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具有协作关系的多机器人系统的基坐标系标定方法

阅读：257发布：2021-02-24

IPRDB可以提供具有协作关系的多机器人系统的基坐标系标定方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明介绍了一种应用于多机器人系统的协作机器人基坐标系标定方法。该方法的基本思路是通过在两两协作机器人之间构造四组特定形式的握手动作获取标定方程所需的位姿信息，借助特定形式的标定方程计算协作机器人基坐标系间的相对位姿关系。采用本发明介绍的方法除发明中介绍的标定指外，可以在不增加任何传感器和测量设备的情况下，快速、准确的标定具有协作关系的机器人基坐标系间的相对位姿，为实现具有多机器人协作功能的更先进的机器人控制器提供了技术基础。，下面是具有协作关系的多机器人系统的基坐标系标定方法专利的具体信息内容。

1.一种应用于多机器人系统的协作机器人基坐标系标定方法，其特征在于：将n台多机器人系统按相互间有协作关系的前提分成n-1组，每组两台，通过在每组两台协作机器人之间构造四组握手动作获取标定方程所需的位置信息，借助于标定方程求解具有协作关系的两机器人基坐标系间的位姿变换矩阵；重复n-1次，完成n-1组两协作机器人的基坐标系标定，从而完成n台机器人系统的协作机器人基坐标系标定。

2.如权利要求1所述的应用于多机器人系统的协作机器人基坐标系标定方法，其特征在于：协作机器人基坐标系标定方法中，标定方程的具体形式为：其中， 是两协作机器人之间构成握手动作时机器人工具手的中

心点在机器人 的基坐标系 下的位置坐标， 分别针对四组不同位置下的握手动作，上标 表示该点的坐标是针对坐标系 而言； 是两协作机器人之间构成握手动作时机器人工具手的中心点在机器人 的基坐标系 下的位置坐标，上标 表示该点的坐标是针对坐标系 而言； 是标定方程的中间计算结果， 是协作机器人基坐标系间的旋转变换矩阵， 是协作机器人基坐标系间的平移变换向量。齐次变换矩阵 就是最后得到的标定结果，反映

了两协作机器人基坐标系之间的位姿变换关系。

3.如权利要求1所述的应用于多机器人系统的协作机器人基坐标系标定方法，其特征在于：所述的握手动作构造的基本要求是两机器人工具手中心点位于协作机器人工作空间重叠区域中的同一点。

4.如权利要求1所述的应用于多机器人系统的协作机器人基坐标系标定方法，其特征在于：通过在每组两台协作机器人之间构造四组握手动作，针对四组握手动作完成时的机器人工具手中心点取法提出的一种“直角正三棱锥”四点取法，四点位置在机器人协作空间中构成一个直角正三棱锥。

说明书全文

具有协作关系的多机器人系统的基坐标系标定方法

技术领域

[0001] 本发明针对多机器人协作系统，提出了一种新的协作机器人基坐标系标定方法。该方法借助于机器人内部关节位置传感器和标定指，可实现在不需要增加任何传感或测量设备的情况下，标定具有协作关系的机器人基坐标系间的相对位姿。属于工业机器人、柔性化制造系统技术领域。

背景技术

[0002] 现代化生产中存在许多复杂的装配任务或大型工件的搬运等，多机器人协作系统的出现为解决上述难题提供了便捷、有效的途径。多机器人协作系统目前已成为机器人领域的研究热点，特别是在柔性化制造系统的设计和实现过程中发挥着越来越重要的作用。在多机器人系统中，每个机器人在执行协作任务的时候需要知道其它机器人的位置，也就是确定其它机器人的基坐标系与自己的基坐标系间的相对位姿。这也就是所谓的协作机器人基坐标系标定问题。
[0003] 解决协作机器人的基坐标系标定问题，特别是对于生产环境下的工业机器人系统，依然缺少简单有效的方法。目前的多机器人协作系统的基坐标系标定方法，一般均需要附加传感器或测量装置，标定方法的步骤和精度也存有很大差别。
[0004] 为满足现代化生产过程的需求、顺应机器人技术的发展趋势，本发明提出了一种操作简单的协作机器人基坐标系标定方法。其基本思想是通过在协作机器人之间构造特定的“握手”动作并记录机器人对应的位姿信息，依据特定形式的标定方程计算协作机器人间的基坐标系位姿关系。采用本发明中提出的协作机器人基坐标系标定方法除标定指外，不需要增加额外的传感装置或测量设备，操作步骤简单、标定精度较高，能够解决常见的机器人协作任务下的基坐标系标定问题。

