一种机器人视觉系统空间位姿导引精度测量装置及方法与流程

本发明涉及机器人导引，具体涉及一种机器人视觉系统空间位姿导引精度测量装置及方法。

背景技术：

1、机器人是航空、航天、国防、机械制造等工业技术领域必需的基础生产设备。机器人系统的集成与运用迈向了智能化方向发展，机器人系统的智能化常体现在机器人末端集成高精度视觉系统。机器人在集成视觉系统后，视觉系统通常会与机器人基座标系、工具坐标系建立相应的位姿矩阵关系，其机器人视觉系统与工具坐标系的标定(俗称“手眼”标定)是机器人依靠视觉系统导引末端工具完成任务的重要步骤，其“手眼”标定精度的高低，决定了视觉系统能否准确完成机器人的空间位姿引导。

2、目前针对机器人视觉系统空间位姿导引精度无相关的检测标准及方法；

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术的不足，目的在于提供一种机器人视觉系统空间位姿导引精度测量装置及方法，以精确测量到机器人视觉系统空间位姿导引精度。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种机器人视觉系统空间位姿导引精度测量装置，包括：

4、设置于多自由度运动平台装置上的标定法兰，所述标定法兰的端面上设置有三个尺寸相同的第一圆柱、第二圆柱和第三圆柱，所述第一圆柱、第二圆柱和第三圆柱呈直角三角形分布，且三个圆柱厚度和靶球的半径相同；

5、设置于机器人法兰末端的磁性靶座工装，所述磁性靶座工装包括有四个用于安装靶球的第一靶座、第二靶座、第三靶座和第四靶座，四个靶座呈矩形分布，且第一靶座和第四靶座沿对角设置，第二靶座和第三靶座沿对角设置。

6、更进一步的方案：

7、本发明还提供了一种机器人视觉系统空间位姿导引精度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

8、s1：在机器人法兰末端安装磁性靶座工装，将靶球吸附在第一靶座上，在激光跟踪测量系统中建立与机器人法兰坐标系重合的坐标系{f}；

9、s2：在第二靶座和第三靶座上分别安装靶球，通过激光跟踪仪按固定顺序分别测量三个靶球的坐标，基于三个靶球的坐标值构建方向向量，以第一靶座中的靶球坐标为坐标系原点，在激光跟踪测量系统中建立坐标系{t}，基于跟踪仪测量系统中坐标系{f}与坐标系{t}的齐次矩阵关系反向解算得出机器人工具坐标系与法兰坐标系的位姿关系，完成机器人末端工具的位姿标定；

10、s3：将激光跟踪的测量坐标系{b}与机器人机座坐标系{base}重合；

11、s4：将标定法兰固定在位置a处，并在坐标系{b}下，将靶球分别紧靠在第一圆柱、第二圆柱和第三圆柱的外圆上移动数个位置，通过激光跟踪仪采集每个位置的点位坐标，分别拟合得到第一圆柱、第二圆柱和第三圆柱的端面圆及圆心；

12、s5：在激光跟踪仪测量系统中，基于第一圆柱、第二圆柱和第三圆柱的端面圆心坐标值构建方向向量，以位于直角端点上第一圆柱的端面圆圆心点为坐标系原点，建立坐标系{w},基于跟踪仪测量系统中坐标系{b}与坐标系{w}的齐次矩阵关系解算得到标定法兰在机器人机座坐标系{base}下的位姿值，该位姿值即为机器人视觉系统导引的理论值；

13、s6：机器人视觉系统对位置a处的标定法兰的第一圆柱、第二圆柱和第三圆柱的端面圆特征进行识别，在视觉系统中利用识别到的3个端面圆心点建立与跟踪仪测量系统的坐标系{w}位姿一致的视觉系统的坐标系{s}；

14、s7：随后将标定法兰移至位置c处，机器人视觉系统导引机器人工具末端的三个靶球移动至第一圆柱、第二圆柱和第三圆柱的相应位置处，通过激光跟踪仪测量此时三个靶球的坐标，利用此时3个靶球的位置点坐标建立坐标系{w1}，基于激光跟踪测量系统中的坐标系{w1}与坐标系{b}的齐次矩阵关系通过解算得出坐标系{w1}与坐标系{b}的位姿值，该位姿值即为机器人视觉系统导引的实测值，将标定法兰再次移至固定位置a处；

15、s8：根据机器人视觉系统导引前的理论值和机器人视觉系统导引后的实测值，得到机器人视觉系统空间位姿导引精度。

16、更进一步的方案，所述步骤s1中，将靶球吸附在第一靶座上，在激光跟踪测量系统中建立与机器人法兰坐标系重合的坐标系{f}的具体步骤为：

17、s11：将靶球吸附在第一靶座上，示教记录机器人位姿p1；机器人以默认法兰坐标系原点分别绕法兰坐标系xf、yf、zf轴进行等角度的姿态变换，激光跟踪仪在机器人各姿态的位置采集靶球的空间坐标点，将绕法兰坐标系的xf、yf、zf轴旋转测量的所有空间点拟合得到空间球，并拟合出绕rx、ry、rz旋转的圆及其平面，构建绕rx、ry、rz旋转的圆及其平面的法矢向量求解其中任意两个法矢向量间的夹角；

18、s12：机器人回到p1位姿处，以三个向量间最接近90°的两个法矢向量为基准轴，以球心为原点利用右手定则建立坐标系{f}；此时基于激光跟踪的坐标系{f}与机器人法兰坐标系精准重合。

