一种二维线激光传感器标定方法

摘要

本发明提供一种二维线激光传感器标定装置及方法，其中装置包括标准块基座、标准块和标准块凸台；标准块基座固定连接于工作台平面上；标准块位于标准块基座的顶部；标准块凸台固定连接于标准块的上表面；标准块和标准块凸台均轴连接标准块基座；标准块基座的侧面并排设置有多个角度调整螺栓；多个角度调整螺栓的端部均抵接标准块的侧面，以在平行于标准块基座上表面的平面内调整标准块的角度；标准块凸台远离角度调整螺栓的侧面平行于标准块远离角度调整螺栓的侧面；标准块通过多个定位螺栓固定连接标准块基座。本发明采用先消除角度误差后进行位置标定的方法，提高标定精度，保证传感器在工作过程中采集信息的准确性。

权利要求

1.一种二维线激光传感器标定方法，其特征在于，所述标定方法应用于二维线激光传感器标定装置，所述二维线激光传感器标定装置包括标准块基座(1)、标准块(2)和标准块凸台(3)；所述标准块基座(1)固定连接于工作台平面上；所述标准块(2)位于所述标准块基座(1)的顶部；所述标准块凸台(3)固定连接于所述标准块(2)的上表面；所述标准块(2)和标准块凸台(3)均轴连接所述标准块基座(1)；所述标准块基座(1)的侧面并排设置有多个角度调整螺栓(11)；多个所述角度调整螺栓(11)的端部均抵接所述标准块(2)的侧面，以在平行于所述标准块基座(1)上表面的平面内调整所述标准块(2)的角度；所述标准块凸台(3)远离所述角度调整螺栓(11)的侧面平行于所述标准块(2)远离所述角度调整螺栓(11)的侧面；所述标准块(2)通过多个定位螺栓(21)固定连接所述标准块基座(1)；

所述标定方法包括：

调整标定块基座，以使标定块基座上表面与机器人基座标系的XOY面平行；

调整多个角度调整螺栓并拧紧多个定位螺栓，以使标准块凸台远离角度调整螺栓的侧面平行于机器人基坐标系的YOZ面；

利用分中棒分别碰触标准块凸台垂直于标准块基座上表面的四个侧面，分别得到机器人工具中心点在机器人基座标系下的四个点坐标A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)和D(x4，y4，z4)；

标准块凸台上表面远离角度调整螺栓的边为标定边，计算标定边的两个端点坐标分别为 和更换带有传感器的末端执行器，移动机器人使传感器激光束边缘处于标定边中心处，得到机器人工具中心点坐标M1(x5，y5，z5)，标定边在传感器坐标系中的坐标L1(x6，z6)；

在机器人坐标系中，沿垂直于标定边的坐标轴方向移动机器人至标定边处于光束另一端，读取机器人工具中心点坐标M2(x7，y7，z7)与传感器坐标系下的边界位置坐标L2(x8，z8)；

根据以下公式计算传感器偏转角：

调整末端执行器消除传感器偏转角θ，移动机器人末端工具中心点沿EF方向扫描标定边，传感器读数第一次发生突变时的机器人工具中心点坐标为(x9，y9，z9)，第二次突变时的机器人工具中心点坐标为(x10，y10，z10)，在移动过程中，间断采点取其平均值xpi，i＝1，2，3，

4，5；

根据以下公式计算传感器位置偏差：

2.根据权利要求1所述的二维线激光传感器标定方法，其特征在于，分中棒碰触垂直于标定边的两个侧面的位置靠近所述标定边。

3.根据权利要求1所述的二维线激光传感器标定方法，其特征在于，先进行激光线安装误差的角度标定，消除角度误差后再进行位置标定。

4.根据权利要求1所述的二维线激光传感器标定方法，其特征在于，所述角度调整螺栓(11)上螺接有锁紧螺母(111)。

5.根据权利要求1所述的二维线激光传感器标定方法，其特征在于，所述标准块凸台(3)为矩形柱结构，上表面为40×40mm的正方形。

6.根据权利要求1所述的二维线激光传感器标定方法，其特征在于，所述标准块凸台(3)的上表面经过发黑处理。

说明书

一种二维线激光传感器标定方法

技术领域

[0001] 本发明属于传感器标定技术领域，尤其涉及一种二维线激光传感器标定方法。

背景技术

[0002] 随着工业生产检测技术的发展，二维线激光传感器以其对表面特征的高精度测量性能，被广泛应用于机器人轨迹在线补偿、精度检测等领域。但在安装过程中由于连接件和机器人法兰盘的制造误差，传感器实际测量中心相较于理想位置存在一定偏差，从而最终引起了测量误差的产生。如何通过标定获取传感器安装偏移量，对采集数据进行修正以保证传感器检测精度，成为了加工过程中的一个关键问题。