发明内容

[0005] 技术问题：本发明的目的是为工业机器人多机器人系统提供应用于多机器人系统的协作机器人基坐标系标定方法，在仅依赖机器人原有的关节位置传感器的基础上提供一种操作简便、精度满足绝大多数机器人操作任务要求的机器人基坐标系标定方法。
[0006] 技术方案：协作机器人基坐标系标定方法的基本思想是：通过在具有协作关系的机器人之间构建特定的“握手”动作来获取标定方程所需的位置信息，通过特定形式的标定方程求解协作机器人基坐标系之间的相对位姿关系。
[0007] 将n台多机器人系统按相互间有协作关系的前提分成n-1组，每组两台，通过在每组两台协作机器人之间构造四组握手动作获取标定方程所需的位置信息，借助于标定方程求解具有协作关系的两机器人基坐标系间的位姿变换矩阵；重复n-1次，完成n-1组两协作机器人的基坐标系标定，从而完成n台机器人系统的协作机器人基坐标系标定。
[0008] 协作机器人基坐标系标定方法中，标定方程的具体形式为：其中， 是两协作机器人之间构成握手动作时机器人工具手的中
心点在机器人 的基坐标系 下的位置坐标， 分别针对四组不同位置下的握
手动作，上标 表示该点的坐标是针对坐标系 而言； 是两协作机
器人之间构成握手动作时机器人工具手的中心点在机器人 的基坐标系 下的位置坐标，上标 表示该点的坐标是针对坐标系 而言； 是标定方程的中间计算结
果， 是协作机器人基坐标系间的旋转变换矩阵， 是协作机器人基坐标
系间的平移变换向量。
[0009] 齐次变换矩阵 就是最后得到的标定结果，反映了两协作机器人基坐标系之间的位姿变换关系。
[0010] 所述的握手动作构造的基本要求是两机器人工具手中心点位于协作机器人工作空间重叠区域中的同一点。
[0011] 通过在每组两台协作机器人之间构造四组握手动作，针对四组握手动作完成时的机器人工具手中心点取法提出的一种“直角正三棱锥”四点取法，四点位置在机器人协作空间中构成一个直角正三棱锥。
[0012] 对于标准的工业机器人系统，在机器人的基座处建立机器人基坐标系 ，在机器人的末端关节处建立末端法兰坐标系 。当机器人的末端安装有执行特定任务的工具手后，在机器人工具手的中心点建立工具手坐标系 。附图1以两个具有协作关系的工业机械臂系统为例描述了上述坐标系及它们之间的变换关系。图中 是机器人 的基坐标系， 是机器人 的末端法兰坐标系， 是机器人 的末端工具手坐标系； 是机器人 的基坐标系， 是机器人 的末端法兰坐标系， 是机器人 的末端工具手坐标系； 是世界坐标系。对于协作系统中的每个机器人 ， 是其末端法兰坐标系 到其基坐标系 的齐次变换矩阵， 是其末端工具手坐标系 到其末端法兰坐标系的齐次变换矩阵。 是机器人 的基坐标系 到另一个机器人 的基坐标系 的齐
次变换矩阵。所谓的协作机器人基坐标系标定问题就是确定齐次变换矩阵 的具体值。
[0013] 本发明中提到的在协作机器人之间构造特定的“握手”动作，其本质的要求是将两个机器人的工具手中心点运动到协作空间中的同一点 ，该动作的典型要求和形式如附图2所示。在图2所示的机器人的末端安装有一种单独加工的“标定指”，标定指的加工图纸如附图3所示。理论上讲，只要能将参与协作的两个机器人的工具手中心点运动到工作空间中的同一点，就符合握手动作的基本要求，而不必在机器人末端安装如图2中所示的标定指。实际操作时，为保证尽可能准确的将两个机器人的工具手中心点运动到协作空间中的同一点，本发明设计了一种形状简单、加工方便的“标定指”，加工要求如图3所示。其中标定指的顶端就是机器人工具手坐标系的原点、机器人工具手的中心点。该标定指可以看作是一种特殊的机器人工具手，同时标定指的使用能够提高标定结果的精度，方便握手动作的构造。
[0014] 当参与协作的两个机器人构成如图2所示的握手动作后，记录此时机器人末端工具手的中心点位置。目前的机器人控制器中均装有关节位置传感器，借助于机器人正运动学方程可求出工具手坐标系 到机器人基坐标系 的齐次变换矩阵 。在机器人运动学中，描述一个齐次变换矩阵通常采用如下形式，（1）
其中 是坐标系间的旋转矩阵， 是坐标系间的平移向量。对于齐次变换
矩阵 而言，其平移分量 又可以看作是机器人工具手坐标系 的原点在机器人基坐标系 下的位置表示，也就是机器人工具手的中心点在机器人基坐标系 下的坐标。记协作机器人构成握手动作时的工具手中心点在两机器人的基坐标系下的坐标分别是、 。由于两个机器人的工具手中心点位于协作空间中的同一点 ，依据空间点坐标变换方程有下式成立，
（2）先
后在两机器人协作空间中的四个不同的点 、 、 、 构造如图2所示的握手动作，分别记录上述四个点在机器人 的基坐标系 下的位置坐标 、
、 、 ，在机器人 的基坐
标系 下的位置坐标 、 、 、
。将上述四个点的坐标依次代入（2）式得，
（3）
（4）
（5）
（6）
