專(zhuān)利名稱(chēng)：激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
激光掃描器可以用于三維空間點(diǎn)的重建，但如果掃描器和被掃描物體的相互位置是固定的，其所能重構(gòu)的范圍就受到了很大限制。以線(xiàn)激光為例，其能重構(gòu)的只是掃描線(xiàn)所照射到的點(diǎn)。為了擴(kuò)展掃描器的掃描范圍，通常使用的方法有兩種。一是將掃描器放在一個(gè)機(jī)械裝置上，通過(guò)機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)，使得掃描器的掃描線(xiàn)可以達(dá)到更多的空間點(diǎn)。另一種方法是，將被掃描物體放在機(jī)械裝置上，通過(guò)機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)，使得被掃描物體上的各空間點(diǎn)都能被固定的掃描器掃描到。
因此，無(wú)論采用何種方式，掃描器的TCP的標(biāo)定即確定掃描器坐標(biāo)系與機(jī)械裝置坐標(biāo)系間的關(guān)系是首先要解決的問(wèn)題。但是目前的標(biāo)定方法均是將掃描器與機(jī)械裝置的旋轉(zhuǎn)關(guān)系和平移關(guān)系耦合起來(lái)，其標(biāo)定的魯棒性和精確性低。
本

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用一個(gè)半徑已知的球體作為工具，實(shí)現(xiàn)了激光掃描器與機(jī)器人坐標(biāo)系之間相對(duì)位置關(guān)系的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)關(guān)系和平移關(guān)系的解耦，并且過(guò)程簡(jiǎn)單，精度高而且穩(wěn)定性好。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法，包括以下步驟
步驟1、掃描器與機(jī)器人基座相對(duì)靜止，機(jī)器人的機(jī)械臂末端夾持一個(gè)球體，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)使球體在掃描器的掃描范圍內(nèi)；步驟2、掃描器采集所述球體上的掃描線(xiàn)，計(jì)算所述球體的球心相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)，記錄此時(shí)機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；步驟3、控制機(jī)械臂末端平動(dòng)，使球體仍在掃描器的掃描范圍內(nèi)；步驟4、重復(fù)步驟2；步驟5、改變機(jī)器人機(jī)械臂的姿態(tài)，使機(jī)械臂末端平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟2-4；步驟6、重復(fù)步驟5；步驟7、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人基座坐標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；步驟8、控制機(jī)械臂使球體平動(dòng)，在球體平動(dòng)的過(guò)程中掃描器對(duì)球體進(jìn)行掃描，記錄下球體表面被掃描點(diǎn)相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；步驟9、改變機(jī)器人機(jī)械臂的姿態(tài)，使機(jī)械臂末端平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟8；步驟10計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人基座坐標(biāo)的平移關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系的平移矩陣。
所述步驟9可以執(zhí)行多次。所述步驟6還可以為重復(fù)步驟5一次以上所述方法中的掃描器為線(xiàn)激光掃描器。
本發(fā)明還提供了一種激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法，包括以下步驟步驟1、球體與機(jī)器人基座相對(duì)靜止，機(jī)器人的機(jī)械臂末端夾持一個(gè)掃描器，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)使球體在掃描器的掃描范圍內(nèi)；步驟2、掃描器采集所述球體上的掃描線(xiàn)，計(jì)算所述球體的球心相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)，記錄此時(shí)機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；步驟3、控制機(jī)械臂末端平動(dòng)，使球體仍在掃描器的掃描范圍內(nèi)；
