一种自动、高精度的用户坐标系标定方法及系统

本发明涉及工业机器人用户坐标系标定、离线编程，具体是一种自动、高精度的用户坐标系标定方法及系统。

背景技术：

1、随着工业机器人应用领域不断地扩大，企业对机器人性能、工作效率要求越来越高。用户坐标系是工业人离线编程的基础，也是工业机器人高效、快速完成任务的重要条件之一。所以，如何快速、精准地标定用户坐标系是机器人领域重要的研究课题之一。

2、工业机器人用户坐标系定义在对象工件上，由用户自己根据需求习惯来定义，工业机器人用户坐标系的方向根据客户需要任意定义，方便用户操作编程。用户坐标系标定即得到工业机器人基坐标系到用户坐标系的齐次变换矩阵，再根据该齐次变换矩阵得到位姿向量的过程。

3、传统的用户坐标系标定方法需要人工操作机器人末端点分别定位到用户坐标系不同的坐标轴上，从而确定用户坐标系，获得用户坐标系参数。但是，人工定位时会产生较大误差，而且标定过程中工具末端点需要尽量靠近工件，导致耗时长、效率低，而且容易产生碰撞，可能会对机器人、工具、工件等设备造成损害。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种自动、高精度的用户坐标系标定方法及系统，能够解决背景技术中的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、本发明的一种自动、高精度的用户坐标系标定方法及系统，包括步骤：

4、将多个超声波收发探头安装至机器人底座，构建底座坐标系；并将多个超声波发送探头安装至待标定用户坐标系中；

5、获取多个超声波收发探头与底座坐标系的原点的第一距离；并获取任意超声波收发探头与任意超声波发送探头之间的第二距离；

6、基于所述第一距离和所述第二距离，计算所有超声波发送探头在所述底座坐标系中的坐标值，以及基于所有超声波发送探头在所述底座坐标系中的坐标值计算所述待标定用户坐标系的原点在所述底座坐标系中的坐标值；

7、基于所有超声波发送探头在所述底座坐标系中的坐标值以及所述待标定用户坐标系的原点在所述底座坐标系中的坐标值，计算所述待标定用户坐标系的坐标轴方向；

8、基于所述待标定用户坐标系的坐标轴方向和所述待标定用户坐标系的原点在所述底座坐标系中的坐标值确定所述底座坐标系到待标定用户坐标系的第一齐次变换矩阵，并基于所述第一距离计算基坐标系到所述底座坐标系的第二齐次变换矩阵；

9、基于所述第一齐次变换矩阵和所述第二齐次变换矩阵计算基坐标系到待标定用户坐标系的第三齐次变换矩阵；并将所述第三齐次变换矩阵转换为位姿向量，完成标定。

10、在本技术一实施例中，多个超声波收发探头包括超声波收发探头r1、超声波收发探头r2和超声波收发探头r3安装于机器人底座的顶点位置，以超声波收发探头r1为底座坐标系的原点，r1r2为x轴，r1r3为y轴构成底座坐标系；

11、多个超声波发送探头包括超声波发送探头s1、超声波发送探头s2和超声波发送探头s3，所述超声波发送探头s1和超声波发送探头s2位于所述待标定用户坐标系的x轴的正半轴，且超声波发送探头s1与待标定用户坐标系的原点的距离小于超声波发送探头s2与待标定用户坐标系的原点的距离，超声波发送探头s3位于所述待标定用户坐标系的y轴的正半轴。

12、在本技术一实施例中，获取多个超声波收发探头与底座坐标系的原点的第一距离，包括：

13、在所述超声波收发探头r1发送超声波信号时，启动定时器，并记录超声波收发探头r2和超声波收发探头r3接收到超声波信号经历的时间，分别为t1和t2；

14、记录当前的环境温度k0；

15、计算超声波收发探头r1与超声波收发探头r2之间的第一距离d1，并计算超声波收发探头r1与超声波收发探头r3之间的第一距离d2，其中；d1＝t1×(331.5+0.607k0)，d2＝t2×(331.5+0.607k0)。

