本發(fā)明涉及一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法與系統(tǒng)，屬于機械手控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

工業(yè)生產(chǎn)線上，通常在工業(yè)機器人的機械臂末端固定特殊的部件作為工具，如夾具、焊槍等裝置，在這些工具上的某個固定位置上通常要建立一個坐標(biāo)系，即所謂的工具坐標(biāo)系。機器人的軌跡規(guī)劃通常是在添加了上述的工具之后，針對工具的某一點進行規(guī)劃，通常這一點被稱為工具中心點(TCP：Tool Center Point)。一般情況下，工具坐標(biāo)系的原點就是TCP，工具在被安裝在機器人的機械臂末端上之后，除非人為的改變其安裝位置，否則工具坐標(biāo)系相對于機器人末端坐標(biāo)系的關(guān)系是固定不變的。正確的工具坐標(biāo)系標(biāo)定對機器人的軌跡規(guī)劃具有重要影響，而且機器人的工具可能會針對不同的應(yīng)用場景需要經(jīng)常更換機器人的工具坐標(biāo)系，因此一種快速，準(zhǔn)確的機器人工具坐標(biāo)系標(biāo)定方法是迫切需求的。

文獻《工業(yè)機器人工具及工件坐標(biāo)系的標(biāo)定研究》公開了一種基于視覺的工具系坐標(biāo)自動化標(biāo)定原理與方案，其利用兩個工業(yè)相機采集圖像，并利用圖像相關(guān)算法識別圓環(huán)標(biāo)志并標(biāo)志圓環(huán)中心點的坐標(biāo)。當(dāng)機器人在不同姿態(tài)下使得標(biāo)志圓環(huán)的中心在兩幅圖像中的坐標(biāo)值一致時，則可認為機器人以多個姿態(tài)使得末端工具的中心點或者特征點處于空間同一位置。并進一步通過正運動學(xué)求解，可以得到標(biāo)志點的中心在機器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。然而，如果減少工具坐標(biāo)系標(biāo)定所需的裝置，并且減少標(biāo)定過程中需要機械臂變換姿態(tài)的次數(shù)，則可以使得工具坐標(biāo)系的標(biāo)定變得更加快速與準(zhǔn)確。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于簡化標(biāo)定工具坐標(biāo)系的標(biāo)定過程并提高工具坐標(biāo)系的標(biāo)定速度與精度，提供一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法與系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法，該方法包括如下步驟：

S1、將圓形標(biāo)志物相對機械臂末端的法蘭面平行固定在工具中心點，使標(biāo)志物的圓心成像在相機視場中的一點并使機械臂末端的法蘭面相對相機成像平面H平行，記錄此時相機拍攝得到的圖像中標(biāo)志物的成像半徑R、標(biāo)志物圓心的像素坐標(biāo)p以及機械臂末端的空間坐標(biāo)P₁；

S2、使機械臂末端的法蘭盤繞U軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₁，移動機械臂末端到空間坐標(biāo)P₂處使標(biāo)志物的圓心成像在上述相機視場中的同一點，根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₁和P₂計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的水平方向的分量(a，b)，所述U軸垂直于平面H；

S3、使機械臂任一關(guān)節(jié)繞W軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₂，移動機械臂末端到空間坐標(biāo)P₃處使標(biāo)志物的圓心成像在上述相機視場中的同一點，并使標(biāo)志物的在平面H上的成像長軸長度等于標(biāo)志物的成像半徑R，根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂和P₃以及水平方向的分量(a，b)計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₁，所述W軸平行于平面H。

作為本發(fā)明上述方法的進一步改進，步驟S1中所述相機視場中的一點為相機視場中的中點，或相機拍攝得到的圖像的中心像素點。

作為本發(fā)明上述方法的進一步改進，所述步驟S2包括如下步驟：

S21、使機械臂末端的法蘭盤繞U軸分步旋轉(zhuǎn)任意角度A₁，所述U軸垂直于平面H，所述分步旋轉(zhuǎn)為分為兩個步驟或兩個以上步驟旋轉(zhuǎn)，分步旋轉(zhuǎn)的角度總和為A₁；

S22、每步分步旋轉(zhuǎn)后相對平面H平行移動機械臂末端使標(biāo)志物的圓心無限接近上述相機視場中的同一點，并記錄每步分步旋轉(zhuǎn)后相機拍攝得到的圖像中標(biāo)志物圓心的像素坐標(biāo)p′，p′與步驟S1中標(biāo)志物圓心的像素坐標(biāo)p的絕對位置差不超過0.5個像素時，則標(biāo)志物的圓心成像在上述相機視場中的同一點；

