和第二相机4拍摄的照片与标记点10的图像进行匹配，得到标记点10在第一相机3内的图像坐标系坐标(x1,y1)，在第二相机4内的图像坐标系坐标(x2,y2)；
S8：对第一相机3和第二相机4拍摄的照片与激光点11的图像进行匹配，得到激光点11在第一相机3内的图像坐标系坐标(x3,y3)，在第二相机4内的图像坐标系坐标(x4,y4)；
S9：基于双目视觉测量方法，通过步骤(6)得到的标记点10在第一相机3内的图像坐标系坐标(x1,y1)，与在第二相机4内的图像坐标系坐标(x2,y2)，可计算出机器人运动时末端上标记点10的三维坐标为N1(35.0,53.0,34.0)(单位：cm)；通过步骤(7)得到的激光点11在第一相机3内的图像坐标系坐标(x3,y3)，与在第二相机4内的图像坐标系坐标(x4,y4)，可计算出机器人运动时末端上激光点11的三维坐标M1(30.0,51.96,34.64)；S10：根据公式可计算得到第一个关键点M1(x1,y1,z1)处的运动误差δ＝5.147cm；
S10：其他运动关键点Mi(xi,yi,zi)(i＝2,3,4…)的运动误差测量过程和第一个关键点的运动误差测量过程相同。