本發(fā)明屬于工業(yè)機器人離線編程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種校正工業(yè)機器人離線編程在現(xiàn)場中的誤差的方法。

背景技術(shù)：

機器人離線編程系統(tǒng)(Robot off-line-programming System)是當前機器人研究領(lǐng)域最活躍最前沿的研究方向。近年來，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。它集機械工程、電子工程、自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果于一體，目前已有許多類型的機器人投入工程應(yīng)用，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟和社會效益。機器人是一個可編程的機械裝置，其功能的靈活性和智能性很大程度上決定于機器人的編程能力。

在理想條件下，即整個空間的六個面足夠的平整和光滑的條件下，工業(yè)機器人離線編程仿真可以非常準確的安放工業(yè)機器人并進行工業(yè)機器人的路徑規(guī)劃。但是，現(xiàn)實中由于放置機器人的場地可能出現(xiàn)地面不平導(dǎo)致安裝有誤差，以及工業(yè)機器人本身尺寸存在誤差等因素，所以，離線編程仿真出來的結(jié)果，放在現(xiàn)場會有一定的誤差，從而導(dǎo)致仿真與實際不相符?，F(xiàn)今對此現(xiàn)象進行校正的方法多數(shù)是人為校正，個別使用設(shè)備校正，校正設(shè)備價格上很高，方法上也很復(fù)雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有誤差校正方法存在的校正設(shè)備價格高且校正方法復(fù)雜的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種校正工業(yè)機器人離線編程在現(xiàn)場中的誤差的方法。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下：

校正工業(yè)機器人離線編程在現(xiàn)場中的誤差的方法，其包括以下步驟：

(1)在計算機中進行工業(yè)機器人的離線編程仿真，確定兩個工業(yè)相機的具體位置，并將其中一個工業(yè)相機的位置設(shè)定為原點，該相機與另一臺工業(yè)相機連線方向為X軸的正向，工業(yè)相機光軸的方向為Y軸的正向，根據(jù)右手定則確定Z軸的正向，建立仿真新坐標系，在這個仿真新坐標系中，確定兩個校正點的位置及其坐標值，以及確定在兩個工業(yè)相機能夠拍到的范圍內(nèi)，工業(yè)機器人上的固定不動的三個明顯的特征點及其坐標值；

(2)在現(xiàn)場中，根據(jù)步驟(1)仿真的位置安放兩個工業(yè)相機，拍攝校正點，得出校正點的坐標和校正矩陣；

(3)拍攝步驟(1)仿真中確定的機器人上的第一個特征點，并得出該特征點相對于工業(yè)相機的坐標；

(4)拍攝步驟(1)仿真中確定的機器人上的第二個特征點，并得出該特征點相對于工業(yè)相機的坐標；

(5)拍攝步驟(1)仿真中確定的機器人上的第三個特征點，并得出該特征點相對于工業(yè)相機的坐標；

(6)利用坐標變換中的齊次變換，得到校正需要的相關(guān)數(shù)據(jù)；

(7)將步驟(6)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給計算機，修正步驟(1)中工業(yè)機器人的離線編程仿真。

步驟(1)中所述的確定兩個工業(yè)相機的具體位置是指在離線編程軟件中進行工業(yè)機器人的離線編程仿真時，在整個仿真的布局中，選取兩個易于安放且能夠拍攝到工業(yè)機器人的兩個點安放此兩個工業(yè)相機。

步驟(1)中所述的確定兩個校正點的位置是指在兩個工業(yè)相機能夠拍到的范圍內(nèi)，選取兩個固定且明顯的位置。

步驟(2)中所述的得出校正點的坐標的方法是：校正點所在的坐標系與在仿真中校正點坐標系建立的方式相同，兩個工業(yè)相機與目標點形成三角形關(guān)系，目標點求解是基于視差，由三角原理進行三維信息的獲取，已知兩個工業(yè)相機之間的位置關(guān)系，便可以獲取公共視場內(nèi)物體特征點的三維坐標；設(shè)空間點P的世界坐標為(X_W,Y_W,Z_W)，在左側(cè)工業(yè)相機的圖像坐標為(u,v)，在右側(cè)工業(yè)相機的圖像坐標為則有：