步驟4、重復(fù)步驟2；步驟5、改變機(jī)器人的姿態(tài)，使機(jī)械臂末端平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟2-4；步驟6、重復(fù)步驟5；步驟7、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；步驟8、控制機(jī)械臂使掃描器平動(dòng)，在掃描器平動(dòng)的過(guò)程中掃描器對(duì)球體進(jìn)行掃描，記錄下球體表面被掃描點(diǎn)相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；步驟9、改變機(jī)器人機(jī)械臂的姿態(tài)，使機(jī)械臂末端平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟8；步驟10、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)的平移關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)系的平移矩陣。
所述步驟9可以執(zhí)行多次。所述步驟6還可以為重復(fù)步驟5一次以上。所述方法中的掃描器為線(xiàn)激光掃描器。
因此，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、利用球體做為工具，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定，其過(guò)程簡(jiǎn)單易行；2、利用針對(duì)局部掃描做局部標(biāo)定的方法，可以提高掃描恢復(fù)精度；3、能實(shí)現(xiàn)平移關(guān)系與旋轉(zhuǎn)關(guān)系的解耦，提高標(biāo)定的穩(wěn)定性和精度。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明相對(duì)位置的標(biāo)定方法實(shí)施例1的位置示意圖。
圖2為本發(fā)明相對(duì)位置的標(biāo)定方法實(shí)施例1的方法流程圖。
圖3為本發(fā)明相對(duì)位置的標(biāo)定方法實(shí)施例2的位置示意圖。
圖4為本發(fā)明相對(duì)位置的標(biāo)定方法實(shí)施例2的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的發(fā)明思想是利用線(xiàn)激光掃描器和一個(gè)球體而實(shí)現(xiàn)當(dāng)機(jī)器人夾持掃描器時(shí)，標(biāo)定掃描器坐標(biāo)系和機(jī)器人末端坐標(biāo)系之間的關(guān)系；當(dāng)機(jī)器人夾持球體時(shí)，標(biāo)定掃描器坐標(biāo)系和機(jī)器人基座坐標(biāo)系之間的關(guān)系。因此本方法標(biāo)定機(jī)器人與線(xiàn)激光掃描器的相互位置關(guān)系，線(xiàn)激光掃描器不僅是標(biāo)定工具，還是被標(biāo)定對(duì)象。
實(shí)施例1如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例1的示意圖。機(jī)器人1具有一個(gè)可以?shī)A持物體的機(jī)械臂11，機(jī)械臂11的頂端12夾持一個(gè)球體3，機(jī)器人1和線(xiàn)激光掃描器2均固定在世界坐標(biāo)系中，且球體3在掃描器2的掃描范圍之內(nèi)。本實(shí)施例是標(biāo)定掃描器2與機(jī)器人底座10之間的位置關(guān)系，即確定掃描器2的坐標(biāo)系與底座10的坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣Rs和平移矩陣Ts。機(jī)械臂頂端12的坐標(biāo)系設(shè)為T(mén)ool0坐標(biāo)系。
如圖2所示，為本發(fā)明實(shí)施例1的方法流程圖。
步驟101、掃描器與機(jī)器人基座相對(duì)靜止，機(jī)器人的機(jī)械臂末端夾持一個(gè)球體，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)使球體在掃描器的掃描范圍內(nèi)；步驟102、掃描器采集所述球體上的掃描線(xiàn)，計(jì)算所述球體的球心相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)，記錄此時(shí)機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；步驟103、控制機(jī)械臂末端平動(dòng)，使球體仍在掃描器的掃描范圍內(nèi)；步驟104、重復(fù)步驟102；步驟105、改變機(jī)器人機(jī)械臂的姿態(tài)，使機(jī)械臂末端平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟102-104；步驟106、重復(fù)步驟105；可以重復(fù)一次或多次；步驟107、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人基座坐標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；步驟108、控制機(jī)械臂使球體平動(dòng)，在球體平動(dòng)的過(guò)程中掃描器對(duì)球體進(jìn)行掃描，記錄下球體表面被掃描點(diǎn)相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；
