CN111590550A - 一种搬运机械手的物料位置标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种搬运机械手的物料位置标定方法，包括以下步骤：建立平面坐标系，先假设物料的旋转中心为已知的坐标点O_已知；在平面坐标系中，机械手的旋转臂绕旋转中心连续转动三次，位于旋转臂的末端的物料所处的位置分别用A、B、C代表；求A、B、C的坐标，和求得线段AB、OA、OB的长度，再求线段AB和OA的方位角；求得物料的旋转中心，并验证；先示教一个放料位置，得到物料的特征中心的坐标和角度；重新吸取一个新的物料，相机获得当前物料的特征中心的坐标和角度；根据绕点旋转公式，得到物料在旋转后的坐标位置；计算物料在旋转后的偏移量。本发明只需获取一次物料的图像，搬运机械手即可完成纠偏工作，尤其适用于节拍要求严格的场合。

Description

一种搬运机械手的物料位置标定方法

技术领域

本发明涉及搬运机械手技术领域，具体涉及一种搬运机械手的物料位置标定方法。

背景技术

搬运机器人是近代高科技自动化的产物，能够根据设定的指令进行自动化的搬运工作；其中，机械手是搬运机器人的主要代表，可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人手和机器各自的优点，基于作业的准确性和通用性，从而在国民经济各领域有着广阔的发展前景，逐渐进入工业全自动化时代，实现制造业升级，推进制造2025的进程。

在现有的自动化生产领域中，物料的位置关系以及摆放姿态主要靠机械手上的各种传感器感应或者图像识别来确定，例如在机械手搬运物料的过程中，需要对物料进行标定，从而确保机械手能精确地将物料放置在预定的位置上。

具体地，在相机往上对物料进行标定的场合中，现有技术中常用的标定方法主要包括两种：其一，利用机械手自带的刷新函数，计算出物料中心距离Tool0的偏移值以及偏移角度，最后通过类似ToolSet的函数，直接设置成机械手的TCP工具，即可直接使用更新后的工具进行纠偏放料。其二，采取两步走的方法进行纠偏，第一次拍照计算物料的角度，让机械手旋转至物料放置的角度一致。第二次拍照计算与标准模板相比较XY的偏移量，再次让机械手平移到放料位置。

上述第一种物料位置标定方法，虽然比较简单方便，但是标定程序需要跟特定的机械手进行绑定，不能广泛应用。而第二种物料位置标定方法，适合所有机械手以及执行机构使用，但是需要拍两次，不适合用于节拍要求严格的场合。

发明内容

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种搬运机械手的物料位置标定方法，该物料位置标定方法只需获取一次物料的图像，搬运机械手即可得到物料对应的偏移参数，完成纠偏工作，能够应用于各种机械手搬运的标定场合，尤其是适用于节拍要求严格的场合。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种搬运机械手的物料位置标定方法，包括以下步骤：

建立物料搬运的平面坐标系，先假设物料的旋转中心为已知的坐标点O_已知(O_X已知，O_Y已知)；在平面坐标系中，将用于抓取物料的机械手的旋转臂绕着假设的旋转中心在同一个方向连续转动三次，每次转动的角度相同，位于旋转臂的末端的物料在三次转动后所处的位置分别用A、B、C代表；根据转动的角度以及坐标规律，求得A、B、C的坐标；连接点A和点B，并先后求得直线段AB、OA、OB的长度，再求得线段AB和OA在本平面坐标系中的方位角；基于A点坐标、L_OA以及α_OA的方位角求得物料的旋转中心，并进行有效验证；

先示教一个放料位置，然后让机械手抓取物料，并将物料移动至相机的拍照位置；相机从下往上对物料进行拍照，并得出物料的特征中心的坐标值以及角度；重新吸取一个新的物料，相机对其进行拍照，获得当前物料的特征中心的坐标值以及角度；根据绕点旋转公式，得到物料在旋转后的坐标位置；计算物料在旋转后的偏移量，并向机械手发送对应的偏移指令，机械手将物料搬运至目标位置上。