即：

其中，m₁～m₁₆、為工業(yè)相機的投影矩陣，由工業(yè)相機的內(nèi)部參數(shù)得出，k₁、k₂、為畸變系數(shù)，θ為配比系數(shù)；在上述的公式中，由于在無畸變的理想條件下，m₁～m₁₆、已知，θ為0，上述方程可以用偽逆法求解，得出校正點的坐標值。

步驟(2)中所述的得出校正矩陣的方法是：通過坐標變換中的齊次變換，可得公式：

即：

其中：

為齊次變換陣；

為目標點在現(xiàn)場中確定的坐標；

為目標點在仿真中所確定的坐標；

為X、Y、Z軸變化量的平移矩陣；

為旋轉(zhuǎn)矩陣；

式中，f、q、j為三維坐標的歐拉角，繞x軸旋轉(zhuǎn)為j，繞y軸旋轉(zhuǎn)為q，繞z軸旋轉(zhuǎn)為f；所測量的校正點為兩個，因此，可得到八個公式，需要求解六個未知數(shù)，可以用偽逆法求解，得到齊次變換陣，即為校正矩陣。

步驟(3)至步驟(5)中所述的得出特征點相對于工業(yè)相機的坐標是指三個特征點在現(xiàn)場新坐標系下的坐標，此現(xiàn)場新坐標系的建立方式與步驟(1)仿真中建立新坐標系的方式相同，是以工業(yè)機器人的離線編程仿真所選取的那個工業(yè)相機的位置為坐標系原點，以此相機與另一臺工業(yè)相機連線方向為X軸的正向，工業(yè)相機光軸的方向為Y軸的正向，根據(jù)右手定則確定Z軸的正向，建立現(xiàn)場新坐標系。

步驟(6)中所述校正需要的相關(guān)數(shù)據(jù)是指現(xiàn)場中新坐標系相對于仿真中新坐標系的滾動角、偏航角、俯仰角和原點平移的距離。

步驟(6)中所述校正需要的相關(guān)數(shù)據(jù)的求解方法是將機器人的齊次變換矩陣乘以步驟(2)的校正矩陣，得出校正后的齊次變換矩陣，即為校正需要的相關(guān)數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的有益效果是：該方法使用工業(yè)相機，價格上相對便宜，方法上簡單易行；利用工業(yè)相機，在特定的條件下，在現(xiàn)場中就可以得到離線編程仿真的誤差，再把誤差反饋給計算機離線編程軟件，在軟件中重新修改參數(shù)，使整個仿真更加精密和準確，避免了由于現(xiàn)場的自然條件所導(dǎo)致的工業(yè)機器人軌跡的不準確，避免了人工在現(xiàn)場中進行不準確的校正，同時也減少了校正的時間。

附圖說明

圖1為兩個工業(yè)相機成像原理示意圖。

圖2為單個工業(yè)相機拍攝特征點的原理示意圖。

圖3為特征點在相平面上成像后坐標選取的方式示意圖。

圖4為本發(fā)明校正工業(yè)機器人離線編程在現(xiàn)場中的誤差的方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。

如圖1至圖4所示，本發(fā)明校正工業(yè)機器人離線編程在現(xiàn)場中的誤差的方法如下：

首先，在工業(yè)機器人離線編程仿真中進行現(xiàn)場布局，安放好工業(yè)機器人。隨后在整個布局中選取兩個點安放工業(yè)相機，而這兩個點需要是特殊的、方便的、易于安放的兩個點，同時也要能夠拍攝到工業(yè)機器人(例如，工位框架上的兩個角)。隨后，根據(jù)這兩個工業(yè)相機建立新的坐標系：以其中一個工業(yè)相機的位置為坐標系原點，與另一臺工業(yè)相機連線方向為X軸的正向，工業(yè)相機光軸的方向為Y軸的正向，隨后根據(jù)右手定則確定Z軸的正向，形成的仿真新坐標系。

然后，選取整個仿真區(qū)域中的較為明顯的兩個點(例如，安放工業(yè)機器人地面上的孔洞)作為校正點，通過仿真軟件得出這兩個校正點在仿真新坐標系下的坐標，通過在工業(yè)相機能夠拍照的范圍內(nèi)，找到機器人上固定的明顯的三個特征點(例如，工業(yè)機器人底座上相機能夠拍攝到的三個點)，得出這三個特征點在仿真新坐標系下的坐標。