S23、讀取當(dāng)標(biāo)志物的圓心成像在上述相機視場中的同一點時機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂；

S24、根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₁和P₂的位置差計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的水平方向的分量(a，b)。

作為本發(fā)明上述方法的進一步改進，所述角度A₁為180°。

作為本發(fā)明上述方法的進一步改進，所述步驟S3包括如下步驟：

S31、使機械臂任一關(guān)節(jié)繞W軸分步旋轉(zhuǎn)任意角度A₂，所述W軸平行于平面H，所述分步旋轉(zhuǎn)為分為兩個步驟或兩個以上步驟旋轉(zhuǎn)，分步旋轉(zhuǎn)的角度總和為A₂；

S32、每步分步旋轉(zhuǎn)后相對平面H平行移動機械臂末端使標(biāo)志物的圓心的成像無限接近圓心的原像素坐標(biāo)p處，并記錄每步分步旋轉(zhuǎn)后相機拍攝得到的圖像中標(biāo)志物圓心的像素坐標(biāo)p″，p″與步驟S1中標(biāo)志物圓心的像素坐標(biāo)p的絕對位置差不超過0.5個像素時，則標(biāo)志物的圓心成像在像素坐標(biāo)p處；

S33、使機械臂末端相對平面H垂直移動，當(dāng)相機拍攝得到的圖像中標(biāo)志物的成像長軸長度等于標(biāo)志物的成像半徑R時停止移動機械臂，此時標(biāo)志物的圓心成像在上述相機視場中的同一點；

S34、讀取上述機械臂末端的空間坐標(biāo)P₃；

S35、根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂和P₃以及步驟S2中的水平方向的分量(a，b)計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₁。

作為本發(fā)明上述方法的進一步改進，所述角度A₂為60°。

作為本發(fā)明上述方法的進一步改進，在所述步驟S3之后，有步驟S4，其具體為：使機械臂末端回位到步驟S2完成的狀態(tài)，并使機械臂任一關(guān)節(jié)繞V軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₃，移動機械臂末端到空間坐標(biāo)P₄處使標(biāo)志物的圓心成像在上述相機視場中的同一點，并使標(biāo)志物的成像長軸長度等于標(biāo)志物的成像半徑R，根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂和P₄以及水平方向的分量(a，b)計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₂，將兩次豎直方向的分量c₁與c₂的平均值c作為最終工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量，所述V軸平行于平面H且垂直于W軸。

作為本發(fā)明上述方法的進一步改進，在所述步驟S3之前有一個步驟，其具體為：使機械臂任一關(guān)節(jié)繞V軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₃，移動機械臂末端到空間坐標(biāo)P₄處使標(biāo)志物的圓心成像在上述相機視場中的同一點，并使標(biāo)志物的成像長軸長度等于標(biāo)志物的成像半徑R，根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂和P₄以及水平方向的分量(a，b)計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₂，然后使機械臂末端回位到步驟S2完成的狀態(tài)，再在步驟S3完成后，將兩次豎直方向的分量c₁與c₂的平均值c作為最終工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量，所述V軸平行于平面H且垂直于W軸。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

采集模塊，設(shè)置為采集機械臂末端的圖像；

存儲模塊，設(shè)置為存儲所述采集模塊采集的圖像、機械臂各個關(guān)節(jié)移動的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理的中間數(shù)據(jù)以及最終的標(biāo)定結(jié)果；

顯示模塊，設(shè)置為實時顯示所述采集模塊采集的圖像以及展示標(biāo)定結(jié)果；

控制模塊，設(shè)置為控制機械臂移動或旋轉(zhuǎn)；

處理模塊，設(shè)置為處理圖像并從中提取標(biāo)志點，根據(jù)處理的結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的指令給控制模塊。

根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：工業(yè)機器人，所述工業(yè)機器人包括基座與機械臂，所述基座固定在工業(yè)機器人的一處應(yīng)用場所，所述機械臂具有兩個及兩個以上的關(guān)節(jié)并在末端具有一個能夠旋轉(zhuǎn)的法蘭盤，所述法蘭盤具有用于固定工具的突起或凹槽，所述關(guān)節(jié)能夠旋轉(zhuǎn)使得機械臂達到目標(biāo)物處；

工具，所述工具的一端與法蘭盤固定鏈接，工具的另一端用于完成不同的應(yīng)用；

標(biāo)志物，所述標(biāo)志物粘貼于工具的中心點處且相對于法蘭盤的法蘭面平行放置，所述工 具的中心點根據(jù)需要標(biāo)定的點而確定；

相機，所述相機固定在機械臂末端的下方，所述相機的成像平面在工業(yè)機器人的初始狀態(tài)下相對法蘭面平行，所述工業(yè)機器人的初始狀態(tài)為在基座所在的球形坐標(biāo)系O′-UWV中機械臂末端沿U軸放置且法蘭盤的旋轉(zhuǎn)角度為0°；

