技术领域
[0001] 本实用新型属于智能工业机器人技术领域，具体涉及一种携带球形合作目标的工业机器人位姿在线标定装置。
相关背景技术
[0002] 工业生产领域，将立体相机固定安装，基于立体相机测量数据，引导工业机器人生产作业的场景非常多。立体相机测量获得的是自身坐标系下的测量数据，必须将其高精度地转换为工业机器人末端机械手或其它工艺执行单元需要的工业机器人坐标系下的数据，智能工业机器人在使用前，需要标定工业机器人与立体相机的安装位姿，求解坐标转换矩阵。
[0003] 行业内目前绝大多数采用的是传统的2D工业相机与工业机器人坐标转换矩阵的标定方法，即将作业机械手拆下，在工业机器人末端安装棋盘格等合作目标，存在的标定步骤多，耗时长，精度低，自动化困难，精度低，无法在使用过程中在线校验或标定面结构光立体相机与工业机器人的坐标转换矩阵。
[0004] 行业内也有采用立体合作目标进行标定的方案，提前已知立体合作目标与机械臂法兰的结构尺度，同样存在需要将作业机械手拆下，离线标定完成，再进行使用的问题。该种标定方法对立体合作目标的加工要求高，成本高，准备周期长，并且为了准确评价立体合作目标的点云数据质量，标定算法复杂，易出错，在线自动化算法有难度。实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种携带球形合作目标的工业机器人位姿在线标定装置，标定过程简单、高效、高精度，无需拆卸机械手，可自动化实现，在智能机器人作业过程中，也能在线校验或标定工业机器人与立体相机位姿坐标转换矩阵。
[0006] 为了实现上述目的，本实用新型有如下的技术方案：
[0007] 一种携带球形合作目标的工业机器人位姿在线标定装置，包括固定在工业机器人末端的作业机械手上的球形合作目标，工业机器人的旁侧通过立体相机安装支架支撑安装立体相机，球形合作目标具有球面的局部轮廓特征，工业机器人保持标定位置坐标不变带动球形合作目标运动至多个标定姿态，立体相机采集球形合作目标的图像，根据工业机器人在各标定姿态下球形合作目标的位姿变化，获得立体相机与工业机器人的位姿转换信息。
[0008] 作为本实用新型标定装置的一种优选方案，所述球形合作目标由数量为一个或多个球体组成，球体均处在立体相机视场范围内。
[0009] 作为本实用新型标定装置的一种优选方案，所述球形合作目标的多个球体为分立的球体。
[0010] 作为本实用新型标定装置的一种优选方案，所述的球形合作目标采用兵乒球制作而成。
[0011] 作为本实用新型标定装置的一种优选方案，所述球形合作目标根据立体相机的视场范围，采用胶粘固定在作业机械手上。
[0012] 作为本实用新型标定装置的一种优选方案，所述工业机器人与立体相机安装支架固定在同一个水平台面上。
[0013] 作为本实用新型标定装置的一种优选方案，所述工业机器人采用AUBO六轴工业机器人。
[0014] 作为本实用新型标定装置的一种优选方案，所述立体相机采用ZIVID立体相机。
[0015] 相较于现有技术，本实用新型有如下的技术方案：
[0016] 采用固定在工业机器人末端的作业机械手上的球形合作目标进行标定，球形合作目标易获取、成本低、平稳放置简单，使用非常灵活。在工业机器人的旁侧通过立体相机安装支架支撑安装立体相机，球形合作目标具有球面的局部轮廓特征，使球形合作目标置于立体相机视场范围内，工业机器人保持标定位置坐标不变，通过带动球形合作目标运动至多个标定姿态，立体相机采集球形合作目标的图像，根据工业机器人在各标定姿态下球形合作目标的位姿变化，获得立体相机与工业机器人的位姿转换信息。本实用新型采用球形合作目标进行标定，立体相机采集球形合作目标球面的局部轮廓特征，能够适应环境光变化引起的图像采集质量不一致问题，在实现在线自动化标定的同时，具有较高的标定精度。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。
[0020] 参见图1，本实用新型携带球形合作目标的工业机器人位姿在线标定装置，结构包括固定在工业机器人1末端的作业机械手5上的球形合作目标3，工业机器人1的旁侧通过立体相机安装支架4支撑安装立体相机2，立体相机2及立体相机安装支架4根据生产作业进行布局设计。球形合作目标3具有球面的局部轮廓特征，工业机器人1保持标定位置坐标不变，带动球形合作目标3运动至多个标定姿态，立体相机2采集球形合作目标3的图像，根据工业机器人1在各标定姿态下球形合作目标3的位姿变化，获得立体相机2与工业机器人1的位姿转换信息。在本实施例中，球形合作目标3由数量为一个或多个球体组成，球体均处在立体相机视场范围内。更进一步的，球形合作目标3若由多个球体组成，则多个球体为分立的球体。球形合作目标3采用易获取、成本极低的兵乒球制作而成。球形合作目标3根据立体相机2的视场范围，采用胶粘固定在作业机械手5上，对绝对位置和姿态没有任何要求。
[0021] 基于本实用新型的工业机器人位姿在线标定方法，步骤如下：
[0022] 步骤1，将球形合作目标3平稳固定于工业机器人作业机械手上。
[0023] 球形合作目标3平稳固定，包括如下步骤：