以上的過程是需要在工業(yè)機器人離線編程仿真軟件中進行的準備工作。

在現(xiàn)場中，根據(jù)仿真軟件中的布局，布置整個現(xiàn)場。如圖1所示，兩個工業(yè)相機采用圖1的方式進行安放，具體位置則按照仿真軟件中的位置安放兩個工業(yè)相機，并在現(xiàn)場中找到仿真中的兩個校正點，由工業(yè)相機拍攝。

如圖1所示，兩個工業(yè)相機視覺系統(tǒng)是基于視差，由三角原理進行三維信息的獲取，已知兩個工業(yè)相機之間的位置關(guān)系，便可以獲取公共視場內(nèi)物體的三維尺寸及空間特征點的三維坐標。

圖2為單個工業(yè)相機拍攝特征點的原理圖，圖3是特征點在相平面上成像后坐標選取的方式。按照圖1安放兩個工業(yè)相機，設(shè)空間點P的世界坐標為(X_W,Y_W,Z_W),在左側(cè)工業(yè)相機的圖像坐標為(u,v)，在右側(cè)工業(yè)相機的圖像坐標為則有：

即:

其中，m₁～m₁₆、為工業(yè)相機的投影矩陣，由工業(yè)相機的內(nèi)部參數(shù)得出，k₁、k₂、為畸變系數(shù)，θ為配比系數(shù)。在上述的公式中，由于m₁～m₁₆、已知，θ為0，即在無畸變的理想條件下，上述公式就成了4個方程，3個未知數(shù)，可以用偽逆法求解。運用此方法，可以得出校正點的實際坐標值。

將上述得出的實際三維坐標與工業(yè)機器人離線仿真中的三維坐標作比較：如果在誤差允許范圍內(nèi)，則無需校正；如果在誤差允許的范圍外，則需要校正。因為在安放工業(yè)相機的時候，會存在場地、安放等誤差，從而導(dǎo)致安放的位置與仿真中的位置有差別。想要得出準確的坐標值，就必須需要校正。這里得出校正矩陣也是為了隨后校正工業(yè)機器人上的三個特征點做準備。

通過坐標變換中的齊次變換，可得公式

即：

其中：

為齊次變換陣

為目標點在現(xiàn)場中確定的坐標

為目標點在仿真中所確定的坐標，

為X、Y、Z軸變化量的平移矩陣，

為旋轉(zhuǎn)矩陣，

公式中f、q、j為三維坐標的歐拉角，繞x軸旋轉(zhuǎn)為j，繞y軸旋轉(zhuǎn)為q，繞z軸旋轉(zhuǎn)為f。所測量的校正點為兩個，因此，可得到八個公式，需要求解六個未知數(shù)，可以用偽逆法求解。利用上述方法，可得到齊次變換陣即為校正矩陣。

拍攝仿真中固定在機器人上的第一個特征點，特征點圖像坐標在兩個工業(yè)相機上分別為p_left＝(X_left,Y_left)，p_right＝(X_right,Y_right)。

兩個工業(yè)相機的圖像在同一個平面上，第一個特征點的圖像坐標Y坐標相同，即Y_left＝Y(jié)_right＝Y(jié)，工業(yè)相機的焦距為f，則由三角幾何關(guān)系得到：

則視差為：Disparity＝X_left-X_right。式中，B為基線距，即兩個相機的投影中心連線的距離。由此可計算第一個特征點在仿真坐標系下的三維坐標為：

依照上述的方法，依次拍照固定在機器人上的第二個特征點和第三個特征點，并求出其坐標。

隨后，通過下面的算法得出現(xiàn)場坐標系相對于仿真坐標系的滾動角、偏航角、俯仰角，和原點平移的距離，再將旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣分別與校正矩陣相乘，得出校正后所需要的數(shù)據(jù)。該算法為：

即：

其中：

為齊次變換陣

為目標點在現(xiàn)場中確定的坐標

為目標點在仿真中所確定的坐標，

為X、Y、Z軸變化量的平移矩陣，

為旋轉(zhuǎn)矩陣，

式中，f、q、j為三維坐標的歐拉角，繞x軸旋轉(zhuǎn)為j，繞y軸旋轉(zhuǎn)為q，繞z軸旋轉(zhuǎn)為f；ΔX、ΔY、ΔZ分別為平移矩陣中X方向的增量、Y方向的增量、Z方向的增量。所測量的固定點為三個，因此，可得到九個公式，需要求解九個未知數(shù)，可以用偽逆法求解。

最后，把相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給計算機，修正離線編程仿真。