存儲器，所述存儲器用于存儲標(biāo)定過程中相機拍攝的圖片、機械臂各個關(guān)節(jié)移動的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理的中間數(shù)據(jù)以及最終的標(biāo)定結(jié)果；

顯示器，所述顯示器用于實時顯示相機拍攝的圖片以及展示標(biāo)定的結(jié)果；

控制器，所述控制器用于控制機械臂移動或旋轉(zhuǎn)；

處理器，所述處理器用于處理圖像并從中提取標(biāo)志點，根據(jù)處理的結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的指令給控制器。

根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括如下裝置：

第一裝置，設(shè)置為將圓形標(biāo)志物相對機械臂末端的法蘭面平行固定在工具中心點，使標(biāo)志物的圓心成像在相機視場中的一點并使機械臂末端的法蘭面相對相機成像平面H平行，記錄此時相機拍攝得到的圖像中標(biāo)志物的成像半徑R、標(biāo)志物圓心的像素坐標(biāo)p以及機械臂末端的空間坐標(biāo)P₁；

第二裝置，設(shè)置為使機械臂末端的法蘭盤繞U軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₁，移動機械臂末端到空間坐標(biāo)P₂處使標(biāo)志物的圓心成像在上述相機視場中的同一點，根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₁和P₂計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的水平方向的分量(a，b)，所述U軸垂直于平面H；

第三裝置，設(shè)置為使機械臂任一關(guān)節(jié)繞W軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₂，移動機械臂末端到空間坐標(biāo)P₃處使標(biāo)志物的圓心成像在上述相機視場中的同一點，并使標(biāo)志物的在平面H上的成像長軸長度等于標(biāo)志物的成像半徑R，根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂和P₃以及水平方向的分量(a，b)計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₁，所述W軸平行于平面H。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點和有益效果：

在現(xiàn)有技術(shù)中，使用兩個相機對標(biāo)志物成像，當(dāng)標(biāo)志物的特征點在兩個相機中的坐標(biāo)值一致時認為工業(yè)機器人不同姿態(tài)下機械臂末端的工具中心點或者標(biāo)志物的特征點處于空間同一位置，再通過正運動學(xué)求解，得到標(biāo)志點的中心在機器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。本發(fā)明通過旋轉(zhuǎn)一次機械臂末端的法蘭盤并通過使標(biāo)志物的特征點成像在相機成像平面的同一點，由一次機械臂末端的移動距離就能得到機械臂末端的工具中心點或者標(biāo)志物的特征點相對機械手末端的空間矢量的水平分量。再通過變換一次工業(yè)機器人的姿態(tài)并通過使標(biāo)志物的特征點成 像在相機成像平面的同一點，由一次機械臂末端相對相機成像平面的垂直移動距離就能得到機械臂末端的工具中心點或者標(biāo)志物的特征點相對機械手末端的空間矢量的豎直分量。

本發(fā)明通過分別得到機械臂末端的工具中心點或者標(biāo)志物的特征點相對機械手末端的空間矢量的水平分量與豎直分量，結(jié)合機械臂末端在機器人基座的基坐標(biāo)系下空間坐標(biāo)為已知，很容易得出機械臂末端的工具中心點或者標(biāo)志物的特征點在機器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，而不需要求解復(fù)雜的運動學(xué)方程，極大的簡化了工具坐標(biāo)系的標(biāo)定過程，進而提高了標(biāo)定精度。

本發(fā)明只需要一個相機通過視覺的方法就可以對工具坐標(biāo)進行標(biāo)定，標(biāo)定的裝置簡單、速度快。

本發(fā)明只需要調(diào)節(jié)一次機械手姿態(tài)即可全自動的完成工具坐標(biāo)標(biāo)定，當(dāng)變換不同的工具時可迅速完成對不同工具的工具坐標(biāo)標(biāo)定，標(biāo)定方法穩(wěn)定可靠且可重復(fù)性強。

本發(fā)明是標(biāo)定機械臂末端的工具中心點或者標(biāo)志物的特征點相對機械手末端的空間矢量，因而可以進一步成為檢驗機械臂末端所夾持工具是否偏離作業(yè)預(yù)定的角度與位置，并對其進行校正。

附圖說明

以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實施例進行詳細的描述，其中：

圖1為實施本發(fā)明所用標(biāo)志物的幾種典型圖形的示意圖；

圖2為本發(fā)明一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法的整體流程圖；

圖3為實施本發(fā)明一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法的裝置位置示意圖；

圖4為本發(fā)明一實施例中機械臂末端的法蘭盤按逆時針繞U軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₁后各個坐標(biāo)變化的示意圖；