本发明的一个优选方案，其中，得到A(A_X，A_Y)和B(B_X，B_Y)的坐标后，通过以下公式得到线段AB的长度L_AB：

L_AB＝SQRT((A_X-B_X)^2+(A_Y-B_Y)^2)。

本发明的一个优选方案，其中，将OA的转动角度设为∠AOB，通过以下公式得到OA的长度L_OA以及OB的长度L_OB：

L_OA＝(L_AB/2)/SIN((∠AOB/2)*PI()/180)；

由于OAB为以AB为底边的等腰三角形，因此OB的长度L_OB＝L_OA。

本发明的一个优选方案，其中，通过以下公式得到AB在本平面坐标系中的方位角α_AB：

α_AB＝DEGREES(PI()*(1-SIGN(B_Y-A_Y)/2)-ATAN((B_X-A_X)/(B_Y-A_Y)))；

其中，若求得的α_AB小于0，则α_AB加上360。

本发明的一个优选方案，其中，结合AB的方位角α_AB，通过以下公式得到OA在本平面坐标系中的方位角α_OA：

α_AO1＝α_AB-(90-∠AOB/2)；

α_AO2＝α_AB+(90-∠AO B/2)。

在上述公式中，由于OA具有对称性，通常有两个解，在往后的步骤中将会对两个方位角α_OA求得旋转中心进行有效验证。

本发明的一个优选方案，其中，结合A(A_X，A_Y)、L_OA以及α_OA，通过以下公式得到物料的旋转中心O(O_X，O_Y)：

O_X＝(A_X+L_OA*COS(α_OA*PI()/180))；

O_Y＝(A_Y+L_OA*COS(α_OA*PI()/180))；

其中，上述得到物料的旋转中心有两个：O₁(O_X1，O_Y1)和O₂(O_X2，O_Y2)。

本发明的一个优选方案，其中，求得旋转中心后，通过向量夹角公式分别得到BC与AO₁和AO₂的夹角，公式如下：

cos<BC,AO>＝BC*AO/|BC||AO|；

当BC与AO的的夹角小于90°时，即为有效的旋转中心。

本发明的一个优选方案，其中，将示教物料的特征中心的坐标值以及角度设为refPos(x,y,u)，将新的物料的特征中心的坐标值以及角度设为curPos(x,y,u)；通过绕点旋转公式得到新的物料在旋转后的坐标位置：

X₀＝(x-rx₀)*cos(a)-(y-ry₀)*sin(a)+rx₀；

Y₀＝(x-rx₀)*sin(a)+(y-ry₀)*cos(a)+ry₀；

其中，x＝curPos_x；y＝curPos_y；rx₀＝O_X；ry₀＝O_Y；a＝curPos_u-refPos_u；

再计算得到旋转后的偏移量为：X₀-refPos_x，Y₀-refPos_y。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明的物料位置标定方法中，先求得物料的旋转中心，结合示教物料的特征中心的坐标值以及角度，在实际物料搬运过程中，相机只需对物料进行一次图像获取，即可得到对应的物料的偏移量，标定过程十分简便，标定的效率更高。

2、在物料搬运过程中，由于只需拍照一次，即可完成纠偏工作，能够应用于各种机械手搬运的标定场合，尤其是适用于节拍要求严格的场合。

附图说明

图1为本发明中的搬运机械手的物料位置标定方法的坐标系。

图2为本发明中的搬运机械手的物料位置标定方法的流程图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1-2，本实施例中的搬运机械手的物料位置标定方法，包括以下步骤：

步骤一、

首先建立平面坐标系，假设物料的旋转中心为已知的坐标点O_已知(O_X已知，O_Y已知)，例如为原点O₀(0，0)；将用于抓取物料的机械手的旋转臂设为f，旋转臂f的一端连接在旋转中心，另一端抓取着物料。

