机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种机器人基坐标系与世界坐标系之间关 系的自动确定方法。
【背景技术】
[0002] 在工业生产中，已经有越来越多的应用机器人代替人工进行生产，其生产率高，而 且方便控制，自动化程度高，应用机器人已经成为现代工业生产中不可缺少的角色。
[0003] 但在应用机器人对工件进行加工装配的场合，需要确定机器人与工件的相对位置 关系，即机器人基坐标系与工件坐标系间的相对位置关系，然后通过对机器人进行编程的 方式达到自动地对工件进行加工装配的目的。由于工件位置的频繁变化，导致需要经常地 对机器人基坐标系进行测量，而机器人基坐标系的测量需要繁琐的操作与计算。世界坐标 系通常由几个（至少三个）包容整个工作空间的固定点组成，机器人一旦落地（固定），其 基坐标系与世界坐标系间便具有固定的位置关系，一旦准确的测出这一固定关系，以后每 次便可通过测量世界坐标系的几个固定点而间接获得机器人基坐标系，省去了每次因测量 机器人基坐标系而带来的繁琐操作与计算过程。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种自动化程度高、速度快且精确度高的机器人基坐标系与世界坐 标系之间关系的自动确定方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：
[0006] -种机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定方法，所述方法采用高精 度测量，并通过读取机器人内部六自由度参数，应用坐标变换，实现对机器人基坐标系与世 界坐标系之间关系的自动确定。
[0007] 进一步的，所述方法包括如下步骤：
[0008] 步骤一，安装指定工装；
[0009] 步骤二，确定机器人末端法兰坐标系{6}相对于机器人基坐标系{Base}的齐次变 换矩阵;
[0010] 步骤三，确定机器人末端法兰坐标系{6}相对于靶球坐标系{Ba}的齐次变换矩阵 Ba rp 6 1 ；
[0011] 步骤四，确定靶球坐标系{Ba}相对于激光跟踪仪坐标系{JG}的齐次变换矩阵 JG rj-i Ba 1 *
[0012] 步骤五，确定世界坐标系{W}相对于激光跟踪仪坐标系{JG}的齐次变换矩阵;fr ;
[0013] 步骤六，确定世界坐标系{W}相对于机器人基坐标系{Base}的齐次变换矩阵 Base rp W 1。
[0014] 进一步的，所述步骤一为将革E球放在带柱的革E球座上，革E球座上伸出的的圆柱插 入机器人末端法兰盘上的控制孔中，用一环状磁铁将靶球座与末端法兰盘固定。
[0015] 进一步的，所述步骤二中的算法为：
[0016] 1)利用示教器控制机器人运动，使机器人末端法兰盘到达一个方便测量的方位；
[0017] 2)将机器人末端法兰坐标系{6}相对于机器人基坐标系{Base}的内部6自由度 参数（X、Y、Z、A、B、C)传到上位机，上位机通过计算得到;
[0018] 其中，X、Y、Z为{6}的原点相对于{Base}的位置，A、B、C分别表示按顺序将{6} 绕{Base}的X轴旋转角度C，绕Y轴旋转角度B，绕Z轴旋转角度A后，所得新坐标系的方 向与{Base} -致；
[0019] 计算r的公式为：
【主权项】
1. 一种机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定方法，其特征在于，所述方 法采用高精度测量，并通过读取机器人内部六自由度参数，应用坐标变换，实现对机器人基 坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定。
2. 根据权利要求1所述的机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定方法，其 特征在于，所述方法包括如下步骤： 步骤一，安装指定工装； 步骤二，确定机器人末端法兰坐标系{6}相对于机器人基坐标系{Base}的齐次变换矩 阵Π 步骤三，确定机器人末端法兰坐标系{6}相对于靶球坐标系{Ba}的齐次变换矩阵 Ba rp 6 1 ·， 步骤四，确定靶球坐标系{Ba}相对于激光跟踪仪坐标系{JG}的齐次变换矩阵fr; 步骤五，确定世界坐标系{W}相对于激光跟踪仪坐标系{JG}的齐次变换矩阵 步骤六，确定世界坐标系{W}相对于机器人基坐标系{Base}的齐次变换矩阵T 1。
3. 根据权利要求2所述的机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定方法，其 特征在于，所述步骤一为将靶球放在带柱的靶球座上，靶球座上伸出的的圆柱插入机器人 末端法兰盘上的控制孔中，用一环状磁铁将靶球座与末端法兰盘固定。
4. 根据权利要求2所述的机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定方法，其 特征在于：所述步骤二中的算法为： 1) 利用示教器控制机器人运动，使机器人末端法兰盘到达一个方便测量的方位； 2) 将机器人末端法兰坐标系{6}相对于机器人基坐标系{Base}的内部6自由度参数 (X、Y、Z、A、B、C)传到上位机，上位机通过计算得到fSiT ; 其中，X、Y、Z为{6}的原点相对于{Base}的位置，A、B、C分别表示按顺序将{6}绕 {Base}的X轴旋转角度C，绕Y轴旋转角度B，绕Z轴旋转角度A后，所得新坐标系的方向与 {Base} -致；
