[发明专利]一种基于TCP坐标系下平移运动的旋转矩阵标定方法

说明书

本发明公开了一种基于TCP坐标系下平移运动的旋转矩阵标定方法。该方法首先设置标准球，然后控制机器人携带扫描仪在TCP坐标系下沿TCP坐标系三个轴方向做平移运动，在运动过程中对标准球进行扫描；获取运动中不同位置处标准球的点云数据及球心在描仪坐标系下的坐标；之后分别计算得到球心在TCP坐标系和扫描仪坐标系下的三个正交单位平移向量，然后根据对应的平移向量完成旋转矩阵的标定。本发明采用自动化的标定流程，仅需在TCP坐标系下沿三个坐标轴方向进行三次平移即可完成旋转矩阵的标定，无需设置特征点和标定板等，操作简单，标定效率高，而且避免了装夹误差，标定精度高，适用于机械、汽车等领域复杂零件机器人测量加工一体化。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种TCP坐标系和扫描仪坐标系之间的手眼转换方法，具体涉及一种基于TCP坐标系下平移运动的旋转矩阵标定方法。

背景技术

为了保证大型工件的在线加工，对生产加工中的误差进行实时补偿，用测量系统指导机器人加工，需要对测量系统进行标定，并重点确定TCP坐标系和测量系统之间的手眼转换关系。采用人工标定的方法操作复杂，易产生随机误差，标定效率低且误差大。传统的眼在手上的旋转矩阵标定方法为在机器人基坐标系下通过各种运动形式，利用机器人基坐标系，TCP坐标系和扫描仪坐标系的转换关系，构建三个坐标系之间的转换方程，通过求解转换方程完成标定，标定过程较为复杂，效率较低。申请号为201910767165.4的中国发明专利申请公开了无需标定板的基于3D视觉的手眼标定方法，且通用于眼在手外和眼在手上两种情况。对于眼在手上的情况，需要先设置特征点，然后求取旋转矩阵时要借助基坐标系、扫描仪坐标系与TCP坐标系三个坐标系的转换关系从而得到TCP坐标系相对于扫描仪坐标系的旋转矩阵，该方法在标定旋转矩阵时计算复杂，效率低，而且需要设置特征点。申请号为201810442834.6的中国发明专利申请公开了一种基于标准球的机器人手眼标定方法及装置，求取转换矩阵时需要对TCP点在基座标系中移动n次，得到TCP点在扫描仪坐标系和基坐标系中的三维坐标，通过n对对应点对关系用最小二乘法拟合最优转换矩阵，需要移动多次来提高拟合精度，效率较低，而且为拟合最优矩阵，存在一定的误差。申请号为201910491608.1的中国发明专利申请公开了一种基于球目标的机器人3D视觉手眼标定方法，通过在基坐标系下进行n次平移，m次旋转得到球心在基坐标系和扫描仪坐标系下的n+m组对应数据求解矩阵，公式推导较为复杂，效率比较低。综上所述，传统方法普遍采用在基坐标系下进行n次运动，构建坐标系之间的转换方程，推导方程来求取转换关系的方法，其过程较为复杂，效率不高。本文提出的眼在手上的标定方法在求取旋转矩阵时仅需在TCP坐标系下沿XYZ三个轴负方向各平移一段距离即可直接求取TCP坐标系和扫描仪坐标系的旋转矩阵，无需特征点，简单高效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于TCP坐标系下平移运动的旋转矩阵标定方法，以解决现有技术中，通过基坐标系、TCP坐标系和扫描仪坐标系的转换关系构建转换方程过于复杂，不利于实际生产加工的问题。本发明采用在TCP坐标系下沿XYZ轴平移的运动形式，具有操作简单，自动化程度高的特点，适用于依靠扫描仪在线加工测量的标定。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于TCP坐标系下平移运动的旋转矩阵标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、固定标准球于预设位置，扫描仪固定于机器人末端，调整机器人运动坐标系为TCP坐标系，调整机器人到达初始位置，保证扫描仪可以扫描到标准球；

步骤2、控制机器人携带扫描仪沿TCP坐标系的XYZ轴方向各做一次平移运动，在运动过程中对标准球进行扫描；

步骤3、建立扫运动过程中描仪坐标系下各位置处标准球表面点云采集方法，并对采集的点云用最小二乘法完成球心拟合，获取运动过程中不同位置处标准球的球心在描仪坐标系下的坐标；