19、更进一步的方案，所述步骤s11中，在求解其中任意两个法矢向量间的夹角时，若θxy、θyz、θxz有任意一个夹角在90°±0.03°范围内，则停止步骤s11，若三个夹角均不在90°±0.03°范围内，则重复步骤s11。

20、更进一步的方案，所述步骤s2还包括以下具体步骤：

21、在第二靶座和第三靶座上分别安装靶球，通过激光跟踪仪按固定顺序分别测量三个靶球的坐标，测量的第一靶座中的靶球坐标为b1(xb1,yb1,zb1)，第二靶座中的靶球坐标为b2(xb2,yb2,zb2)，第三靶座中的靶球坐标为b3(xb3,yb3,zb3)；

22、以第一靶座中的靶球坐标b1(xb1,yb1,zb1)为原点，以为xt正方向，叉乘为坐标系zt的正方向，按照右手定则确定坐标系yt的正方向，从而建立机器人的工具坐标系{t}，通过跟踪仪测量系统中坐标系{f}与坐标系{t}的齐次矩阵关系可反向解算得出机器人工具坐标系{t}与法兰坐标系的位姿关系(x,y,z,a,b,c)，将解算得到的位姿关系导入机器人控制器内，完成机器人末端工具的位姿标定。

23、更进一步的方案，所述步骤s3还包括以下具体步骤：

24、s31：机器人在其能到达最大运动空间内，控制机器人末端第一靶座中的靶球在空间内移动m个位置，m＞4，且m个点位不在同一平面内，并记录机器人示教器上m个位置的坐标值(xr1，yr1，zr1)、(xr2，yr2，zr2)....(xrm，yrm，zrm)，激光跟踪仪对m个位置机器人末端的靶球坐标值进行采集(xv1，yv1，zv1)、(xv2，yv2，zv2)....(xvm，yvm，zvm)；

25、s32：有了同一个靶球球心在机器人基坐标系下的坐标值，和激光跟踪仪测量坐标系下的坐标值，可求解激光跟踪仪测量坐标系与机器人基坐标系间的位姿关系，基于两坐标系的位姿关系，将激光跟踪的测量坐标系{b}与机器人机座坐标系{base}重合。

26、更进一步的方案，所述步骤s5还包括以下具体步骤：

27、s51：激光跟踪仪测量系统中以三个圆柱端面圆心坐标点，其中第一圆柱、第二圆柱和第三圆柱的端面圆圆心坐标分别为fl2(xl2，yl2，zl2)、fl3(xl3，yl3，zl3)、fl4(xl4，yl4，zl4)；分别构建方向向量叉乘构建法矢向量，以第一圆柱端面圆心点作为坐标系原点，在标定法兰上利用右手定则建立标定坐标系{w}；

28、s52：在跟踪仪测量系统中，同时有了与机器人机座坐标系{base}重合的坐标系{b}，以及标定法兰坐标系{w},即可通过激光跟踪仪测量系统中两者的齐次矩阵关系解算出标定法兰在机器人机座坐标系下的位姿值，该位姿值即为机器人视觉系统导引的理论值(xc，yc，zc，ac，bc，cc)。

29、更进一步的方案，所述步骤s7中，在得到第一个机器人视觉系统导引后实际空间位姿值后，还包括以下步骤：

30、重复步骤s6-步骤s7共n(n≥10)次，通过机器人视觉系统的n次识别并导引其末端工具靶球至标定法兰的位置a处，跟踪仪也对机器人工具末端靶球实际位姿进行n次测量，即可测量并计算得到机器人视觉系统n次导引的位姿结果(xi，yi，zi，ai，bi，ci)其中i＝1、2、3.....n。

31、更进一步的方案，所述机器人视觉系统空间位姿导引精度包括机器人视觉系统空间位姿导引位置准确度、姿态准确度、位置重复性和姿态重复性。

32、更进一步的方案，机器人视觉系统n次导引的位置准确度app的计算公式为：

33、

34、其中

35、

36、姿态准确度

37、其中

38、

39、位置重复性

40、其中

41、

42、姿态重复性

43、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

44、本发明提供的一种机器人视觉系统空间位姿导引精度测量装置及方法，基于标定法兰端面上三个等直径等厚度的圆柱，其激光跟踪仪、视觉系统均较为便捷的测量拟合、识别到标定法兰三个等直径圆柱端面圆的特征圆心。完成基于三个靶球的机器人工具标定，并将激光跟踪仪的测量坐标系{b}与机器人机座坐标系重合{base}；在坐标系{b}下测量标定法兰的位姿，即有了标定法兰相对于机器人的理论位姿值；视觉系统对标定法兰进行识别，随后视觉系统导引机器人末端工具至标定法兰的相应位姿处，激光跟踪仪测量视觉系统导引后的机器人末端靶球工具的实际位姿；其在激光跟踪测量系统中，同时有了导引前的标定法兰相对于机器人机座坐标系的理论位姿，和视觉系统导引后机器人的末端工具到达标定法兰处的实到位姿，即可得出理论位姿与实到位姿的位置与姿态偏差；通过机器人视觉系统多次识别、导引，激光跟踪仪对其进行测量，便得到了机器人视觉系统空间位姿导引精度的位置准确度偏差、位置重复性偏差、姿态准确度偏差、姿态重复性偏差。