5. 根据权利要求2所述的机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定方法，其 特征在于：所述步骤三中的算法为： 1)用激光跟踪仪测量靶球，读出靶球中心在{JG}中的坐标，设为A= (XA，yA，zA)T; 2) 根据KUKA机器人手册得知机器人末端法兰盘控制孔中心在坐标系{6}中的齐次坐 标为（_50,0,0, 1)τ; 3) 设靶球中心A在坐标系{6}中的齐次坐标为6A= (-50, 0，h，l)T，其中h代表靶球中 心到机器人末端法兰盘平面的距离； 4) 确定靶球中心到机器人末端法兰盘平面的距离h ; 用靶球在机器人法兰平面上测量涵盖整个平面的三点，设分别为点B = (xB，yB，zB)τ，点 C - (xc，yc，zc)、点 D - (xD，yD，zD); 向莖._与CD '叉乘得到：=
其中：向量；:是由B、C、D三点构成平面的法向量； 平面 BCD 的方程可写成 a (x-xB)+b(y_yB)+c (z-zB) = 0 ; 靶球中心A到平面B⑶的距离为d，贝丨
靶球中心到法兰平面的距离h为：Λ = " + 1; 其中：De = 38. Imm为革巴球直径； 5) 靶球坐标系{Ba}相对于机器人末端法兰坐标系{6}的齐次变换矩阵为：
6.根据权利要求2所述的机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定方法，其 特征在于：所述步骤四中的算法为： 1) 确定坐标系{Ba}的原点； 坐标系{Ba}的原点为：A = (xA, yA, zA)T; 2) 确定坐标系{Ba}的三个坐标轴； 控制示教器将机器人沿坐标系{Base}的X轴正方向移动，每移动一定距离 测量一次靶球中心坐标，共移动η次（η-般取3~5)，将靶球中心位置读数设为 (*?.，h... ,?.)(〖= ]，2，···/?)，然后按原路返回； 控制示教器将机器人沿坐标系{Base}的Y轴正方向移动，每移动一定距离 测量一次靶球中心坐标，共移动η次（η-般取3~5)，将靶球中心位置读数设为 (?,只.,2_>:)(/ = 1，2,···/?),然后按原路返回； 控制示教器将机器人沿坐标系{Base}的Y轴正方向移动，每移动一定距离 测量一次靶球中心坐标，共移动η次（η-般取3~5)，将靶球中心位置读数设为 (?,，》, A XZ = 1，2，.·.《)，然后按原路返回； 以求取坐标系{Ba}的X轴正方向为例，算法为：
根据高等数学中的多元函数的极值定理，上式等价于：
所建立的X轴正方向的方向向量为：nx= (a x，cx，1); 其中也1:1^:1^=&!￡:(3!￡:1; 所建立的Y轴和Z轴正方向的方向向量与所述X轴正方向的方向向量确定方法相同， 分别为：ny= (a y，cy，1)和 nz= (a z，cz，1); 所建立的方向向量nx，\和n z由于机器人定位误差和激光跟踪仪测量误差而不是理论 上的相互垂直关系，因此不能直接作为坐标系{Ba}的三个坐标轴方向向量； 将方向向量nx作为{Ba}的X轴正方向，则坐标系{Ba}的X轴正方向单位向量为：
将方向向量\与η x的叉乘作为坐标系{Ba}的Y轴正方向，则{Ba}的Y轴正方向单位 向量为：
将单位向量与叉乘得到{Ba}的Z轴正方向的单 位向量为：
3)确定靶球坐标系{Ba}相对于激光跟踪仪坐标系{JG}的齐次变换矩阵fr; 靶球坐标系{Ba}相对于激光跟踪仪坐标系{JG}的齐次变换矩阵fr为：
7.根据权利要求2所述的机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定方法，其 特征在于：所述步骤五中的算法为： 1) 用激光跟踪仪测量世界坐标系{W}的三个靶球中心位置，分别设为P1= (X Dy11Z1) 、P2 - (X 2，y2，z2)和 P 3 - (X 3，y3，z3); 2) 确定世界坐标系{W}的原点； 以P2为世界坐标系{W}的原点； 3) 确定世界坐标系{W}的X轴正方向单位向量； 以向量/5?为坐标系{W}的X轴正方向，则{W}的X轴正方向单位向量为：
4) 确定世界坐标系{W}的Z轴正方向单位向量； 以向量/?叉乘向量P^3为{W}的Z轴正方向，则坐标系{W}的Z轴正方向单位向量为：
其中： a = [(Y2^y1) (Z3-Z2)-(y3_y2) (Z2-Z1)^Ii(X3-X2) (Z2-Z1)-(X2-X1) (Z3-Z2)] W(X2-X1) (Y3-Y2)-(X3-X2) (y2~yi)]2； 5) 确定世界坐标系{W}的Y轴正方向单位向量； 根据右手法则确定的Y轴正方向单位向量为： (W1 ,?7, Μ. ) X (Hi ,/7, ,/7. ) -(αν ,(λ.)； 6) 确定世界坐标系{W}相对于激光跟踪仪坐标系{JG}的齐次变换矩阵fr为：
8.根据权利要求2所述的机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定方法，其 特征在于：所述步骤六中的算法为： 其中，TT1CJcTT1; 完成机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的确定。
【专利摘要】本发明公开了一种机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定方法，包括以下步骤：安装指定工装；确定机器人末端法兰坐标系{6}相对于机器人基坐标系{Base}的齐次变换矩阵；确定机器人末端法兰坐标系{6}相对于靶球坐标系{Ba}的齐次变换矩阵；确定靶球坐标系{Ba}相对于激光跟踪仪坐标系{JG}的齐次变换矩阵；确定世界坐标系{W}相对于激光跟踪仪坐标系{JG}的齐次变换矩阵；确定世界坐标系{W}相对于机器人基坐标系{Base}的齐次变换矩阵。本发明利用激光跟踪仪高精度测量的优点，通过读取机器人内部变量，应用坐标变换的方法，实现对机器人基坐标系与世界坐标系之间关系的自动确定，自动化程度高、速度快且精确度高。
【IPC分类】G01B11-00
【公开号】CN104729407
【申请号】CN201510136651
【发明人】范秀斌, 张水仙, 于斌
【申请人】北京星航机电装备有限公司
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月26日