在平面坐标系中，将旋转臂f绕着旋转中心在逆时针方向连续转动三次(在转动之前，旋转臂f与X轴共线)，每次转动的角度相同，物料在三次转动后所处的位置分别用A、B、C代表(这三个位置最好是9点标定转换出来的机器人坐标系下的坐标，如果是像素坐标，应当根据像素单量进行转换)，其中转动的角度为∠AOB取15°，当然也可以取其他数值。根据转动的角度以及坐标规律，求得A、B、C的坐标：A(3，1)、B(2.64，1.74)、C(2.1，237)。

接着，连接点A和点B，通过以下公式得到线段AB的长度L_AB：

L_AB＝SQRT((A_X-B_X)^2+(A_Y-B_Y)^2)＝0.8229。

通过上述公式得到L_AB，再通过以下公式得到OA的长度L_OA以及OB的长度L_OB：

L_OA＝(L_AB/2)/SIN((∠AOB/2)*PI()/180)＝3.1523。

其中，由于OAB为以AB为底边的等腰三角形，所以OB的长度L_OB＝L_OA＝3.1523。

接着，通过以下公式得到线段AB在本平面坐标系中的方位角α_AB：

α_AB＝DEGREES(PI()*(1-SIGN(1.74-1)/2)-ATAN((2.64-3)/(1.74-1)))

＝115.9422°。

上述公式得到方位角α_AB，再通过以下公式得到OA在本平面坐标系中的方位角α_OA：

α_AO1＝α_AB-(90-∠AOB/2)＝33.44；

α_AO2＝α_AB+(90-∠AOB/2)＝198.44。

在上述公式中，由于OA具有对称性，通常有两个解，在往后的步骤中将会对两个方位角α_OA求得旋转中心进行有效验证。

结合以上公式得到的A(3，1)、L_OA以及α_OA，通过以下公式得到物料的旋转中心O(O_X，O_Y)：

其中，O₁为：

O_X1＝(A_X+L_OA*COS(α_OA1*PI()/180))＝5；

O_Y1＝(A_Y+L_OA*COS(α_OA1*PI()/180))＝2.73。

O₂为：

O_X2＝(A_X+L_OA*COS(α_OA2*PI()/180))＝0.0096；

O_Y2＝(A_Y+L_OA*COS(α_OA2*PI()/180))＝0.0028。

求得旋转中心后，通过向量夹角公式分别得到BC与AO₁和AO₂的夹角，公式如下：

cos<BC,AO>＝BC*AO/|BC||AO|；

通过上述公式可得，BC与AO₁夹角为97.16°，BC与AO₂夹角为67.84°。由于BC与AO₂夹角小于90°时，所以O₂(0.0096，0.0028)为有效的旋转中心，与开始假设的旋转中心(0，0)接近，验证完成。

步骤二、

先示教一个放料位置，然后把物料抓取起来，并将物料移动至相机的拍照位置；相机从下往上对物料进行拍照，并得出物料的特征中心的坐标值以及角度：refPos(x,y,u)。

重新吸取一个新的物料，相机对其进行拍照，获得当前物料的特征中心的坐标值以及角度：curPos(x,y,u)。

根据绕点旋转公式，得到物料在旋转后的坐标位置：

X₀＝(x-rx₀)*cos(a)-(y-ry₀)*sin(a)+rx₀；

Y₀＝(x-rx₀)*sin(a)+(y-ry₀)*cos(a)+ry₀；

其中，x＝curPos_x；y＝curPos_y；rx₀＝O_X；ry₀＝O_Y；a＝curPos_u-refPos_u。

计算得到旋转后的偏移量为：X₀-refPos_x，Y₀-refPos_y，向机器人发送对应的偏移指令，机器人将物料搬运至目标位置上。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种搬运机械手的物料位置标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立物料搬运的平面坐标系，假设物料的旋转中心为已知的坐标点O_已知(O_X已知，O_Y已知)；在平面坐标系中，将用于抓取物料的机械手的旋转臂绕着假设的旋转中心在同一个方向连续转动三次，每次转动的角度相同，位于旋转臂的末端的物料在三次转动后所处的位置分别用A、B、C代表；根据转动的角度以及坐标规律，求得A、B、C的坐标；连接点A和点B，并先后求得直线段AB、OA、OB的长度，再求得线段AB和OA在本平面坐标系中的方位角；基于A点坐标、L_OA以及α_OA的方位角求得物料的旋转中心，并进行有效验证；