将（3）式与（4）、（5）、（6）式左右两边分别相减并综合所得结果得到如下方程，
（7） 将
式（7）简记为 的形式。显然，只要满足条件 ，旋转矩阵 存在唯一的解
。式（7）构成了本标定方法中的核心方程之一，通过该式可求出机器人基坐标系 和 之间的旋转变换矩阵。对于条件 等价于，
（8）
其中，
， ， 。
[0015] 只要 、 、 、 四个点不共面，条件（8）就是满足的。实际操作中可选择 、、 、 构成一个以 为顶点、 为底面正三角形的直角正三棱锥，如附图4所示。附图4是以两台KUKA公司的KR30机器人协作系统为例设计的四点取法，实际系统中各点之间的距离应考虑机器人的结构参数、工作空间范围做出相应调整。调整原则是工作空间大的机器人对应四点间的距离大，工作空间小的机器人对应四点间的距离小。本发明建议采用图4中的构成直角正三棱锥的四点取法，但只要所取的四点不共面即符合本发明的应用要求。
[0016] 对于任意的旋转矩阵 需满足正交归一化的约束条件 ，协作机器人基坐标系标定结果中的 也必须满足这一约束条件。实际标定过程中，由于握手动作执行时存在操作误差、计算过程存在截断误差、机器人关节位置传感器数据存在噪声等因素，利用式（7）直接计算出来的标定结果并不满足正交归一的约束条件，即 ，
因而需对 进行正交归一化处理，使其满足上述约束条件。矩阵 的正交归一化处理就是找到一个满足约束条件 的矩阵 ，同时保证矩阵 与 在某种矩阵范数
下的差别最小。本发明采用了矩阵的Frobenius范数来度量两个矩阵之间的差别，矩阵的Frobenius范数定义方式如下，
（9）
其中， 是一个 的矩阵， 。
[0017] 结合矩阵的Frobenius范数的定义， 的正交归一化问题可以写成如下形式，（10）
采用拉格朗日乘子法对式（10）进行求解得，
（11）
记旋转矩阵 为 正交归一化的结果，上述结果可记作，
（12）
（13）
正交归一化矩阵 将作为本发明中协作机器人基坐标系标定结果中的旋转矩阵
的最终形式。在求得两坐标系间的旋转变换关系后，依据方程（3）、（4）、（5）、（6）可以求出两坐标系间的平移变换关系，
（14）
综合方程（7）和式（13）、（14）就构成了本发明中提到的标定方程。采用本发明中介绍的标定方法，仅借助机器人控制器现有的关节位置传感器，通过在协作机器人之间构造四组不同的握手动作并记录各机器人工具手中心点的坐标，依据标定方程（7）、（13）、（14）就可以求出两机器人基坐标系间的位姿变换矩阵，标定的结果为
。
[0018] 至此完成了对本发明的技术方案的介绍。有关本发明的具体实施步骤，参见下文“具体实施方式”中的介绍。
[0019] 本发明主要针对工业应用型多机器人协作系统提出，可应用于包括垂直关节型机器人、直角坐标型机器人、SCARA型机器人等常见的工业机器人组成的协作系统中。只要参与协作的机器人具有重叠的工作空间，机器人控制器配有关节位置传感器且能够完成机器人正运动学变换，就能够采用本发明提出的协作机器人基坐标系标定方法。本发明在工业生产系统中，特别是柔性化制造系统的设计和使用中，具有着广阔的应用前景。
[0020] 有益效果：本发明的基本思想是利用协作机器人构成握手动作时满足工具手中心点位置相同的约束关系，构造特定形式的标定方程求解协作机器人基坐标系间的位姿变换关系。采用本发明提出的方法除发明中介绍的标定指外，不需要为机器人控制器增加任何的传感或测量装置，且标定结果能够满足绝大多数机器人操作任务的精度要求。
[0021] 本发明的具体优点在于：．提出了一种新的协作机器人基坐标系标定方法。协作机器人基坐标系的标定是实现协作控制的基础，本发明的提出解决了这一协作控制的基本问题、关键问题，为设计更先进的机器人控制器提供了技术支持。
[0022] ．避免了为多机器人协作系统增加新的传感或测量装置，降低了协作系统的实现成本。本发明充分利用了机器人控制器现有的关节位置传感器，通过构造特定的协作动作和标定方程完成机器人基坐标系标定，最大程度的降低了协作系统的硬件要求，节约了多机器人协作系统的实现成本。
[0023] ．操作步骤简单，标定精度可靠，方便应用于各类生产环境中。本发明提出的标定方法仅需要在协作机器人之间构造四组握手动作、调用一次标定方程求解函数即可完成。步骤简单，使用方便。同时，标定指的使用、直角正三棱锥的四点取法能够提高标定的精度，保证标定结果满足绝大多数机器人操作任务的精度要求。这些都使得本发明能够方便的应用到各类常见的工业机器人协作任务中。
[0024] 本发明是设计具有多机器人协作功能的更为先进的机器人控制器的核心组成部分，也是实现多机器人协作控制的基础，可应用于各类工业机器人协作系统中，包括垂直关节型机器人、直角坐标型机器人、SCARA型机器人等。本发明是实现多机器人协作控制的一项关键技术，在柔性化制造系统等工业生产领域具有广阔的应用前景。