步驟109、改變機(jī)器人機(jī)械臂的姿態(tài)，使機(jī)械臂末端平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟8；為了提高測(cè)量精度，本步驟可以執(zhí)行多次。
步驟110、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人基座坐標(biāo)的平移關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系的平移矩陣。
1、計(jì)算線(xiàn)激光掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人基座坐標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人基座坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)矩陣Rs；對(duì)于一個(gè)與Tool0坐標(biāo)系位置固定的點(diǎn)(如球體的球心)，它在Tool0下的坐標(biāo)(xt，yt，zt)與其相對(duì)于掃描器坐標(biāo)系的坐標(biāo)(xl，yl，zl)間的關(guān)系滿(mǎn)足Xt1=R0T001-1·RsTs01·Xl1...(1)]]>其中，xt為該固定點(diǎn)在Tool0坐標(biāo)系下的坐標(biāo) Xl為該固定點(diǎn)在掃描器中恢復(fù)出的坐標(biāo)(即其相對(duì)于掃描器的坐標(biāo) R0為T(mén)ool0相對(duì)于機(jī)器人基座的旋轉(zhuǎn)矩陣，T0為T(mén)ool0相對(duì)于機(jī)器人基座的平移矩陣，Rs與Ts是所要標(biāo)定的掃描器相對(duì)于基座坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣。
將(1)式展開(kāi)后，可以得到R0·Xt+T0＝Rs·Xl+Ts(2)控制機(jī)器人，使得掃描器兩次恢復(fù)同一固定點(diǎn)，可以得到R01·Xt+T01＝Rs·Xl1+Ts(3)R02·Xt+T02＝Rs·Xl2+Ts(4)如果使控制過(guò)程中機(jī)器人的姿態(tài)保持不變，即R01＝R02將(4)-(3)可以得到T02-T01＝Rs·(Xl2-Xl1)(5)對(duì)于線(xiàn)激光掃描器，找到某一空間點(diǎn)在掃描器下的坐標(biāo)是困難的，可以通過(guò)讓掃描器恢復(fù)虛擬空間點(diǎn)(此處指球體球心)來(lái)解決這一問(wèn)題。在掃描器掃到球體時(shí)，其激光線(xiàn)擬合出一個(gè)空間圓，測(cè)出球體半徑，通過(guò)幾何關(guān)系球得球心。但球心將有兩個(gè)解，通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中去除偽解實(shí)驗(yàn)者可以由掃描線(xiàn)在球體中的位置判斷球心方向，再通過(guò)以約定次序選定掃描線(xiàn)中的上、中、下部三點(diǎn)，將此情況通知計(jì)算機(jī)，而計(jì)算機(jī)則根據(jù)這三點(diǎn)得到兩個(gè)向量，再由這兩個(gè)向量叉乘的結(jié)果得到球心所在的大致方向，從而去除偽解。
由步驟101機(jī)器人夾持一個(gè)球，運(yùn)動(dòng)至掃描器的可視范圍內(nèi)，由步驟102掃描器采集打在球體上的掃描線(xiàn)，得到球心點(diǎn)在掃描器下的坐標(biāo)，即由上面的計(jì)算方法得出Xl1，記下此時(shí)的Tool0即從機(jī)器人控制器中讀出T01。之后由步驟103，控制機(jī)器人平動(dòng)，仍然使球在掃描器的可視范圍內(nèi)，再由步驟104掃描器采集打在球體上的掃描線(xiàn)，恢復(fù)球心在掃描器下的坐標(biāo)，得到Xl2，并記下此時(shí)的Tool0即從機(jī)器人控制器中讀出T02。至此，可以得到一組求解方程(5)的數(shù)據(jù)。由步驟105和步驟106改變機(jī)器人姿態(tài)，一次或一次以上，如上所述再采集一組或一組以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入方程(5)，即可求出Rx，Ry，Rz。
