本发明涉及机械领域，尤其涉及一种工具坐标系的标定方法、装置以及计算机存储介质。
背景技术：
当前工业生产中机器系统的应用，例如机器人在工业生产中的应用，正在占据越来越大的比例。同时，机器系统的应用已经向批量更大，精度更高，结构更复杂的方向发展。因此，机器系统在实际进行工业应用过程中，需要将工件测量值与机器系统基准坐标系进行耦合来应对复杂的工业应用场景。
现有技术中，通过在机器系统上设置激光测距传感器，使用机器定位保证激光测距传感器的测量方向与机器系统某已知坐标系的一个轴平行，令传感器的原点与坐标系原点有固定的位置关系，来对工件测量值与机器系统基准坐标系进行耦合。或者，使用机器人某个已知的工具坐标系接触标定点，得到标定点的具体位置，再通过将激光测距传感器的光斑对准标定点，从而计算出机器人工具坐标系。
然而，在采用上述方法对工件测量值与机器系统基准坐标系进行耦合时，工具坐标系标定过程复杂，得到的工件测量值的测量精度较差。
技术实现要素：
本发明解决的是工具坐标系标定过程复杂，得到的工件测量值的精确度较差。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种工具坐标系的标定方法，包括：
确定机器系统在测量范围内的基准点；获取n组测量数据，所述n组测量数据在所述机器系统移动过程中得到，且每一组测量数据包括：所述机器系统上的第一预设点与所述基准点的距离，所述机器系统上第二预设点的位置；在所述n组测量数据中，两个所述第一预设点的位置连成的直线经过所述基准点，至少三个所述第二预设点的位置构成一个确定的平面；n≥3；
确定工具坐标系的原点，根据所述n组测量数据，完成所述工具坐标系的标定。
可选的，确定所述工具坐标系的坐标原点为所述第一预设点。
可选的，基于预设的机器系统对应的基准坐标系，确定旋转矩阵rlt和平移矩阵plt来完成所述工具坐标系的标定；
按照以下公式基于zyx欧拉角顺序计算旋转矩阵rlt和平移矩阵plt：
p(x,y,z)＝[xyz]t，
其中，x为第二预设点的位置的x轴坐标，y为第二预设点的y轴坐标，z为第二预设点的z轴坐标；第二预设点与所述基准坐标系的原点连线为交点线，a为所述交点线与z轴间的夹角，b为所述交点线与y轴间的夹角，c为所述交点线与x轴间的夹角，t表示矩阵的转置。
可选的，所述旋转矩阵rlt包括以下参数：
其中，在基准坐标系中，xp0为所述机器系统置于第一位置时所述第二预设点的位置数据；保持所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向，所述机器系统从第一位置移动至第二位置，xp1为所述机器系统置于第二位置时所述第二预设点的位置数据；所述机器系统从第一位置或第二位置移动至第三位置，xph为所述机器系统置于第三位置时所述第二预设点的位置数据。
可选的，所述平移矩阵plt按照如下公式计算：
其中，pli为根据所述机器系统处于第二位置或第三位置时，第一预设点与所述基准点的距离li得到的参数矩阵，n＝n。
可选的，以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的x轴，所述旋转矩阵rlt按照以下公式计算：
所述参数矩阵pli＝[li00]t；
通过所述旋转矩阵rlt和平移矩阵plt，完成基于所述基准坐标系的所述工具坐标系的标定。
可选的，以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的y轴，所述旋转矩阵rlt按照以下公式计算：
所述参数矩阵pli＝[0li0]t；
通过所述旋转矩阵rlt和平移矩阵plt，完成基于所述基准坐标系的所述工具坐标系的标定。
可选的，以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的z轴，所述旋转矩阵rlt按照以下公式计算：
所述参数矩阵pli＝[00li]t；
通过所述旋转矩阵rlt和平移矩阵plt，完成基于所述基准坐标系的所述工具坐标系的标定。
可选的，所述工具坐标系的标定误差按照以下公式计算：
本发明还提供一种工具坐标系的标定装置，包括：基准点确定单元，用于确定机器系统在测量范围内的基准点；测量数据获取单元，用于获取n组测量数据，所述n组测量数据在所述机器系统移动过程中得到，且每一组测量数据包括：所述机器系统上的第一预设点与所述基准点的距离，所述机器系统上第二预设点的位置；在所述n组测量数据中，两个所述第一预设点的位置连成的直线经过所述基准点，至少三个所述第二预设点的位置构成一个确定的平面；n≥3；工具坐标系标定单元，用于确定工具坐标系的原点，根据所述n组测量数据，完成所述工具坐标系的标定。
