[发明专利]一种激光测距传感器标定方法

摘要

本发明公开了一种激光测距传感器标定方法，属于机器人标定领域。该方法使用的装置包括激光跟踪仪、工业机械臂、法兰盘、制孔末端执行器、标定杆、平面标定板和安装架，其中制孔末端执行器主要包括进给模块、电主轴、电主轴安装座、大靶球座、小靶球座、压紧头和四个激光测距传感器等。该方法首先标定出激光束与电主轴进给方向的夹角；然后借助激光跟踪仪建立工具坐标系和工件坐标系，将制孔末端执行器移至平面标定板前方并进行多次转动，根据几何关系计算各激光点在不同状态坐标系下的坐标，然后将所有点的坐标转换到同一坐标系下，拟合出激光束的空间方程。本发明能够标定出激光测距传感器的发射点位置和激光束矢向，可使法线检测结果更加准确。

主权项

一种激光测距传感器标定方法，其特征在于：本发明方法所使用的装置包括激光跟踪仪、工业机械臂、法兰盘、制孔末端执行器、标定杆、平面标定板和安装架，其中制孔末端执行器主要包括进给模块、电主轴、电主轴安装座、大靶球座、小靶球座、压紧头和四个激光测距传感器等。法兰盘用于连接工业机械臂和制孔末端执行器。标定杆采用阶梯轴方式，一端可以连接到电主轴上，另一端可以垂直连接平面标定板。平面标定板中心有一个用于安装标定杆的孔，四个角分别有一个用于放置激光跟踪仪靶球的靶球座孔和用于固定在安装架上的安装固定孔。电主轴安装座连接进给模块和电主轴，进给模块能够带动电主轴进行直线运动，电主轴安装座上有一个固定的大靶球座。四个激光测距传感器均布斜置安装在压紧头上，移动工业机械臂将制孔末端执行器移动至平面标定板前方，四个激光束以一定的角度射向平面标定板，激光点打在平面标定板表面，四个激光测距传感器均有一个距离返回值。由于激光测距传感器通过激光测距，需要接收返回的激光束信息，所以平面标定板表面需具备较强的反射能力，不能是黑色材料，因此平面标定板材料选用铝合金。激光跟踪仪内部的坐标系为世界坐标系。通过上述连接，构成了激光测距传感器标定的硬件平台。激光测距传感器标定的方法包括如下顺序步骤：步骤1：将标定杆的一端安装在电主轴上，将平面标定板安装在标定杆的伸出端，将小靶球座安装在伸出端的端面位置，将跟激光跟踪仪连接好的靶球固定在靶球座上；步骤2：进给模块带动电主轴移动到一个合适的位置，用激光跟踪仪测量靶球在世界坐标系下的坐标，多次转动平面标定板，分别记录下平面标定板在不同角度下四个激光测距传感器的读数，多次移动电主轴，重复该步骤；步骤3：根据步骤2得到的靶球位置坐标以及激光测距传感器的读数，计算出各激光束矢向与电主轴移动方向的夹角角度；步骤4：将平面标定板取下，移动电主轴位置，在标定杆伸出端安装一个大靶球座，保证靶球座底面与压紧头压紧平面紧密贴合；步骤5：借助激光跟踪仪进行TCP标定，建立工具坐标系，然后取下安装在电主轴上的标定杆以及靶球、靶球座；步骤6：将平面标定板固定在安装架上，借助激光跟踪仪测得平面标定板上四个靶球座安装孔的坐标，拟合出工件平面；步骤7：将制孔末端执行器通过工业机械臂移至平面标定板前方一定距离处，将大靶球放置于固定在电主轴安装座的大靶球座，多次移动电主轴，在世界坐标系下测得各个位置靶球的坐标，根据测得的点的坐标拟合出一条直线，即为电主轴进给方向，计算出电主轴进给方向与工件平面的夹角，工业机械臂带动制孔末端执行器以TCP点为中心依次绕工具坐标系的X轴、Y轴转动相应的角度，重复该步骤直到电主轴进给方向与工件平面垂直；步骤8：建立与工具坐标系平行的工件坐标系；步骤9：当前位置记为状态1，借助激光跟踪仪测得电主轴进给为0时靶球在世界坐标系下的坐标，记录四个激光测距传感器数据；步骤10：工业机械臂带动制孔末端执行器以TCP点为中心绕工具坐标系的X轴转动一定的角度，记录四个激光测距传感器数据，多次移动电主轴，根据步骤7的方法，拟合出电主轴进给方向，然后计算出电主轴进给方向与工件坐标系的Z轴的夹角；步骤11：根据步骤10，多次调整制孔末端执行器绕工具坐标系的X轴转动的角度，记录四个激光测距传感器数据，并且计算出电主轴进给方向与工件坐标系的Z轴的夹角；步骤12：工业机械臂带动制孔末端执行器恢复到状态1，然后带动其以TCP点为中心绕工具坐标系的Y轴转动一定的角度，记录四个激光测距传感器数据，并且按照步骤10的方法计算出电主轴进给方向与工件坐标系的Z轴的夹角；步骤13：根据步骤12，多次调整制孔末端执行器绕工具坐标系的Y轴转动的角度，记录四个激光测距传感器数据，并且计算出电主轴进给方向与工件坐标系的Z轴的夹角；步骤14：根据步骤9～13得到的数据以及几何关系计算出状态1下四个激光点之间的相对位置关系，以其中一个激光测距传感器的激光点为原点建立平行于工具坐标系的状态坐标系1，得到各个激光点的坐标；步骤15：多次调整制孔末端执行器与平面标定板之间的距离，根据步骤9，分别记为状态j(j＝2,3,4,……,q)，重复步骤9～14，得到坐标系j下各个激光点的坐标；步骤16：根据各状态之间的相对位置关系，计算出各状态下各坐标系之间的转换关系，将所有点的坐标均转换到同一坐标系下，根据每个激光测距传感器得到的q个激光点均可以拟合出一条射线，即标定出了四个激光测距传感器的发射点位置和激光束矢向。该激光测距传感器标定方法具有如下技术效果：1)本发明借助于激光跟踪仪，可以精确地测量各点的位置，准确地获得工具坐标系和工件坐标系，方便准确地得到线与面之间的夹角；2)本发明标定过程采用多次测量的方法，使标定结果更加准确；3)本发明标定出的激光测距传感器的发射点位置和激光束矢向应用于制孔过程法线检测，可准确地找到工件表面制孔点的法向量；本发明提出的标定方法不局限于制孔法向检测，可应用于其他需要标定光束发射点位置和矢向的情况，光束个数为2个及以上。