2、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人基座坐標(biāo)的平移關(guān)系，即通過(guò)掃描球面的方法來(lái)求解掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系的平移矩陣，標(biāo)定參數(shù)X，Y，Z由(2)式可得，對(duì)于與Tool0位置固定的空間點(diǎn)有Xt＝R0-1·(Rs·Xl+Ts-T0)＝R0-1·(Rs·Xl-T0)+R0-1Ts(6)在上述掃描器和機(jī)器人結(jié)合的三維重構(gòu)系統(tǒng)中，掃描器的恢復(fù)結(jié)果(空間點(diǎn)相對(duì)于Tool0坐標(biāo)系的位置)Xt與其在掃描器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Xl的關(guān)系如(6)式所示。對(duì)于不同空間點(diǎn)Xt1與Xt2，可以得到其相對(duì)位置關(guān)系Xt2-Xt1＝R02-1·(Rs·Xl2+Ts-T02)-R01-1·(Rs·Xl1+Ts-T01)(7)當(dāng)機(jī)器人在掃描過(guò)程中只進(jìn)行平移即R01＝R02時(shí)，上式可化簡(jiǎn)為Xt2-Xt1＝R0-1·(Rs·(Xl2-Xl1)-T02+T01(8)
從(8)式可以得到，當(dāng)機(jī)器人以平動(dòng)(姿態(tài)不變)來(lái)掃描一個(gè)球面時(shí)，無(wú)論Ts取何值，其恢復(fù)結(jié)果都是一個(gè)球面?；謴?fù)出的結(jié)果間的相對(duì)位置關(guān)系(即恢復(fù)出的物體形狀)只與旋轉(zhuǎn)矩陣Rs有關(guān)。因此在上述掃描器和機(jī)器人結(jié)合的三維重構(gòu)系統(tǒng)中，當(dāng)機(jī)器人在掃描過(guò)程中只進(jìn)行平移時(shí)，掃描器恢復(fù)出的模型形狀只與掃描器標(biāo)定中的旋轉(zhuǎn)矩陣Rs有關(guān)，而與平移關(guān)系Ts無(wú)關(guān)。
取Ts＝0，將其掃描恢復(fù)結(jié)果(即Xt)做球形擬合，得到的球心位置XB與球心的真實(shí)位置Xb間將滿(mǎn)足(6)式，即Xb＝XB+R0-1Ts(9)通過(guò)步驟108，控制機(jī)器人進(jìn)行平動(dòng)掃描。在掃描過(guò)程中，將記錄下被掃描點(diǎn)在掃描器下的坐標(biāo)以及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的Tool0。根據(jù)(6)式，取Ts＝0，可以進(jìn)行所掃描的球面的三維恢復(fù)，利用恢復(fù)出的結(jié)果進(jìn)行球面擬合，可以得到(7)式中的XB，同時(shí)記下此刻的Tool0。由步驟109改變機(jī)器人姿勢(shì)一次或一次以上，按上述方法，再得到一組或一組以上的XB和Tool0值，利用方程(7)即可求解出Ts，得出X，Y，Z。
本方法利用球體做為工具，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定，其過(guò)程簡(jiǎn)單易行；在標(biāo)定過(guò)程中，能使其旋轉(zhuǎn)關(guān)系(Rx，Ry，Rz)與平移關(guān)系(X，Y，Z)解耦，提高結(jié)果的穩(wěn)定性和精度。
實(shí)施例2如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例2的示意圖。機(jī)器人1具有一個(gè)可以?shī)A持物體的機(jī)械臂11，機(jī)械臂11的頂端12夾持一個(gè)掃描器2，機(jī)器人1和球體3均固定在世界坐標(biāo)系中，且球體3在線(xiàn)激光掃描器2的掃描范圍之內(nèi)。本實(shí)施例是標(biāo)定掃描器2與機(jī)械臂頂端12之間的位置關(guān)系，即確定掃描器2的坐標(biāo)系與機(jī)械臂頂端12的坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣Rs和平移矩陣Ts。機(jī)械臂頂端12的坐標(biāo)系設(shè)為T(mén)ool0坐標(biāo)系。
如圖4所示，為本發(fā)明實(shí)施例2的方法流程圖。
步驟201、球體與機(jī)器人基座相對(duì)靜止，機(jī)器人的機(jī)械臂末端夾持一個(gè)掃描器，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)使球體在掃描器的掃描范圍內(nèi)；步驟202、掃描器采集球體上的掃描線(xiàn)，計(jì)算球體的球心相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)，記錄此時(shí)機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；步驟203、控制機(jī)械臂末端平動(dòng)，使球體仍在掃描器的掃描范圍內(nèi)；步驟204、重復(fù)步驟202；步驟205、改變機(jī)器人的姿態(tài)，使機(jī)械臂末端平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟202-204；步驟206、重復(fù)步驟205；可以重復(fù)一次也可以重復(fù)一次以上。