[0024] 1a)选择不少于一个球体的球形合作目标3平稳固定；
[0025] 1b)各标定位姿下，有不少于一个球体的球形合作目标3在立体相机视场范围内。
[0026] 步骤2，控制工业机器人1保持标定位置坐标不变，运动至多个标定姿态，立体相机2采集包含球形合作目标3的点云。
[0027] 工业机器人1运动至多个标定姿态，包括如下步骤：
[0028] 2a)工业机器人1标定位置的坐标不变；
[0029] 2b)选择不少于三个标定姿态；
[0030] 2c)工业机器人1带动球形合作目标3运动至各个标定位姿，立体相机2可以采集到球形合作目标3的局部轮廓。
[0031] 步骤3，对各个标定位姿采集的点云进行球形合作目标3轮廓点云识别、分割，计算球形合作目标3的球心坐标。
[0032] 对各个标定位姿采集的点云处理，包括如下步骤：
[0033] 3a)识别各个标定位姿下球形合作目标3的轮廓点云；
[0034] 3b)从包含背景点云数据、球形合作目标3轮廓点云的点云集中分割高质量球形合作目标3的轮廓点云；
[0035] 3c)拟合计算分割后的轮廓点云的球心坐标Pn＝[xn,yn,zn,1]，n＝1,2,……，N，N为标定位姿数量。
[0036] 步骤4，读取各个标定姿态下，工业机器人1的位姿信息，计算旋转矩阵；读取各个标定位姿下，球形合作目标3的球心坐标，计算球心在法兰坐标系下的坐标。
[0037] 读取各个标定位姿下，工业机器人1的位姿信息的方法，步骤如下：
[0038] 4a)读取工业机器人1各个标定位姿的参数。
[0039] 4b)工业机器人1各个标定位姿的参数根据工业机器人厂家的坐标系定义进行计算。在此，设定位姿参数对应的姿态矩阵为Rrn，平移矩阵为Tr，其中r表示工业机器人。
[0040] 步骤5，结合球心在法兰坐标系下的坐标，工业机器人1的位姿信息，计算各个标定位姿球心在工业机器人基坐标系下的坐标。
[0041] 计算各个标定位姿球心在工业机器人基坐标系下的坐标的方法，步骤如下：
[0042] 5a)工业机器人1的姿态矩阵为Rrn，平移矩阵为Tr，位姿矩阵为[Rrn,Tr]；
[0043] 5b)球心坐标为[a,b,c,1]，则球心点在工业机器人基坐标系下的坐标Pbn，计算公式为：
[0044] Pbn＝[Rrn,Tr]*[a,b,c,1]T；
[0045] 步骤6，计算工业机器人与立体相机的位姿转换矩阵。
[0046] 计算工业机器人1与立体相机2的位姿转换矩阵的方法，步骤如下：
[0047] 6a)球心坐标Pn组成矩阵A；
[0048] 6b)球心点在工业机器人基坐标系下的坐标Pbn组成矩阵B；
[0049] 6c)根据矩阵A、矩阵B，计算工业机器人1与立体相机2的位姿转换矩阵[Rrc，Trc]。
[0050] 下面通过一个具体实施例来进一步说明本实用新型的应用。
[0051] 如图1所示，选择易获取、成本极低的一个乒乓球作为球形合作目标3，根据立体相机2的视场范围，用胶灵活、柔性地粘于工业机器人1的作业机械手5上；
[0052] 工业机器人1为AUBO品牌的6轴工业机器人，立体相机2为Zivid品牌。
[0053] 控制工业机器人1运动，乒乓球在立体相机视场范围内。
[0054] 下发标定指令，工业机器人1带动球形合作目标3运动11个标定位姿。
[0055] 位姿参数如表1所示：
[0056] 表1工业机器人位姿参数
[0057]
[0058]
[0059] 球心计算结果如表2所示：
[0060] 表2球心坐标
[0061]位姿编号 X Y Z
P1 49.9093 36.6479 920.512
P2 64.0469 62.6967 909.467
P3 81.0038 85.0552 923.0029
P4 139.8044 106.7536 919.0145
P5 74.8415 80.1265 940.0174
P6 78.2642 79.934 956.5918
P7 101.3577 83.558 982.9337
P8 45.481 7.4996 923.2002
P9 54.2592 ‑24.7679 911.3011
P10 68.3087 72.235 918.7815
P11 109.479 81.7052 875.2049
[0062] 计算得到球心点在工业机器人基坐标系下的坐标Pbn为[32.7476448148631,51.0156007178992,76.3862275573781]；
[0063] 利用Rrc＝B×A‑1及Trc＝[Rrc*Trn1n2‑Tcn1n2]*[Rcn1n2‑I]‑1计算得到工业机器人1与立体相机2的位姿转换信息[Rrc，Trc]为：
[0064]
[0065] 综上所述，本实用新型携带球形合作目标的工业机器人位姿在线标定装置能够解决现有技术中需要结构尺度已知、专用的标定合作目标，以及只能离线标定、操作过程复杂、耗时长、成本高、精度低，难以在使用过程中在线校验或标定工业机器人与立体相机位姿的问题。
[0066] 本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。