圖5為本發(fā)明一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法的一實施例中步驟S2的流程圖；

圖6為本發(fā)明一實施例中機械臂末端的法蘭盤按逆時針繞U軸旋轉(zhuǎn)角度180°后各個坐標(biāo)變化的示意圖；

圖7為本發(fā)明一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法的一實施例中步驟S3的流程圖；

圖8為本發(fā)明一實施例中機械臂末端任一關(guān)節(jié)繞W軸旋轉(zhuǎn)角度60°后各個坐標(biāo)變化的示意圖；

圖9為本發(fā)明一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定系統(tǒng)的一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定系統(tǒng)的另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

實施本發(fā)明所需的相機可為CMOS相機或CCD相機。機器人包括基座和具有兩個或兩個以上關(guān)節(jié)的機械臂并在機械臂的末端通常配置有一個能旋轉(zhuǎn)任意角度的法蘭盤，法蘭盤能 和機械臂成一體，也可由用戶配置。所述機器人任意姿態(tài)下各個關(guān)節(jié)及機械臂末端在以機器人基座為基準(zhǔn)的基坐標(biāo)系O′-XYZ下的坐標(biāo)均可實時讀取，或可進一步變換為相對應(yīng)的球坐標(biāo)系O′-WVU下的坐標(biāo)。標(biāo)志物具有能準(zhǔn)確定位的特征點，標(biāo)志物的圖形可隨用戶喜好隨意設(shè)定，如圖1所示為通常情況下用于標(biāo)定的幾種標(biāo)志物圖形，其中示例圖的尺寸大小不代表實際上標(biāo)志物的尺寸大小。顯示器、處理器、存儲器可為集成為一體的裝置如PC機也可分開為各個相互獨立的裝置，控制器為控制機械臂移動或變換姿態(tài)的裝置，所述控制器根據(jù)處理器的處理結(jié)果對機械臂進行運動控制并將結(jié)果在顯示器中顯示。作為優(yōu)選的實施方式，本發(fā)明使用一個具有三個關(guān)節(jié)機械臂的機器人夾持系統(tǒng)，一臺工業(yè)CCD相機進行圖像采集，和一臺PC機進行顯示采集的圖像、對圖像進行處理并存儲本發(fā)明的圖像、中間數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果，使用的控制器以軟件的形式嵌入在PC機中，使用的標(biāo)志物優(yōu)選為可粘貼在工具上的如圖1a所示圖形的圓形標(biāo)志貼，使用的工具為固定在法蘭盤上的吸盤工具或夾具并能隨著法蘭盤旋轉(zhuǎn)任意角度，定義法蘭盤向外的一面為法蘭面F，并定義球坐標(biāo)系的U軸垂直于法蘭面F，W軸、V軸平行于法蘭面F。

圖2為本發(fā)明一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法的一實施例的流程圖，如圖所示該方法包括如下步驟：

S1、將圖形如圖3中所示的圓形標(biāo)志貼M相對機械臂末端的法蘭面平行粘貼在工具T的工具中心點，使圓形標(biāo)志貼的圓心成像在相機視場中的一點并如圖3所示使機械臂末端的法蘭面F相對相機成像平面H平行。記錄此時相機拍攝得到的圖像中圓形標(biāo)志貼M的成像半徑R、圓形標(biāo)志貼M圓心的像素坐標(biāo)p(u，v)以及機械臂末端的空間坐標(biāo)P₁(X₁，Y₁，Z₁)，所述工具中心點為工具上的任意一點，可依據(jù)用戶的需求而定。根據(jù)本實施例使用的吸盤工具，優(yōu)選地將圓形標(biāo)志M貼粘貼在吸盤中央。所述相機視場中的一點為相機視場中或相機拍攝得到的圖像上的任意一點。所述圓形標(biāo)志貼M的成像半徑R、圓形標(biāo)志貼M圓心的像素坐標(biāo)p(u，v)可通過在圖像上進行橢圓擬合算法得到，所述機械臂末端的空間坐標(biāo)P₁(X₁，Y₁，Z₁)可直接讀取。