步驟207、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；步驟208、控制機(jī)械臂使掃描器平動(dòng)，在掃描器平動(dòng)的過(guò)程中掃描器對(duì)球體進(jìn)行掃描，記錄下球體表面被掃描點(diǎn)相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；利用局部掃描的方法，可以提高掃描恢復(fù)精度；步驟209、改變機(jī)器人機(jī)械臂的姿態(tài)，使機(jī)械臂末端平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟208；為了提高精度，本步驟可以執(zhí)行多次。
步驟210、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)的平移關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)系的平移矩陣。
1、計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人機(jī)械臂頂端坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人機(jī)械臂頂端坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣Rs；對(duì)于一個(gè)與機(jī)器人基座坐標(biāo)系位置固定的點(diǎn)(如球體球心)，它在基座坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(xw，yw，zw)與其相對(duì)于掃描器坐標(biāo)系的坐標(biāo)(xl，yl，zl)間的關(guān)系滿(mǎn)足
Xw1=R0T001·RtTt01·Xl1...(10)]]>其中，Xw為該固定點(diǎn)在基座坐標(biāo)系下的坐標(biāo) Xl為該固定點(diǎn)在掃描器中恢復(fù)出的坐標(biāo)(即其相對(duì)于掃描器的坐標(biāo) R0為T(mén)ool0相對(duì)于基座坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，T0為T(mén)ool0相對(duì)于基座坐標(biāo)系的平移矩陣，Rt與Tt是所要標(biāo)定的掃描器相對(duì)于Tool0的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣。
將(10)式展開(kāi)后，可以得到Xw＝R0·Rt·Xl+R0·Tt+T0(11)控制機(jī)器人，使掃描器兩次恢復(fù)同一固定點(diǎn)，可以得到Xw1＝R01·Rt·Xl1+R01·Tt+T01(12)Xw2＝R02·Rt·Xl2+R02·Tt+T02(13)如果使控制過(guò)程中機(jī)器人的姿態(tài)保持不變，即Xw1＝Xw2，R01＝R02，將(13)-(12)可以得到R0·Rt·(Xl1-Xl2)＝T02-T01(14)對(duì)于線(xiàn)激光掃描器，找到某一空間點(diǎn)在掃描器下的坐標(biāo)是困難的，可以通過(guò)讓掃描器恢復(fù)虛擬空間點(diǎn)(此處指球體球心)來(lái)解決這一問(wèn)題。在掃描器掃到球體時(shí)，其激光線(xiàn)擬合出一個(gè)空間圓，測(cè)出球體半徑，通過(guò)幾何關(guān)系球得球心。但球心將有兩個(gè)解，通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中去除偽解實(shí)驗(yàn)者可以由掃描線(xiàn)在球體中的位置判斷球心方向，再通過(guò)以約定次序選定掃描線(xiàn)中的上、中、下部三點(diǎn)，將此情況通知計(jì)算機(jī)，而計(jì)算機(jī)則根據(jù)這三點(diǎn)得到兩個(gè)向量，再由這兩個(gè)向量叉乘的結(jié)果得到球心所在的大致方向，從而去除偽解。
通過(guò)步驟201機(jī)器人夾持掃描器，運(yùn)動(dòng)至固定在世界坐標(biāo)中的一個(gè)球體的周?chē)?，使得該球體在掃描器的可視范圍內(nèi)，由步驟202，掃描器采集打在球體上的掃描線(xiàn)，得到球心點(diǎn)在掃描器下的坐標(biāo)，記下此時(shí)的Tool0即從機(jī)器人控制器中讀出T01和R0。之后由步驟203，控制機(jī)器人平動(dòng)，仍然使球在掃描器的可視范圍內(nèi)，再由步驟204掃描器采集打在球體上的掃描線(xiàn)，恢復(fù)球心在掃描器下的坐標(biāo)，并記下此時(shí)的Tool0即從機(jī)器人控制器中讀出T02和R0。至此，可以得到一組求解方程(14)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由步驟205和步驟206改變機(jī)器人姿態(tài)一次或一次以上，如上所述再采集一組或一組以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，代入方程(14)，即可求出Rx，Ry，Rz。