可选的，所述工具坐标系标定单元，还用于确定所述工具坐标系的坐标原点为所述第一预设点。
可选的，所述工具坐标系标定单元，还用于基于预设的机器系统对应的基准坐标系，确定旋转矩阵rlt和平移矩阵plt来完成所述工具坐标系的标定；
按照以下公式基于zyx欧拉角顺序计算旋转矩阵rlt和平移矩阵plt：
p(x,y,z)＝[xyz]t，
其中，x为第二预设点的位置的x轴坐标，y为第二预设点的y轴坐标，z为第二预设点的z轴坐标；第二预设点与所述基准坐标系的原点连线为交点线，a为所述交点线与z轴间的夹角，b为所述交点线与y轴间的夹角，c为所述交点线与x轴间的夹角，t表示矩阵的转置。
可选的，所述工具坐标系标定单元在计算所述旋转矩阵rlt时采用以下参数：
其中，在基准坐标系中，xp0为所述机器系统置于第一位置时所述第二预设点的位置数据；保持所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向，所述机器系统从第一位置移动至第二位置，xp1为所述机器系统置于第二位置时所述第二预设点的位置数据；所述机器系统从第一位置或第二位置移动至第三位置，xph为所述机器系统置于第三位置时所述第二预设点的位置数据。
可选的，所述工具坐标系标定单元在计算所述平移矩阵plt按照如下公式计算：
其中，pli为根据所述机器系统处于第二位置或第三位置时，第一预设点与所述基准点的距离li得到的参数矩阵，n＝n。
可选的，所述工具坐标系标定单元，还用于以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的x轴，所述旋转矩阵rlt按照以下公式计算：
所述参数矩阵pli＝[li00]t；
通过所述旋转矩阵rlt和平移矩阵plt，完成基于所述基准坐标系的所述工具坐标系的标定。
可选的，所述工具坐标系标定单元，还用于以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的y轴，所述旋转矩阵rlt按照以下公式计算：
所述参数矩阵pli＝[0li0]t；
通过所述旋转矩阵rlt和平移矩阵plt，完成基于所述基准坐标系的所述工具坐标系的标定。
可选的，所述的工具坐标系标定单元，还用于以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的z轴，所述旋转矩阵rlt按照以下公式计算：
所述参数矩阵pli＝[00li]t；
通过所述旋转矩阵rlt和平移矩阵plt，完成基于所述基准坐标系的所述工具坐标系的标定。
可选的，所述工具坐标系标定单元，还用于按照以下公式计算所述工具坐标系的标定误差：
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述任一种所述的工具坐标系的标定方法的步骤。
本发明还提供一种工具坐标系的标定装置，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时所述处理器执行上述任一种所述的工具坐标系的标定方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：通过自定义基准点、测距起始点与位置记录点，记录相关数据，并根据记录的相关数据基于机器系统自带的基准坐标系标定工具坐标系，所述工具坐标系的标定过程简洁、快速，使用所述工具坐标系得到的测量值的精确度高。
进一步，根据记录的相关数据，计算标定的工具坐标系的误差，进一步提高使用所述工具坐标系得到的测量值的精确度。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种工具坐标系的标定方法的流程图；
图2是本发明实施例中的一种机器系统的结构示意图；
图3是本发明实施例中的一种机器系统移动示意图；
图4是本发明实施例中的一种工具坐标系的标定装置的结构示意图。
具体实施方式
现有技术中，对工件进行测量的技术方案一：通过在机器系统上设置激光测距传感器，使用机器定位保证激光测距传感器的测量方向与机器系统某已知坐标系的一个轴平行，令传感器的原点与坐标系原点有固定的位置关系，来对工件测量值与机器系统基准坐标系进行耦合。