S2、使機械臂末端的法蘭盤繞U軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₁，移動機械臂末端到空間坐標(biāo)P₂(X₂，Y₂，Z₂)處使圓形標(biāo)志貼M的圓心成像在上述相機視場中的同一點，根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₁(X₁，Y₁，Z₁)和P₂(X₂，Y₂，Z₂)計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的水平方向的分量(a，b)，所述U軸垂直于平面H。由于相機成像平面H與法蘭面F平行，機械臂末端的法蘭盤繞U軸旋轉(zhuǎn)后圓形標(biāo)志貼仍平行于相機成像平面H，因此使圓形標(biāo)志貼M的圓心再次成像在上述相機視場中的同一點時機械臂末端的移動為水平移動。圖4所示為機械臂末端的法蘭盤按逆時針繞U軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₁后圓形標(biāo)志貼M的圓心處坐標(biāo)變化的示意圖，在基坐標(biāo)系O′-XYZ下，用P(X，Y，Z)表示圓形標(biāo)志貼M的圓心成像在上述相機視場中的一點的空間坐標(biāo)，即點P(X，Y，Z)代表與像素坐標(biāo)p(u，v)相對應(yīng)的 圓形標(biāo)志貼M的圓心的空間坐標(biāo)。P′為旋轉(zhuǎn)后圓形標(biāo)志貼M的圓心的空間坐標(biāo)，設(shè)旋轉(zhuǎn)前點P(X，Y，Z)相對機械臂末端的空間坐標(biāo)P₁(X₁，Y₁，Z₁)的空間矢量為r₁(a₁，b₁，c₁)，設(shè)旋轉(zhuǎn)并移動機械臂末端使圓形標(biāo)志貼M的圓心成像在上述相機視場中的同一點P(X，Y，Z)后，點P(X，Y，Z)相對機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂(X₂，Y₂，Z₂)的空間矢量為r₂(a₂，b₂，c₂)，則有：

r₁(a₁，b₁，c₁)＝P(X，Y，Z)-P₁(X₁，Y₁，Z₁)

r₂(a₂，b₂，c₂)＝P(X，Y，Z)-P₂(X₂，Y₂，Z₂)

由于為平行移動，用矩陣表示r₁與r₂之間的關(guān)系為：

并且由于空間矢量r₁與r₂的模相等且豎直分量c₁＝c₂，則有：

r₁-r₂＝P₂-P₁

即

由上可知，通過讀取機械臂系統(tǒng)中機械臂末端旋轉(zhuǎn)前后的空間坐標(biāo)P₁(X₁，Y₁，Z₁)、P₂(X₂，Y₂，Z₂)以及旋轉(zhuǎn)角度A₁，即可以解得r₁的水平分量(a₁，b₁)的值，即水平分量(a₁，b₁)為工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的水平方向的分量(a，b)。上述步驟只要方法相同，也可使用其它類型的計算方法。

S3、使機械臂任一關(guān)節(jié)繞W軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₂，移動機械臂末端使圓形標(biāo)志貼M的圓心成像在上述相機視場中的同一點，移動機械臂末端到空間坐標(biāo)P₃(X₃，Y₃，Z₃)處使標(biāo)志物的長軸長度等于圓形標(biāo)志貼M的成像半徑R，根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂(X₂，Y₂，Z₂)和P₃(X₃，Y₃，Z₃)以及水平方向的分量計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₁，所述W軸平行于平面H。在機械臂任一關(guān)節(jié)繞W軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₂后，法蘭面F與相機成像平面H不再平行，圓形標(biāo)志貼M在相機成像平面上為橢圓。由于旋轉(zhuǎn)軸W軸平行于相機成像平面H，圓形標(biāo)志貼的沿W軸的半徑仍平行與相機成像平面H，但由于旋轉(zhuǎn)其遠離相機成像平面而成像在圖像上的長度變小。圓形標(biāo)志貼M沿V軸的半徑將旋轉(zhuǎn)角度A₂并遠離相機成像平面因而成像在圖像上的大小將變得比沿W軸的半徑的成像長 度更小。因此圓形標(biāo)志貼M的沿W軸的半徑的成像長度為成像橢圓的長軸，沿V軸的半徑的成像長度為成像橢圓的短軸。相對平面H先平行移動再垂直移動機械臂末端，或者順序反過來，使圓形標(biāo)志貼M的圓心成像在相機視場中的同一點，并使圓形標(biāo)志貼M的成像橢圓的長軸長度等于圓形標(biāo)志貼M的成像半徑R。所述同一點在上述空間坐標(biāo)點P(X，Y，Z)處，與上述圓形標(biāo)志貼M的圓心像素坐標(biāo)p(u，v)相對應(yīng)。讀取此時機械臂末端的空間坐標(biāo)P₃(X₃，Y₃，Z₃)，由于P₃(X₃，Y₃，Z₃)是在P₂(X₂，Y₂，Z₂)的基礎(chǔ)上繞W軸旋轉(zhuǎn)A₂，設(shè)點P(X，Y，Z)相對機械臂末端的空間坐標(biāo)P₃(X₃，Y₃，Z₃)的空間矢量為r₃(a₃，b₃，c₃)，則有：

r₂(a₂，b₂，c₂)＝P(X，Y，Z)-P₂(X₂，Y₂，Z₂)

r₃(a₃，b₃，c₃)＝P(X，Y，Z)-P₃(X₃，Y₃，Z₃)