2、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)械臂頂端坐標(biāo)的平移關(guān)系，即通過(guò)掃描球面的方法來(lái)求解掃描器坐標(biāo)系與機(jī)械臂頂端坐標(biāo)系的平移矩陣，標(biāo)定參數(shù)X，Y，Z由(11)式可得，對(duì)于與基坐標(biāo)系位置固定的空間點(diǎn)有Xw＝R0·Rt·Xl+R0·Tt+T0(15)在上述掃描器和機(jī)器人結(jié)合的三維重構(gòu)系統(tǒng)中，掃描器的恢復(fù)結(jié)果(空間點(diǎn)相對(duì)于基座坐標(biāo)系的位置)Xw與其在掃描器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Xl的關(guān)系如(15)式所示。對(duì)于不同空間點(diǎn)Xw1與Xw2，可以得到其相對(duì)位置關(guān)系Xw2-Xw1＝R02·Rt·Xl2+R02·Tt+T02-(R01·Rt·Xl1+R01·Tt+T01)(16)當(dāng)機(jī)器人在掃描過(guò)程中只進(jìn)行平移即R01＝R02時(shí)，上式可化簡(jiǎn)為Xw2-Xw1＝R0·Rt·(Xl2-Xl1)+T02-T01(17)從(17)式可以得到，當(dāng)機(jī)器人以平動(dòng)(姿態(tài)不變)來(lái)掃描一個(gè)球面時(shí)，無(wú)論Tt取何值，其恢復(fù)結(jié)果都是一個(gè)球面。恢復(fù)出的結(jié)果間的相對(duì)位置關(guān)系(即恢復(fù)出的物體形狀)只與旋轉(zhuǎn)矩陣Rt有關(guān)。在上述掃描器和機(jī)器人結(jié)合的三維重構(gòu)系統(tǒng)中，當(dāng)機(jī)器人在掃描過(guò)程中只進(jìn)行平移時(shí)，掃描器恢復(fù)出的模型形狀只與掃描器標(biāo)定中的旋轉(zhuǎn)矩陣Rt有關(guān)，而與平移關(guān)系Tt無(wú)關(guān)。取Tt＝0，將其掃描恢復(fù)結(jié)果(即Xw)做球形擬合，得到的球心位置XB與球心的真實(shí)位置Xb間將滿(mǎn)足(15)式，即
Xb＝XB+R0·Tt(18)由步驟208控制機(jī)器人進(jìn)行平動(dòng)掃描，在掃描過(guò)程中，記錄下被掃描點(diǎn)在掃描器下的坐標(biāo)以及對(duì)應(yīng)時(shí)刻的Tool0。根據(jù)(15)式，取Tt＝0，可以進(jìn)行所掃描的球面的三維恢復(fù)，利用恢復(fù)出的結(jié)果進(jìn)行球面擬合，可以得到(18)式中的XB，同時(shí)記下此刻的Tool0。再由步驟209改變機(jī)器人姿態(tài)一次或一次以上，按上述方法，再得到一組或一組以上的XB和Tool0值，利用方程(18)即可求解出Ts，即得出X，Y，Z。
本方法利用球體做為工具，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定，其過(guò)程簡(jiǎn)單易行；在標(biāo)定過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)關(guān)系(Rx，Ry，Rz)與平移關(guān)系(X，Y，Z)的解耦，提高結(jié)果的穩(wěn)定性和精度。
最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法，其特征在于包括以下步驟步驟1、掃描器與機(jī)器人基座相對(duì)靜止，機(jī)器人的機(jī)械臂末端夾持一個(gè)球體，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)使球體在掃描器的掃描范圍內(nèi)；步驟2、掃描器采集所述球體上的掃描線(xiàn)，計(jì)算所述球體的球心相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)，記錄此時(shí)機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；步驟3、控制機(jī)械臂末端平動(dòng)，使球體仍在掃描器的掃描范圍內(nèi)；步驟4、重復(fù)步驟2；步驟5、改變機(jī)器人機(jī)械臂的姿態(tài)，使機(jī)械臂末端平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟2-4；步驟6、重復(fù)步驟5；步驟7、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人基座坐標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；步驟8、控制機(jī)械臂使球體平動(dòng)，在球體平動(dòng)的過(guò)程中掃描器對(duì)球體進(jìn)行掃描，記錄下球體表面被掃描點(diǎn)相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；步驟9、改變機(jī)器人機(jī)械臂的姿態(tài)，使機(jī)械臂末端平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟8；步驟10、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人基座坐標(biāo)的平移關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系的平移矩陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法，其特征在于所述步驟9執(zhí)行多次。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法，其特征在于所述步驟6還可以為重復(fù)步驟5一次以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法，其特征在于所述方法中的掃描器為線(xiàn)激光掃描器。