技术方案二：使用机器人某个已知的工具坐标系接触标定点，得到标定点的具体位置，再通过将激光测距传感器的光斑对准标定点，从而计算出机器人工具坐标系。
然而，上述技术方案一存在的问题是，简单的机械定位会出现误差，但误差无法被量化和补偿，导致精度较差。技术方案二存在的问题是，需要使用某个已知的机器系统坐标系，当该坐标系的标定不精确时会出现累计误差。
本发明通过自定义基准点、测距起始点与位置记录点，记录相关数据，并根据记录的相关数据基于机器系统自带的基准坐标系标定工具坐标系，所述工具坐标系的标定过程简洁、快速，使用所述工具坐标系得到的测量值的精确度高，进一步，根据记录的相关数据，计算标定的工具坐标系的误差，进一步提高使用所述工具坐标系得到的测量值的精确度。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明提供一种工具坐标系的标定方法，参阅图1，通过以下具体步骤进行说明
步骤s101，确定机器系统在测量范围内的基准点。
在本发明实施例中，可以基于机器系统自带的基准坐标系标定工具坐标系。其中，工具坐标系的标定需要采集数据，而数据的采集需要设定一基准点作为参考物以确定采集的数据的物理意义。
在本发明实施例中，数据的采集可以由机器系统本身或其他工具协助机器系统完成，因此，所述基准点需要设定在机器系统的传感器的测量范围内，或者其他工具的传感器的测量范围内。
步骤s102，获取n组测量数据。
在具体实施中，所述n组测量数据在所述机器系统移动过程中得到，且每一组测量数据包括：所述机器系统上的第一预设点与所述基准点的距离，所述机器系统上第二预设点的位置；在所述n组测量数据中，两个所述第一预设点的位置连成的直线经过所述基准点，至少三个所述第二预设点的位置构成一个确定的平面；n≥3。
在本发明实施例中，为了标定工具坐标系，至少需要获取三组测量数据。每组测量数据包括长度数据和坐标数据。所述长度数据为在所述机器系统上第一预设点与所述基准点的距离，所述第一预设点可以为所述机器系统上任意一点。所述长度数据的采集可以通过外界工具协助采集，也可以通过所述机器系统上的激光测距传感器采集。
在实际应用中，参阅图2，给出了本发明实施例中的一种机器系统的结构示意图。在图2中，采用所述机器系统法兰末端的激光测距传感器进行长度数据采集。可以理解的是，激光测距传感器可以设置在所述机器系统的任意位置。在这种采用激光测距传感器的情况下，激光测距传感器的激光发射点即为第一预设点。
在本发明实施例中，所述坐标数据为第二预设点的位置的坐标数据，所述第二预设点可以是所述机器系统上任意一点。所述测量数据中所有的第二预设点的坐标数据的采集标准需要一致，即测量数据的采集需要在同一坐标系下完成，用于采集所述测量数据的坐标系可以通过外界工具协助设定；也可以使用所述机器系统自带的基准坐标系完成。
在本发明实施例中，所述n组测量数据中，存在两个所述第一预设点的位置连成的直线经过所述基准点，至少三个所述第二预设点的位置构成一个确定的平面。即在移动所述机器系统的过程中，一次移动过程后，所述第一预设点的位置在测量数据中的某个第一预设点与所述基准点的连线上。一次移动过程后，测量数据中存在三个所述第二预设点的位置不在同一直线上。
参阅图3，其中位置31、位置32和位置33符合所述测量数据的要求。其中，位置32相对与位置31没有改变机器系统的姿态，即从位置31移动到位置32的过程中，保持所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向；位置33相对于位置31或位置32改变了机器系统的姿态。
可以理解的是，n的值越大，获取的有意义数据量多，工具坐标系标定的精准度高，且所述测量数据中，可以仅存在两个所述第一预设点的位置连成的直线经过所述基准点，即仅在一次移动中所述机器系统保持所述机器系统的姿态，在之后的机器系统的移动过程中，均改变所述机器系统的姿态。
步骤s103，确定工具坐标系的原点，根据所述n组测量数据，完成所述工具坐标系的标定。
在本发明实施例中，在获得n组测量数据后，可以进行工具坐标系的标定。进行工具坐标系的标定的第一步为确定工具坐标系的原点，所述工具坐标系的原点可以设定在任意位置。在确定坐标系原点后，根据n组测量数据计算完成所述工具坐标系的标定，所述工具坐标系的标定基于的坐标系为用于测量所述第二预设点位置的坐标系。