[0003] 二维线激光传感器标定主要包括坐标偏移量及偏转角度两个方面，传统的标定方法及装置多数只能进行坐标偏移量的标定且步骤复杂，未能有效消除角度引起的误差。因此，针对上述技术缺点，有必要设计一种操作简单且能检测出传感器在安装平面内位移及角度误差的标定装置。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术中的不足，提供一种二维线激光传感器标定方法。

[0005] 第一方面，本发明提供一种二维线激光传感器标定装置，包括标准块基座、标准块和标准块凸台；所述标准块基座固定连接于工作台平面上；所述标准块位于所述标准块基座的顶部；所述标准块凸台固定连接于所述标准块的上表面；所述标准块和标准块凸台均轴连接所述标准块基座；所述标准块基座的侧面并排设置有多个角度调整螺栓；多个所述角度调整螺栓的端部均抵接所述标准块的侧面，以在平行于所述标准块基座上表面的平面内调整所述标准块的角度；所述标准块凸台远离所述角度调整螺栓的侧面平行于所述标准块远离所述角度调整螺栓的侧面；所述标准块通过多个定位螺栓固定连接所述标准块基座。

[0006] 进一步地，所述角度调整螺栓上螺接有锁紧螺母。

[0007] 进一步地，所述标准块凸台为矩形柱结构，上表面为40×40mm的正方形。

[0008] 进一步地，标准块凸台的上表面经过发黑处理。

[0009] 第二方面，本发明提供一种二维线激光传感器标定方法，所述标定方法应用于第一方面所述的二维线激光传感器标定装置，所述标定方法包括：

[0010] 调整标定块基座，以使标定块基座上表面与机器人基座标系的XOY面平行；

[0011] 调整多个角度调整螺栓并拧紧多个定位螺栓，以使标准块凸台远离角度调整螺栓的侧面平行于机器人基坐标系的YOZ面；

[0012] 利用分中棒分别碰触标准块凸台垂直于标准块基座上表面的四个侧面，分别得到机器人工具中心点在机器人基座标系下的四个点坐标A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)和D(x4，y4，z4)；

[0013] 标准块凸台上表面远离角度调整螺栓的边为标定边，计算标定边的两个端点坐标分别为 和

[0014] 更换带有传感器的末端执行器，移动机器人使传感器激光束边缘处于标定边中心处，得到机器人工具中心点坐标M1(x5，y5，z5)，标定边在传感器坐标系中的坐标L1(x6，z6)；

[0015] 在机器人坐标系中，沿垂直于标定边的坐标轴方向移动机器人至标定边处于光束另一端，读取机器人工具中心点坐标M2(x7，y7，z7)与传感器坐标系下的边界位置坐标L2(x8，z8)；

[0016] 根据以下公式计算传感器偏转角：

[0017]

[0018] 调整末端执行器消除传感器偏转角θ，移动机器人末端工具中心点沿EF方向扫描标定边，传感器读数第一次发生突变时的机器人工具中心点坐标为(x9，y9，z9)，第二次突变时的机器人工具中心点坐标为(x10，y10，z10)，在移动过程中，间断采点取其平均值xpi，i＝1，2，3，4，5；

[0019] 根据以下公式计算传感器位置偏差：

[0020]

[0021] 进一步地，分中棒碰触垂直于标定边的两个侧面的位置靠近所述标定边。

[0022] 进一步地，先进行激光线安装误差的角度标定，消除角度误差后再进行位置标定。

[0023] 本发明提供一种二维线激光传感器标定方法，其中方法采用先消除角度误差后进行位置标定的方法，提高标定精度，保证传感器在工作过程中采集信息的准确性。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0025] 图1为本发明实施例提供的一种二维线激光传感器标定装置的结构示意图；

[0026] 图2为本发明实施例提供的分中棒标定位置示意图；

[0027] 图3为本发明实施例提供的角度标定原理示意图；

[0028] 图4为本发明实施例提供的二维线激光传感器应用场景图。

[0029] 其中，1、标准块基座，11、角度调整螺栓，111，锁紧螺母；2、标准块，定位螺栓；3、准块凸台；4、螺纹销。

具体实施方式

[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0031] 如背景技术所述，如图4所示，二维线激光传感器安装过程中由于连接件和机器人法兰盘的制造误差，传感器实际测量中心相较于理想位置存在一定偏差，从而最终引起了测量误差的产生。二维线激光传感器标定主要包括坐标偏移量及偏转角度两个方面，然而传统的标定方法及装置多数只能进行坐标偏移量的标定且步骤复杂，未能有效消除角度引起的误差。

[0032] 因此为了解决上述问题，如图1所示，本发明实施例提供一种二维线激光传感器标定装置，包括标准块基座1、标准块2和标准块凸台3；标准块基座1固定连接于工作台平面上；标准块2位于标准块基座1的顶部；标准块凸台3固定连接于标准块2的上表面；标准块2和标准块凸台3均轴连接标准块基座1；

[0033] 可选地，标准块基座1上表面设置有多个沉头孔，螺栓穿入沉头孔将标准块基座1固定在工作台平面上；标准块基座1中部设置有螺纹孔，螺纹孔内螺接有螺纹销4，标准块2和标准块凸台3中部设置有通孔，通孔采用间隙配合的方式套接在螺纹销4上，使得标准块2和标准块凸台3绕螺纹销4转动；