附图说明

[0025] 图1描述了由两个工业机器人组成的双机器人协作系统中的坐标系及其之间的相互变换关系。图中1和2分别表示机器人 和机器人 。
[0026] 图2显示了将两个工业机器人的工具手中心点运动到协作空间中的同一点 ，构成本发明中指定的“握手”动作。图中1和2分别表示参与协作的机器人 和机器人 ，3表示的是为辅助握手动作的完成而安装在机器人末端法兰的标定指。
[0027] 图3是图2中安装在机器人末端法兰的标定指的示意图。标定指的作用是辅助两个协作机器人完成握手动作，也可以看作是一种特殊的机器人工具手。标定指的顶点就是本发明中提到的工具手中心点，也是机器人工具手坐标系的原点。该图中所示螺孔的直径和位置可依据具体的机器人法兰尺寸和安装螺孔的位置调整，其目的是将标定指安装固定在机器人末端法兰。
[0028] 图4是本发明建议的四点取法， 、 、 、 构成一个以 为顶点、 为底面正三角形的直角正三棱锥。图中标注的各点间的距离是以两台KUKA公司的KR30机器人组成的协作系统为例设计的，实际应用本发明时应该依据参与协作的机器人的结构参数、工作空间大小做相应调整。调整原则是结构参数大、工作空间大的协作系统，四点间的距离也大；结构参数小、工作空间小的协作系统，四点间的距离也小。
[0029] 图5是实现本发明的硬件基础，以双机器人协作系统为例，主要包括：1机器人、2机器人 、3标定指、4机器人 的控制器、5机器人 的控制器、6协调控制器、7协作系统示教盒，共七大组成部分。