在本发明实施例中，为了方便对工件的测量和工具坐标系的标定，工具坐标系的原点可以设定于第一预设点的位置，参阅图2，在使用激光测距传感器的情况下，工具坐标系标定结果之一如图所示。
在本发明实施例中，为了完成对于工具坐标系的标定，需要计算得到旋转矩阵和平移矩阵，通过旋转矩阵和平移矩阵完成工具坐标系的标定，所述工具坐标系的标定基于测量所述第二预设点位置的坐标系。为了方便计算，可以使用机器系统的基准坐标系，使用所述基准坐标系测量所述第二预设点位置，在上述情况下，所述工具坐标系的标定基于所述基准坐标系。
在本发明实施例中，基于基准坐标系标定工具坐标系，可以按照以下公式按照zyx欧拉角顺序计算旋转矩阵rlt和平移矩阵plt：
p(x,y,z)＝[xyz]t，
其中，x为第二预设点的位置的x轴坐标，y为第二预设点的y轴坐标，z为第二预设点的z轴坐标；第二预设点与所述基准坐标系的原点连线为交点线，a为所述交点线与z轴间的夹角，b为所述交点线与y轴间的夹角，c为所述交点线与x轴间的夹角，t表示矩阵的转置。公式xp按照z-y-x欧拉角顺序进行转换。可以理解的是，本发明同样可以按照其他欧拉角或者偏航角进行计算，此处不赘述。
在本发明实施例中，所述旋转矩阵rlt包括以下参数：
其中，基准坐标系可以是机器系统自带的坐标系，采用的公式为
xp0代入的坐标数据为所述机器系统置于第一位置时所述第二预设点的位置数据，保持所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向，所述机器系统从第一位置移动至第二位置，xp1代入的坐标为所述机器系统置于第二位置时所述第二预设点的位置数据，所述机器系统从第一位置或第二位置移动至第三位置，xph代入的坐标为所述机器系统置于第三位置时所述第二预设点的位置数据。
在本发明实施例中，保持所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向，所述机器系统从第一位置移动至第二位置，可以理解为移动过后，所述第一预设点的位置在移动前所述第一预设点与所述基准点的连线上。所述机器系统分别在第一位置、第二位置和第三位置时的三个所述第二预设点的位置可以构成一个确定的平面。
在本发明实施例中，所述平移矩阵plt按照如下公式计算：
其中，pli为根据所述机器系统处于第二位置或第三位置时，第一预设点与所述基准点的距离li得到的参数矩阵，即可以不采用所述机器系统处于第一位置时所述第一预设点与所述基准点的距离，n＝n，ri为通过公式
代入相应的所述第二预设点的位置数据得到，pi为通过公式p(x,y,z)＝[xyz]t代入相应的第二预设点的位置数据得到。
在本发明实施例中，工具坐标系的原点可以设定于第一预设点的位置，以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的x轴，所述旋转矩阵rlt按照以下公式计算：
其中，在以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的x轴后，所述工具坐标系的其他两轴没有确定，因此旋转矩阵rlt有两个可选。
在本发明实施例中，在确定工具坐标系的x轴后，所述平移矩阵plt中的参数pli可以确定，所述参数矩阵pli＝[li00]t。
在本发明实施例中，工具坐标系的原点可以设定于第一预设点的位置，以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的y轴，所述旋转矩阵rlt按照以下公式计算：
其中，在以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的y轴后，所述工具坐标系的其他两轴没有确定，因此旋转矩阵rlt有两个可选。
在本发明实施例中，工具坐标系的原点可以设定于第一预设点的位置，在确定工具坐标系的y轴后，所述平移矩阵plt中的参数pli可以确定，所述参数矩阵pli＝[0li0]t。
在本发明实施例中，以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的z轴，所述旋转矩阵rlt按照以下公式计算：
其中，在以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的z轴后，所述工具坐标系的其他两轴没有确定，因此旋转矩阵rlt有两个可选。