[0034] 标准块基座1的侧面并排设置有多个角度调整螺栓11；多个角度调整螺栓11的端部均抵接标准块2的侧面，以在平行于标准块基座1上表面的平面内调整标准块2的角度；标准块凸台3远离角度调整螺栓11的侧面平行于标准块2远离角度调整螺栓11的侧面；标准块2通过多个定位螺栓21固定连接标准块基座1；调整角度调整螺栓11，以调整标准块2在平行于标准块基座1上表面的平面内的转角，角度调整螺栓11上螺接有锁紧螺母111，标准块2完成角度调整后，拧紧锁紧螺母111，使得锁紧螺母111抵接标准块基座1的侧面，防止角度调整螺栓11发生松动，起到紧固作用，再通过定位螺栓21固定连接在标准块基座1上，以完成标准块2的定位。

[0035] 可选地，标准块凸台3为矩形柱结构，上表面为40×40mm的正方形。标准块凸台3的上表面经过发黑处理，避免高反光材质对光线产生镜面反射导致传感器相机在某些角度无法捕捉到其反射光因此无法获得这些照射条件下的扫描数据的问题。不但保证了标定精度，同时避免反射激光对操作人员的身体造成伤害。

[0036] 本发明实施例提供一种二维线激光传感器标定方法，所述标定方法应用于前述二维线激光传感器标定装置，所述标定方法包括：

[0037] 调整标定块基座1，以使标定块基座1上表面与机器人基座标系的XOY面平行。

[0038] 在安装过程中先对标定装置自身的安装误差进行修正，消除由于安装过程中标准块2与机器人基座标XOY平面存在夹角造成的误差。

[0039] 标定装置安装时，先将标准块基座1安装在工装合适位置，并用分中棒沿机器人坐标系的Z轴方向碰触标定块基座1上表面，采集一系列高度值后，若标定块基座1上表面与机器人基座标系XOY平面不平行，具体表现为标定块基座1上表面四角不等高，则在工作台与标定件基座1之间垫入不锈钢带，使标定块基座1上表面与机器人基座标系XOY面平行；

[0040] 调整多个角度调整螺栓并拧紧多个定位螺栓，以使标准块凸台远离角度调整螺栓的侧面平行于机器人基坐标系的YOZ面。

[0041] 将标准块2放置在标定块基座1上并用螺纹销4中心定位，使标定边大致与机器人Y轴平行，用分中棒在笛卡尔坐标系下沿坐标轴方向分别碰触主标定面两端，主标定面为标准块凸台3远离角度调整螺栓11的侧面，获得主标定面在机器人基坐标下的X坐标值，同时不断调整角度调整螺栓11，直至主标定面两端X坐标相同，标定边与机器人基坐标下Y轴平行，进而使主标定面平行于机器人基坐标系YOZ面，再安装定位螺栓21固定标准块2。

[0042] 如图2所示，利用分中棒分别碰触标准块凸台垂直于标准块基座上表面的四个侧面，分别得到机器人工具中心点在机器人基座标系下的四个点坐标A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)和D(x4，y4，z4)，通过得到的四个点坐标，计算出平面中心O点坐标，进而得出标定边端点E、F在机器人基座标系下的坐标。

[0043] 标准块凸台上表面远离角度调整螺栓的边为标定边，计算标定边的两个端点坐标分别为 和 分中棒碰触垂直于标定边的两个侧面的位置靠近所述标定边。

[0044] 如图3所示，更换带有传感器的末端执行器，移动机器人使传感器激光束边缘处于标定边中心处，得到机器人工具中心点坐标M1(x5，y5，z5)，标定边在传感器坐标系中的坐标L1(x6，z6)。

[0045] 在机器人坐标系中，沿垂直于标定边的坐标轴方向移动机器人至标定边处于光束另一端，读取机器人工具中心点坐标M2(x7，y7，z7)与传感器坐标系下的边界位置坐标L2(x8，z8)。

[0046] 线段M1M2的长度代表传感器的实际位移，NL1＝M1M2，L1L2代表在上述位移下偏转一定角度的激光线扫掠长度.

[0047] 根据以下公式计算传感器偏转角：

[0048]

[0049] 调整末端执行器消除传感器偏转角θ，移动机器人末端工具中心点沿EF方向扫描标定边，传感器读数第一次发生突变时的机器人工具中心点坐标为(x9，y9，z9)，第二次突变时的机器人工具中心点坐标为(x10，y10，z10)，经过前两次标定已经保证了标定平面的平面度和标定边的直线度，传感器的读数是稳定的，在移动过程中，间断采点取其平均值xpi，i＝1，2，3，4，5。

[0050] 根据以下公式计算传感器位置偏差：

[0051]

[0052] 可选地，先进行激光线安装误差的角度标定，消除角度误差后再进行位置标定。

[0053] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

[0054] 以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。