5.一種激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法，其特征在于包括以下步驟步驟1、球體與機(jī)器人基座相對(duì)靜止，機(jī)器人的機(jī)械臂末端夾持一個(gè)掃描器，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)使球體在掃描器的掃描范圍內(nèi)；步驟2、掃描器采集所述球體上的掃描線(xiàn)，計(jì)算所述球體的球心相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)，記錄此時(shí)機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；步驟3、控制機(jī)械臂末端平動(dòng)，使球體仍在掃描器的掃描范圍內(nèi)；步驟4、重復(fù)步驟2；步驟5、改變機(jī)器人的姿態(tài)，使機(jī)械臂末端平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟2-4；步驟6、重復(fù)步驟5；步驟7、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；步驟8、控制機(jī)械臂使掃描器平動(dòng)，在掃描器平動(dòng)的過(guò)程中掃描器對(duì)球體進(jìn)行掃描，記錄下球體表面被掃描點(diǎn)相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；步驟9、改變機(jī)器人機(jī)械臂的姿態(tài)，使機(jī)械臂末端平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟8；步驟10、計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)的平移關(guān)系，即計(jì)算掃描器坐標(biāo)系與機(jī)器人機(jī)械臂末端坐標(biāo)系的平移矩陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法，其特征在于所述步驟9執(zhí)行多次。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法，其特征在于所述步驟6還可以為重復(fù)步驟5一次以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法，其特征在于所述方法中的掃描器為線(xiàn)激光掃描器。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光掃描器與機(jī)器人的相對(duì)位置的標(biāo)定方法，包括1.機(jī)器人的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)使球體在掃描器的掃描范圍；2.計(jì)算球體的球心相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)，記錄此時(shí)機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；3.控制機(jī)械臂末端平動(dòng)；4.重復(fù)步驟2；5.改變機(jī)器人機(jī)械臂的姿態(tài)，重復(fù)步驟2－4；6.重復(fù)步驟5；7.計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人基座坐標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系；8.控制機(jī)械臂使球體平動(dòng)，掃描器對(duì)球體進(jìn)行掃描，記錄下球體表面被掃描點(diǎn)相對(duì)于掃描器的坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻機(jī)械臂末端相對(duì)于機(jī)器人基座的坐標(biāo)；9.改變機(jī)器人機(jī)械臂的姿態(tài)，重復(fù)步驟8；10.計(jì)算掃描器坐標(biāo)與機(jī)器人基座坐標(biāo)的平移關(guān)系。
文檔編號(hào)G01B11/00GK1831468SQ200510053460
公開(kāi)日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者湯青, 甘中學(xué), 吳水化, 孫云權(quán) 申請(qǐng)人:新奧博為技術(shù)有限公司