一种工业机器人同三维成像仪位姿关系现场实时标定系统的制作方法

本实用新型涉及大尺寸工件检测领域，尤其设计一种基于机器人和三维成像仪、扫描仪的标定的系统。

背景技术：

在大尺寸工件检测领域中，若利用工业机器人携带三维成像仪、激光扫描仪获取工件表面不同部位点云数据，且各部位点云数据无公共区域时，通常利用工业机器人工具坐标系原点的位置和姿态，拼接各部位点云数据。

因此，若精确标定机器人法兰盘前端坐标系与三维成像仪坐标系或三维扫描仪坐标系的转换关系，即两坐标系的平移旋转参数，则可利用机器人建立以三维成像仪坐标系或三维扫描仪为工具的工具坐标系，实时精确获得三维成像仪坐标系或三维扫描仪，在检测过程中固定坐标下的位置与姿态，从而获得三维成像仪坐标系或三维扫描仪运动的相对位置姿态关系。根据其相对位置参数可获大工件不同区域点云数据的相对位置姿态关系，为其点云数据拼接提供原始数据。机器人法兰盘前端坐标系与三维成像仪坐标系或三维扫描仪坐标系的转换关系的精确标定，保证机器人携带三维成像仪坐标系或三维扫描仪以指定的方向、姿态和速度运动。

而现有精确标定方法属于非现场实时标定方法，存在标定精度低、速度慢、操作过程复杂、理论不严谨等缺点。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种工业机器人同三维成像仪位姿关系现场实时标定系统，用于解决现有技术存在的问题。

本实用新型解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种工业机器人同三维成像仪关系现场实时标定系统，包括：标定板(1)、成像仪(2)和工业机器人，其中，所述工业机器人为三段式设计，其包括：底座(4)和与底座(4)相连接的支撑臂(3)，以及与支撑臂相连接的延伸臂(5)，所述延伸臂(5)平行于底面，前端连接所述成像仪(2)，所述成像仪的牵扯设置标定板(1)，所述标定板(1)上设置多个点，且还设置有数据线(6)，数据线连接并驱动所述工业机器人以固定姿态不同位置通过平移成像仪的方式对标定板的同一个点进行多次扫描，以及以不同姿态、不同位置对同一目标点进行多次扫描，并传递给数据处理装置。

优选的是，所述成像仪为三维扫描仪或者三维成像仪。

优选的是，所述标定系统执行以下动作：

步骤1)在法兰盘坐标系旋转参数保持不变的情况下，驱动机器人以固定姿态不同位置通过平移成像仪的方式对标定板的同一个点进行多次扫描，形成第一点云数据，并记录法兰盘坐标系的旋转和平移参数；

步骤2)对成像仪的第一点云数据进行处理，通过拟合的方式以获取相应的圆心坐标，并计算出标定旋转参数；

步骤3)在法兰盘坐标系旋转矩阵参数保持不变的情况下，再次驱动机器人以不同姿态、不同位置对同一目标点进行多次扫描，形成第二点云数据，并记录法兰盘坐标系的旋转和平移参数；步骤4)对获取的第二点云数据进行处理，求取点云的圆心，并计算标定平移参数，从而完成标定工作。

优选的是，步骤1)和步骤3)中，至少要对同一目标点进行二十次扫描。

本实用新型用于解决检测系统运行路径的精确规划、点云拼接以及机器人安全运行等问题，实现无重叠区域的点云间的快速拼接，有助于提高大尺件工装外观尺寸的检测效率。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进行详细的描述，以使得本实用新型的上述优点更加明确。其中，

图1是本实用新型工业机器人同三维成像仪关系现场实时标定系统的结构示意图；

图2是本实用新型工业机器人同三维成像仪关系现场实时标定系统的方法流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型提供了一种工业机器人同三维成像仪/扫描仪位姿关系实时标定系统，操作简单快捷，适用性和灵活性强。用于解决相邻点云之间的拼接问题，实现无重叠区域的点云间的快速拼接，有助于提高大尺件工装外观尺寸的检测效率。