在本发明实施例中，在确定工具坐标系的z轴后，所述平移矩阵plt中的参数pli可以确定，所述参数矩阵pli＝[00li]t。
在本发明实施例中，通过所述旋转矩阵rlt和平移矩阵plt，完成基于所述基准坐标系的所述工具坐标系的标定。
在本发明实施例中，在完成工具坐标系的标定后，所述工具坐标系的标定误差按照以下公式计算：
根据该公式可以计算得到工具坐标系的误差，因此可以进一步提升工具坐标系标定的精确度。
参阅图4，本发明另一方面还提供一种工具坐标系的标定装置40，所述工具坐标系的标定装置40包括：基准点确定单元401，用于确定机器系统在测量范围内的基准点；测量数据获取单元402，用于获取n组测量数据，所述n组测量数据在所述机器系统移动过程中得到，且每一组测量数据包括：所述机器系统上的第一预设点与所述基准点的距离，所述机器系统上第二预设点的位置；在所述n组测量数据中，两个所述第一预设点的位置连成的直线经过所述基准点，至少三个所述第二预设点的位置构成一个确定的平面；n≥3；工具坐标系标定单元403，用于确定工具坐标系的原点，根据所述n组测量数据，完成所述工具坐标系的标定。
所述工具坐标系标定单元403，还用于基于所述基准坐标系，确定旋转矩阵rlt和平移矩阵plt来完成所述工具坐标系的标定；
按照以下公式基于zyx欧拉角顺序计算旋转矩阵rlt和平移矩阵plt：
p(x,y,z)＝[xyz]t，
其中，x为第二预设点的位置的x轴坐标，y为第二预设点的y轴坐标，z为第二预设点的z轴坐标；第二预设点与所述基准坐标系的原点连线为交点线，a为所述交点线与z轴间的夹角，b为所述交点线与y轴间的夹角，c为所述交点线与x轴间的夹角。
所述工具坐标系标定单元403在计算所述旋转矩阵rlt时采用以下参数：
其中，基于基准坐标系，xp0代入的坐标数据为所述机器系统置于第一位置时所述第二预设点的位置数据，保持所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向，所述机器系统从第一位置移动至第二位置，xp1代入的坐标为所述机器系统置于第二位置时所述第二预设点的位置数据，所述机器系统从第一位置或第二位置移动至第三位置，xph代入的坐标为所述机器系统置于第三位置时所述第二预设点的位置数据。
所述工具坐标系标定单元403在计算所述平移矩阵plt按照如下公式计算：
其中，pli为根据所述机器系统处于第二位置或第三位置时，第一预设点与所述基准点的距离li得到的参数矩阵，n＝n。
所述工具坐标系标定单元403，还用于以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的x轴，所述旋转矩阵rlt按照以下公式计算：
所述参数矩阵pli＝[li00]t；
通过所述旋转矩阵rlt和平移矩阵plt，完成基于所述基准坐标系的所述工具坐标系的标定。
所述工具坐标系标定单元403，还用于以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的y轴，所述旋转矩阵rlt按照以下公式计算：
所述参数矩阵pli＝[0li0]t；
通过所述旋转矩阵rlt和平移矩阵plt，完成基于所述基准坐标系的所述工具坐标系的标定。
所述的工具坐标系标定单元403，还用于以所述第一预设点与所述基准点之间的测距方向作为所述工具坐标系的z轴，所述旋转矩阵rlt按照以下公式计算：
所述参数矩阵pli＝[00li]t；
通过所述旋转矩阵rlt和平移矩阵plt，完成基于所述基准坐标系的所述工具坐标系的标定。
所述工具坐标系标定单元403，还用于按照以下公式计算所述工具坐标系的标定误差：
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令运行时执行上述任一种所述的工具坐标系的标定方法的步骤。
本发明还提供一种工具坐标系的标定装置，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时所述处理器执行上述任一种所述的工具坐标系的标定方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指示相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：rom、ram、磁盘或光盘等。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。