用矩陣表示r₂與r₃之間的關(guān)系為：

并且由于空間矢量r₁、r₂與r₃的模相等且橫向分量a₁＝a₂，則有：

r₂-r₃＝P₃-P₂

即

由上可知，通過讀取機械臂系統(tǒng)中機械臂末端旋轉(zhuǎn)前后的空間坐標(biāo)P₂(X₂，Y₂，Z₂)、P₃(X₃，Y₃，Z₃)以及旋轉(zhuǎn)角度A₂，即可以解得r₂的豎直分量c₂的值。如步驟S2中所述，r₂的豎直分量c₂的值等于r₁的豎直分量c₁的值，即通過上述各式可聯(lián)立解得工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₁。上述步驟只要方法相同，也可使用其它類型的計算方法。

作為上述實施例的進一步改進，步驟S1中所述相機視場中的一點優(yōu)選為相機視場中的中點，或相機拍攝得到的圖像的中心像素點，則大大減少了因相機鏡頭的畸變而引起的標(biāo)定誤差。

作為上述實施例的進一步改進，如圖5所示所述步驟S2包括如下步驟：

S21、使機械臂末端的法蘭盤繞U軸分步旋轉(zhuǎn)任意角度A₁，所述U軸垂直于平面H，所 述分步旋轉(zhuǎn)為分為兩個步驟或兩個以上步驟旋轉(zhuǎn)，分步旋轉(zhuǎn)的角度總和為A₁。

S22、每步分步旋轉(zhuǎn)后相對平面H平行移動機械臂末端使圓形標(biāo)志貼M的圓心無限接近上述相機視場中的同一點，并記錄每步分步旋轉(zhuǎn)后相機拍攝得到的圖像中圓形標(biāo)志貼M圓心的像素坐標(biāo)p′(u′，v′)，若p′(u′，v′)與步驟S1中圓形標(biāo)志貼M圓心的像素坐標(biāo)p(u，v)的絕對位置差不超過0.5個像素，則認為圓形標(biāo)志貼M的圓心成像在上述相機視場中的同一點。

S23、讀取當(dāng)圓形標(biāo)志貼M的圓心成像在上述相機視場中的同一點時機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂(X₂，Y₂，Z₂)；

S24、根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₁(X₁，Y₁，Z₁)和P₂(X₂，Y₂，Z₂)的位置差按照上述計算過程計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的水平方向的分量(a，b)。

作為上述實施例的進一步改進，所述角度A1優(yōu)選為180°，則得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的水平方向的分量(a，b)的過程將大大簡化。此時，圓形標(biāo)志貼M圓心的空間坐標(biāo)點P(X，Y，Z)與其旋轉(zhuǎn)后的空間坐標(biāo)點P，以及機械臂末端在移動前后的空間坐標(biāo)P₁(X₁，Y₁，Z₁)和P₂(X₂，Y₂，Z₂)的位置關(guān)系如圖6所示。此時，有：

且用矩陣表示r₁與r₂之間的關(guān)系為：

即

聯(lián)立上式得：

即水平分量(a₁，b₁)為工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的水平方向的分量(a，b)。 上述步驟只要方法相同，也可使用其它類型的計算方法。

作為上述實施例的進一步改進，如圖7所示所述步驟S3包括如下步驟：

S31、使機械臂任一關(guān)節(jié)繞W軸分步旋轉(zhuǎn)任意角度A2，所述W軸平行于相機成像平面H，所述分步旋轉(zhuǎn)為分為兩個步驟或兩個以上步驟旋轉(zhuǎn)，分步旋轉(zhuǎn)的角度總和為A2。

S32、每步分步旋轉(zhuǎn)后均須相對相機成像平面H平行移動移動機械臂末端，并記錄每步分步旋轉(zhuǎn)后相機拍攝得到的圖像中圓形標(biāo)志貼M圓心的像素坐標(biāo)p″(u″，v″)，若p″(u″，v″)與步驟S1中圓形標(biāo)志貼M圓心的像素坐標(biāo)p(u，v)的絕對位置差不超過0.5個像素，則認為圓形標(biāo)志貼M的圓心成像在上述像素坐標(biāo)p(u，v)處。分步旋轉(zhuǎn)完成后，圓形標(biāo)志貼M在成像平面上的成像從圓變成了橢圓。