具体实施方式

[0030] 以双机器人协作系统为例，实现本发明的硬件基础如附图5所示。图5中1是机器人 、2是机器人 、3是标定指、4是机器人 的控制器、5是机器人 的控制器、6是协调控制器、7是协作系统示教盒。其中，各机器人的控制器均已安装关节位置传感器并能完成机器人正运动学变换，绝大多数的工业机器人均满足此要求。协调控制器6完成多机器人之间的协作运动的规划和控制，包括协作机器人之间的基坐标系标定等任务。协调控制器6是一个功能上的组件，物理上可以通过在现有机器人控制器上扩展系统软件来实现。对多机器人协作系统而言，协作系统示教盒7是一个新增的物理部件，主要完成人机交互，借助一个共享的示教盒完成对所有机器人的标定、示教、编程和控制等。
[0031] 下面结合附图内容和技术方案的介绍，对本发明的具体实施步骤做进一步说明。对于协作机器人数目大于2个的情况，可采用本发明介绍的方法分组依次标定具有协作关系的两个机器人之间的基坐标系变换关系。
[0032] 分别为参与协作的机器人 和 安装标定指，安装完成后依次为机器人 和执行工具手标定。现有的工业机器人均带有机器人工具手标定功能，对于机器人工具手的标定问题不在本发明讨论范围。
[0033] 按照如图4所示的四点取法，在协作机器人的工作空间重叠区域大致规划出一个以 为顶点、 为底面正三角形的直角正三棱锥。图4中标注的各点间的距离是以两台KUKA公司的KR30机器人组成的协作系统为例设计的，实际应用本发明时可依据参与协作的机器人的结构参数、工作空间大小等对各点间的距离做出相应调整。
[0034] 为减小标定结果的误差，应用本发明时尽可能的使四点之间构成直角正三棱锥，同时允许一定的操作误差存在。
[0035] 利用协作系统示教盒7切换到对机器人 的手动控制模式，将 的工具手的中心点，也就是标定指3的尖端点运动到两机器人工作空间重叠区域中的任意一点 。协调控制器6从机器人控制器4读取并记录此时机器人工具手的末端位姿为，
该位姿矩阵中的平移分量就是 点在机器人 基坐标系 下的位置坐标，即
。
[0036] 保持机器人 静止不动，利用协作系统示教盒7切换到对机器人 的手动控制模式，将 的工具手中心点同样运动到点 ，使机器人 和 构成如图2所示的握手动作。协调控制器6从机器人控制器5读取并记录机器人 工具手的末端位姿，其中的平移变换分量即为 点在机器人 基坐标系 下的位置坐标，即，
。
[0037] 按照如图4所示的四点取法，在协作机器人的工作空间重叠区域选取一点 。重复Step 3和Step 4中的操作，将两机器人工具手的中心点运动到 ，此时两机器人在点构成握手动作。协调控制器6读取并记录此时 点在 下的位置坐标 、在 下的位置坐标 。
[0038] 按照如图4所示的四点取法，在协作机器人的工作空间重叠区域选取一点 。重复Step 3和Step 4中的操作，将两机器人工具手的中心点运动到 ，此时两机器人在点构成握手动作。协调控制器6读取并记录此时 点在 下的位置坐标 、在 下的位置坐标 。
[0039] 按照如图4所示的四点取法，在协作机器人的工作空间重叠区域选取一点 。重复Step 3和Step 4中的操作，将两机器人工具手的中心点运动到 ，此时两机器人在点构成握手动作。协调控制器6读取并记录此时 点在 下的位置坐标 、在 下的位置坐标 。
[0040] 将上述四点的坐标值 、 、 、 ， 、 、 、 代入条件方程式（8），
验证各点坐标是否满足本发明中要求的条件。如满足上述条件则继续Step 9，否则返回Step 2重新选择四个点执行步骤Step 2-Step 7。
[0041] 将上述四点的坐标值依次代入式（7）、式（13）、
和式（14），
计算求解得到协作机器人基坐标系的标定结果 ，
。
[0042] 依次执行上述9个步骤就可以实现本发明中介绍的协作机器人基坐标系标定方法。
[0043] 采用本发明提出的协作机器人基坐标系标定方法可解决多机器人系统中的机器人基坐标系标定问题。本发明的标定精度完全满足常见的机器人操作任务的精度要求。
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直角坐标系建立尺-专利编号CN105270047A 2020-05-13 997
坐标系配准工具-专利编号CN110561413A 2020-05-12 286
欧拉角球坐标系点焊器-专利编号CN105414730B 2020-05-13 395
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