[发明专利]一种机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法

权利要求书

1.一种机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立机器人运动和扫描仪扫描协同标定工作流程：在机器人坐标系中选取至少四个异面tool0位置，机器人的末端夹持有标准球，上位机控制机器人执行运动程序和扫描仪执行扫描程序，使处于任一tool0位置的标准球以至少四种不同的姿态被扫描仪扫描，机器人运动和扫描仪扫描获取的点轨迹信息返回给上位机；

S2、建立扫描仪扫描点数据：按照点数据处理方法，上位机对标准球面点云提取，计算得到扫描仪坐标系中所有标准球的球心坐标，再据此计算得到拟合球心坐标；

S3、通过坐标变换关系，建立扫描仪坐标系与机器人坐标系的转换矩阵，由步骤S1中机器人坐标系中的tool0位置和步骤S2中的拟合球心坐标，计算得到转换矩阵，从而实现扫描仪坐标系的自动标定。

2.根据权利要求1所述的机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，其特征在于，步骤S1中，四个异面tool0位置分别记为a点、b点、c点、d点，机器人夹持标准球使其在扫描仪视野范围内依次沿机器人坐标系y轴a到b、z轴b到c、x轴c到d做线性运动，机器人每到一次线性运动的终点就返回机器人坐标系下的tool0位置，并在每一次线性运动终点以tool0为TCP点做重定位运动。

3.根据权利要求2所述的机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，其特征在于，步骤S1中，a点与b点、b点与c点、c点与d点之间距离均为100mm。

4.根据权利要求2所述的机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，其特征在于，步骤S1中，四种不同的姿态分别记为姿态A、姿态B、姿态C、姿态D，姿态A为用户给定，姿态B、姿态C、姿态D通过固定旋转角度生成，且均匀分布在姿态A周围。

5.根据权利要求4所述的机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，其特征在于，步骤S2包括：

S201、标准球面点云提取：对于含有夹具环境的扫描点云，采用截面法对标准球点云进行提取，具体为采用x＝x_min和x＝x_min+d两截平面对点云进行截取，其中x_min为点云横坐标最小值，0<d<R_b，R_b为标准球半径；

S202、标准球心计算：对扫描点云提取标准球球面点云，根据获取球面点云位置信息，采用最小二乘法进行球拟合计算标准球心坐标(x₀,y₀,z₀)，其表达式如下：

e_i(x₀,y₀,z₀,R)＝(x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²+(z_i-z₀)²-R² (1)

其中，(x_i,y_i,z_i)为标准球面点云坐标，R为拟合标准球半径，公式(2)满足

求解公式(3)，即求得标准球心坐标(x₀,y₀,z₀)；

S203、拟合球心计算：设拟合球心的坐标为(x,y,z)，半径为r，分别得到A、B、C、D四种不同姿态下的标准球心Q1(x₀₁,y₀₁,z₀₁)，Q2(x₀₂,y₀₂,z₀₂)，Q3(x₀₃,y₀₃,z₀₃)和Q4(x₀₄,y₀₄,z₀₄)，并满足下式：

通过公式(4)解出(x,y,z)，即获取拟合球心的坐标，同时也是扫描仪坐标系下tool0坐标值(x^s,y^s,z^s)，由此计算得到a、b、c、d四个拟合球心坐标分别为

6.根据权利要求5所述的机器人测量-加工系统扫描仪坐标系自动标定方法，其特征在于，步骤S3包括：

S301、根据扫描仪坐标系下tool0点拟合的球心坐标

根据机器人返回的在扫描点的四个异面tool0位置信息记为

S302、设扫描仪坐标系转换到机器人坐标系的旋转矩阵为T_r、平移矩阵为T_m，因此对a、b、c、d四点满足下式：

解公式(5)得旋转矩阵为

设平移矩阵T_m＝(x_m y_m z_m)，对于扫描仪坐标系中任一点(x^s,y^s,z^s)，转换到机器人坐标系中(x^r,y^r,z^r)均有下式成立：

代入a、b、c、d之间任一点坐标即求得平移矩阵T_m。