先示教一个放料位置，然后让机械手抓取物料，并将物料移动至相机的拍照位置；相机从下往上对物料进行拍照，并得出物料的特征中心的坐标值以及角度；重新吸取一个新的物料，相机对其进行拍照，获得当前物料的特征中心的坐标值以及角度；根据绕点旋转公式，得到物料在旋转后的坐标位置；计算物料在旋转后的偏移量，并向机械手的发送对应的偏移指令，机械手的将物料搬运至目标位置上。

2.根据权利要求1所述的搬运机械手的物料位置标定方法，其特征在于，得到A(A_X，A_Y)和B(B_X，B_Y)后，通过以下公式得到线段AB的长度L_AB：

L_AB＝SQRT((A_X-B_X)^2+(A_Y-B_Y)^2)。

3.根据权利要求2所述的搬运机械手的物料位置标定方法，其特征在于，将每次转动角度设为∠AOB，通过以下公式得到OA的长度L_OA以及OB的长度L_OB：

L_OA＝(L_AB/2)/SIN((∠AOB/2)*PI()/180)；

L_OB＝L_OA。

4.根据权利要求1所述的搬运机械手的物料位置标定方法，其特征在于，通过以下公式得到AB在本平面坐标系中的方位角α_AB：

α_AB＝DEGREES(PI()*(1-SIGN(B_Y-A_Y)/2)-ATAN((B_X-A_X)/(B_Y-A_Y)))；

其中，若求得的α_AB小于0，则α_AB加上360°。

5.根据权利要求4所述的搬运机械手的物料位置标定方法，其特征在于，结合AB的方位角α_AB，通过以下公式得到OA在本平面坐标系中的方位角α_OA：

α_AO1＝α_AB-(90-∠AOB/2)；

α_AO2＝α_AB+(90-∠AO B/2)。

6.根据权利要求5所述的搬运机械手的物料位置标定方法，其特征在于，结合A(A_X，A_Y)、L_OA以及α_OA，通过以下公式得到物料的旋转中心O(O_X，O_Y)：

O_X＝(A_X+L_OA*COS(α_OA*PI()/180))；

O_Y＝(A_Y+L_OA*COS(α_OA*PI()/180))；

其中，上述得到物料的旋转中心有两个：O₁(O_X1，O_Y1)和O₂(O_X2，O_Y2)。

7.根据权利要求1所述的搬运机械手的物料位置标定方法，其特征在于，求得旋转中心后，通过向量夹角公式分别得到BC与AO₁和AO₂的夹角，公式如下：

cos<BC,AO>＝BC*AO/|BC||AO|；

当BC与AO的的夹角小于90°时，即为有效的旋转中心。

8.根据权利要求7所述的搬运机械手的物料位置标定方法，其特征在于，将示教物料的特征中心的坐标值以及角度设为refPos(x,y,u)，将新的物料的特征中心的坐标值以及角度设为curPos(x,y,u)；通过绕点旋转公式得到新的物料在旋转后的坐标位置：

X₀＝(x-rx₀)*cos(a)-(y-ry₀)*sin(a)+rx₀；

Y₀＝(x-rx₀)*sin(a)+(y-ry₀)*cos(a)+ry₀；

其中，x＝curPos_x；y＝curPos_y；rx₀＝O_X；ry₀＝O_Y；a＝curPos_u-refPos_u；

再计算得到旋转后的偏移量为：X₀-refPos_x，Y₀-refPos_y。

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