如图1所示，一种工业机器人同三维成像仪关系现场实时标定系统，包括：标定板(1)、成像仪(2)和工业机器人，其中，所述工业机器人为三段式设计，其包括：底座(4)和与底座(4)相连接的支撑臂(3)，以及与支撑臂相连接的延伸臂(5)，所述延伸臂(5)平行于底面，前端连接所述成像仪(2)，所述成像仪的牵扯设置标定板(1)，所述标定板(1)上设置多个点，且还设置有数据线(6)，数据线连接并驱动所述工业机器人以固定姿态不同位置通过平移成像仪的方式对标定板的同一个点进行多次扫描，以及以不同姿态、不同位置对同一目标点进行多次扫描，并传递给数据处理装置。

优选的是，所述成像仪为三维扫描仪或者三维成像仪。

其中，如图2所示，一种工业机器人同三维成像仪关系现场实时标定方法，包括：

步骤1)在法兰盘坐标系旋转参数保持不变的情况下，驱动机器人以固定姿态不同位置通过平移成像仪的方式对标定板的同一个点进行多次扫描，形成第一点云数据，并记录法兰盘坐标系的旋转和平移参数；

步骤2)对扫描仪的第一点云数据进行处理，通过拟合的方式以获取相应的圆心坐标，并计算出标定旋转参数；

步骤3)在法兰盘坐标系旋转矩阵参数保持不变的情况下，再次驱动机器人以不同姿态、不同位置对同一目标点进行多次扫描，形成第二点云数据，并记录法兰盘坐标系的旋转和平移参数；

步骤4)对获取的第二点云数据进行处理，求取点云的圆心，并计算标定平移参数，从而完成标定工作。

优选的是，步骤1)和步骤3)中，至少要对同一目标点进行二十次扫描。

优选的是，步骤4)中，具体包括：

根据机器人反馈的坐标数据以及三维成像仪下目标点的坐标，利用其相对关系构建数学模型，引入罗德里格矩阵和整体最小二乘算法，从而解算出扫描仪/扫描仪和机器人其相对姿态位置关系。

其中，在实施例中，为了实现本实用新型的目的，本实用新型采用以下技术方案：

(1)建立机器人和三维成像仪/扫描仪关系模型

根据某一姿态法兰盘坐标系相对于机器人基坐标系的相对关系以及目标点在三维成像仪/扫描仪下的坐标的关系：

XH＝Xf+Rf×Tt+Rf×Rt×xh

其中XH为目标点在机器人基坐标系下的坐标，xh为目标点在扫描仪坐标系下坐标，Rf为机器人法兰盘坐标系同机器人基坐标系的旋转矩阵，Xf为法兰盘坐标系的平移矩阵；

(2)标定旋转参数

保持机器人法兰盘旋转姿态对同一目标点测量多次，则有：

在测量中控制机器人的姿态保持不变，则可以得到：

在矩阵解算中采用罗德里格矩阵，即为：

其中，[a b c]为罗格里德矩阵的三个参数。

上式可简写成：

A×ξ＝L

则基于总体最小二乘平差准的参数解算为：记增广矩阵C＝[A L],对增广矩阵进行奇异值分解：

C＝UΣV^T

其中：Σ＝diag(σ1,σ2,σ3,σ4)

则标定旋转矩阵的罗德里格参数为：

(3)标定平移参数

在解算出标定旋转参数后，再对目标点以不同的位置姿态测量多次，则在基本关系式中令：

Xq＝Rf×Rt×xh+Xt

则目标点的Xq可知，因此关系式可表示为：

XH＝Rf×Tt+Xq

通过改变姿态对靶标圆进行扫描且拟合圆心，可得到多组Rf和Xq，从而解算出Tt，即：

通过最小二乘准则求解标定平移参数为：

通过上述方法，即可完成工业机器人同三维成像仪/扫描仪位姿关系实时标定。本实用新型设计合理，算法严谨，提高了效率，提高了标定参数的准确性和定位精度。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。