S33、使機械臂末端相對相機成像平面H垂直移動，當(dāng)相機拍攝得到的圖像中圓形標(biāo)志貼M的成像橢圓的長軸長度等于圓形標(biāo)志貼M的成像半徑R時停止移動機械臂，此時認為圓形標(biāo)志貼M的圓心成像在上述相機視場中的同一點，其空間坐標(biāo)為上述點P(X，Y，Z)。

S34、讀取機械臂末端的空間坐標(biāo)P₃(X₃，Y₃，Z₃)；

S35、根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂(X₂，Y₂，Z₂)和P₃(X₃，Y₃，Z₃)以及步驟S2中的水平方向的分量(a，b)按照前述計算方法計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₁。

作為上述實施例的進一步改進，所述角度A₂優(yōu)選為60°，則得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₁的過程將大大簡化。如圖8所示，由于P₃(X₃，Y₃，Z₃)是在P₂(X₂，Y₂，Z₂)基礎(chǔ)上繞W軸旋轉(zhuǎn)60°得來，因此P₂(X₂，Y₂，Z₂)與P₃(X₃，Y₃，Z₃)相對P(X，Y，Z)的空間矢量r₂與r₃的X坐標(biāo)相同，即a₂＝a₃，且旋轉(zhuǎn)前后中心點相對機械臂末端的長度不變，則有：

用矩陣表示r₁與r₂之間的關(guān)系為：

且步驟S2當(dāng)機械臂末端繞U軸旋轉(zhuǎn)角度A₁優(yōu)選為180°時，有a₂＝-a₁，b₂＝-b₁，c₂＝c₁，聯(lián)立上式有：

因此：

即：

由前面得到的水平分量b₁即可得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₁。

作為上述實施例的進一步改進，在所述步驟S3之后，有步驟S4，其具體為：使機械臂末端回位到步驟S2完成的狀態(tài)，并使機械臂任一關(guān)節(jié)繞V軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₃，所述V軸平行于平面H且垂直于W軸，所述旋轉(zhuǎn)可為分步旋轉(zhuǎn)，每步分步旋轉(zhuǎn)完成后均須移動機械臂末端，可相對平面H先平行移動再垂直移動機械臂末端，或者順序反過來，使圓形標(biāo)志貼M的圓心成像在上述相機視場中的同一點，設(shè)其空間坐標(biāo)為P₄(X₄，Y₄，Z₄)，并使圓形標(biāo)志貼M的成像橢圓的長軸長度等于圓形標(biāo)志貼M的成像半徑R。根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂(X₂，Y₂，Z₂)和P₄(X₄，Y₄，Z₄)以及水平方向的分量(a，b)按照上述計算方法可計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₂為：

將兩次豎直方向的分量c₁與c₂的平均值c作為最終工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量，可提高豎直方向上標(biāo)定的精度。

作為上述實施例的進一步改進，在所述步驟S3之前有一個步驟，其具體為：使機械臂任一關(guān)節(jié)繞V軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₃，所述V軸平行于平面H且垂直于W軸，所述旋轉(zhuǎn)可為分步旋轉(zhuǎn)，每步分步旋轉(zhuǎn)完成后均須移動機械臂末端，可相對平面H先平行移動再垂直移動機械臂末端，或者順序反過來，使圓形標(biāo)志貼M的圓心成像在上述相機視場中的同一點，設(shè)其空間坐標(biāo)為P₄(X₄，Y₄，Z₄)，并使圓形標(biāo)志貼M的成像橢圓的長軸長度等于圓形標(biāo)志貼M的 成像半徑R。根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂(X₂，Y₂，Z₂)和P₄(X₄，Y₄，Z₄)以及水平方向的分量(a，b)按照上述計算方法可計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₂，然后使機械臂末端回位到步驟S2完成的狀態(tài)，再在步驟S3完成后，將兩次豎直方向的分量c₁與c₂的平均值c作為最終工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量，可提高豎直方向上標(biāo)定的精度。

根據(jù)本發(fā)明另一實施例，一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定系統(tǒng)，如圖9所示該系統(tǒng)包括：

采集模塊，設(shè)置為采集機械臂末端的圖像；

存儲模塊，設(shè)置為存儲所述采集模塊采集的圖像、機械臂各個關(guān)節(jié)移動的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理的中間數(shù)據(jù)以及最終的標(biāo)定結(jié)果；

顯示模塊，設(shè)置為實時顯示所述采集模塊采集的圖像以及展示標(biāo)定結(jié)果；

控制模塊，設(shè)置為控制機械臂移動或旋轉(zhuǎn)；

處理模塊，設(shè)置為處理圖像并從中提取標(biāo)志點，根據(jù)處理的結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的指令給控制模塊。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定系統(tǒng)，如圖10所示該系統(tǒng)包括：