16、在本技术一实施例中，获取任意超声波收发探头与任意超声波发送探头之间的第二距离，包括：

17、超声波发送探头s1、超声波发送探头s2和超声波发送探头s3依次发送超声波信号，同时启动定时器，并记录超声波收发探头r1、超声波收发探头r2和超声波收发探头r3接收到超声波信号所经历的时间tij，其中，i＝1,2,3；j＝1,2,3，tij表示超声波收发探头rj接收到超声波发送探头si所发出的超声波信号经历的时间；

18、记录当前的环境温度k1；

19、计算任意超声波收发探头与任意超声波发送探头之间的第二距离lij，lij＝tij×(331.5+0.607k1)，其中lij表示超声波发送探头si和超声波收发探头rj之间的距离。

20、5.根据权利要求4所述的一种自动、高精度的用户坐标系标定方法，其特征在于，所有超声波发送探头在所述底座坐标系中的坐标值的数学表达式为：

21、

22、式中，(xm,ym,zm)为超声波发送探头m在所述底座坐标系中的坐标值，m＝1,2,3。

23、在本技术一实施例中，待标定的用户坐标系原点ou在超声波发送探头s1和超声波发送探头s2确定的x轴延长线上，且超声波发送探头s1和超声波发送探头s2确定的待标定用户坐标系x轴与待标定用户坐标系原点ou与超声波发送探头s3确定的y轴垂直，其中，所述待标定用户坐标系的原点ou在所述底座坐标系中的坐标值(xo,yo,zo)的计算式为：

24、

25、式中，p为中间变量。

26、在本技术一实施例中，所述待标定用户坐标系的坐标轴方向的数学表达式为：

27、

28、式中，为所述待标定用户坐标系的x轴方向，为所述待标定用户坐标系的y轴方向，为所述待标定用户坐标系的z轴方向。

29、在本技术一实施例中，所述第一齐次变换矩阵的数学表达式为：

30、

31、其中，

32、

33、所述第二齐次变换矩阵的数学表达式为：

34、

35、所述第三齐次变换矩阵的数学表达式为：

36、

37、在本技术一实施例中，所述位姿向量的数学表达式为：(x,y,z,a,b,c)，其中x、y、z表示待标定用户坐标系原点在基坐标系下的坐标值，a、b、c分别表示回转角、俯仰角和偏转角，其中，

38、当nz＝1时：

39、

40、当nz＝-1时：

41、

42、当nz≠±1时：

43、

44、其中，atan2(k,g)是一个双参变量的反正切函数。

45、本技术还提供一种自动、高精度的用户坐标系标定系统，包括：

46、安装模块，用于将多个超声波收发探头安装至机器人底座，构建底座坐标系；并将多个超声波发送探头安装至待标定用户坐标系中；

47、测距模块，用于获取多个超声波收发探头与底座坐标系的原点的第一距离；并获取任意超声波收发探头与任意超声波发送探头之间的第二距离；

48、计算模块，用于基于所述第一距离和所述第二距离，计算所有超声波发送探头在所述底座坐标系中的坐标值，以及基于所有超声波发送探头在所述底座坐标系中的坐标值计算所述待标定用户坐标系的原点在所述底座坐标系中的坐标值；基于所有超声波发送探头在所述底座坐标系中的坐标值以及所述待标定用户坐标系的原点在所述底座坐标系中的坐标值，计算所述待标定用户坐标系的坐标轴方向；基于所述待标定用户坐标系的坐标轴方向确定所述底座坐标系到待标定用户坐标系的第一齐次变换矩阵，并基于所述第一距离计算基坐标系到所述底座坐标系的第二齐次变换矩阵；

49、标定模块，用于基于所述第一齐次变换矩阵和所述第二齐次变换矩阵计算基坐标系到待标定用户坐标系的第三齐次变换矩阵；并将所述第三齐次变换矩阵转换为位姿向量，完成标定。

50、本发明的有益效果是：本发明的一种自动、高精度的用户坐标系标定方法及系统，通过将机器人底座上安装多个超声波收发探头，并在待标定用户坐标中安装超声波发送探头，获取多个超声波收发探头与底座坐标系的原点的第一距离；并获取任意超声波收发探头与任意超声波发送探头之间的第二距离；通过坐标变换关系，获得基坐标系到待标定用户坐标系的齐次变换矩阵，最后根据基坐标系到待标定用户坐标系的齐次变换矩阵获得用户坐标系的标定参数向量。本技术具有标定精确且效率高的优点。