工業(yè)機器人，所述工業(yè)機器人包括基座與機械臂，所述基座固定在工業(yè)機器人的一處應(yīng)用場所，所述機械臂具有兩個及兩個以上的關(guān)節(jié)并在末端具有一個能夠旋轉(zhuǎn)的法蘭盤，所述法蘭盤具有用于固定工具的突起或凹槽，所述關(guān)節(jié)能夠旋轉(zhuǎn)使得機械臂達到目標(biāo)物處；

工具，所述工具的一端與法蘭盤固定鏈接，工具的另一端用于完成不同的應(yīng)用；

標(biāo)志物，所述標(biāo)志物粘貼于工具的中心點處且相對于法蘭盤的法蘭面平行放置，所述工具的中心點根據(jù)需要標(biāo)定的點而確定；

相機，所述相機固定在機械臂末端的下方，所述相機的成像平面在工業(yè)機器人的初始狀態(tài)下相對法蘭面平行，所述工業(yè)機器人的初始狀態(tài)為在基座所在的球形坐標(biāo)系O′-UWV中機械臂末端沿U軸放置且法蘭盤的旋轉(zhuǎn)角度為0°；

存儲器，所述存儲器用于存儲標(biāo)定過程中相機拍攝的圖片、機械臂各個關(guān)節(jié)移動的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理的中間數(shù)據(jù)以及最終的標(biāo)定結(jié)果；

顯示器，所述顯示器用于實時顯示相機拍攝的圖片以及展示標(biāo)定的結(jié)果；

控制器，所述控制器用于控制機械臂移動或旋轉(zhuǎn)；

處理器，所述處理器用于處理圖像并從中提取標(biāo)志點，根據(jù)處理的結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的指令給控制器。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括如下裝置：

第一裝置，設(shè)置為將圓形標(biāo)志物相對機械臂末端的法蘭面平行固定在工具中心點，使標(biāo)志物的圓心成像在相機視場中的一點并使機械臂末端的法蘭面相對相機成像平面H平行，記錄此時相機拍攝得到的圖像中標(biāo)志物的成像半徑R、標(biāo)志物圓心的像素坐標(biāo)p以及機械臂末端的空間坐標(biāo)P₁；

第二裝置，設(shè)置為使機械臂末端的法蘭盤繞U軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₁，移動機械臂末端到空間坐標(biāo)P₂處使標(biāo)志物的圓心成像在上述相機視場中的同一點，根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₁和P₂計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的水平方向的分量(a，b)，所述U軸垂直于平面H；

第三裝置，設(shè)置為使機械臂任一關(guān)節(jié)繞W軸旋轉(zhuǎn)任意角度A₂，移動機械臂末端到空間坐標(biāo)P₃處使標(biāo)志物的圓心成像在上述相機視場中的同一點，并使標(biāo)志物的在平面H上的成像長軸長度等于標(biāo)志物的成像半徑R，根據(jù)兩次機械臂末端的空間坐標(biāo)P₂和P₃以及水平方向的分量(a，b)計算得到工具中心點相對機械臂末端的空間矢量的豎直方向的分量c₁，所述W軸平行于平面H。

本發(fā)明一種工業(yè)機器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法與系統(tǒng)，是標(biāo)定工具中心點相對機械臂末端的空間矢量，因此還可以進一步作為校準(zhǔn)機械臂所夾持工具是否偏離預(yù)定角度與位置的校準(zhǔn)方法與系統(tǒng)，以提高工業(yè)作業(yè)中的精度。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到本申請實施例中的技術(shù)可借助軟件加必需的通用硬件平臺的方式來實現(xiàn)，以及可選地也可以通過專用硬件電路，如大規(guī)模集成電路、CPLD等?；谶@樣的理解，本申請實施例中的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻的部分可以以軟件產(chǎn)品和/或硬件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，其中該計算機軟件產(chǎn)品可以存儲在存儲介質(zhì)中，如ROM/RAM、磁碟、光盤等，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本申請各個實施例或者實施例的某些部分所述的方法。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于系統(tǒng)實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例的部分說明即可。

以上所述，只是本發(fā)明的較佳實施例而已，本發(fā)明并不局限于上述實施方式，只要其以相同的手段達到本發(fā)明的技術(shù)效果，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)其技術(shù)方案和/或?qū)嵤┓绞娇梢杂懈鞣N不同的修改和變化。即使個別的技術(shù)特征在不同的權(quán)利要求中引用，本發(fā)明還可包含共有這些特征的實施例。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。