[發(fā)明專利]一種機(jī)器人坐標(biāo)系與三維測(cè)量坐標(biāo)系的變換方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610602245.0
• 申請(qǐng)日: 2016-07-26
• 公開（公告）號(hào): CN106323286B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程良倫;徐金雄;王濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/20
• 分類號(hào): G01C21/20
• 代理公司: 廣東廣信君達(dá)律師事務(wù)所44329
• 代理人: 楊曉松

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及信息技術(shù)處理領(lǐng)域，更具體地，涉及一種三維測(cè)量數(shù)據(jù)到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的變換方法。

背景技術(shù)

智能機(jī)器人借助激光掃描儀等三維測(cè)量裝置，能獲取目標(biāo)位置和工作環(huán)境的3維數(shù)據(jù)，從而自動(dòng)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人移動(dòng)路徑，規(guī)避環(huán)境中的障礙移動(dòng)到目標(biāo)位置。但實(shí)際中由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)值和激光掃描儀的坐標(biāo)值都是在各坐標(biāo)系下得到的并不統(tǒng)一。因此需要先將測(cè)量得到的3維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下，使測(cè)量數(shù)據(jù)的3維坐標(biāo)等于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)下的3維坐標(biāo)。

目前，所有的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法都是通過在兩個(gè)坐標(biāo)系中找若干個(gè)公共點(diǎn)，然后通過建立方程組求解旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)。例如，七參數(shù)模型求解，將3個(gè)平移量、3個(gè)旋轉(zhuǎn)量和1個(gè)尺度因子作為待求解的未知量，然后通過聯(lián)立方程求解；十三參數(shù)模型求解，將3個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣用一個(gè)3×3矩陣表示，則有9個(gè)未知參數(shù)，加上3個(gè)平移量和1個(gè)尺度因子合計(jì)13個(gè)未知量，然后通過聯(lián)立方程求解。但將這些方法應(yīng)用在智能機(jī)器人時(shí)存在以下問題：(1)難以尋找大量的公共點(diǎn)用于求解轉(zhuǎn)換矩陣參數(shù)；(2)實(shí)際中所有的公共點(diǎn)是存在誤差的。因此，需要一種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，只需要少量的公共點(diǎn)就能計(jì)算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，同時(shí)能修正由于公共點(diǎn)誤差帶來的轉(zhuǎn)換誤差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的公共點(diǎn)難以尋找，公共點(diǎn)存在誤差等問題，提供一種機(jī)器人坐標(biāo)系與三維測(cè)量坐標(biāo)系的變換方法，適用于各種智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和三維測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種機(jī)器人坐標(biāo)系與三維測(cè)量坐標(biāo)系的變換方法，所述方法包括以下步驟：

S1：公共點(diǎn)坐標(biāo)提取：在機(jī)器人工作環(huán)境中選定4個(gè)公共點(diǎn)，然后在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下和三維測(cè)量坐標(biāo)系下，分別提取這4個(gè)公共點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)作為坐標(biāo)系變換的依據(jù)；

S2：變換矩陣計(jì)算：將4個(gè)公共點(diǎn)劃分成4個(gè)特征三角形，并建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系；計(jì)算運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下和掃描坐標(biāo)系下的特征三角形轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的正變換矩陣和逆變換矩陣；根據(jù)正變換矩陣和逆變換矩陣，將4個(gè)公共點(diǎn)的掃描坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下，并求取每個(gè)公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換后的均值坐標(biāo)；最后計(jì)算公共點(diǎn)的掃描坐標(biāo)到均值坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)平移矩陣；

S3：掃描數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換：根據(jù)S2計(jì)算得到的變換矩陣，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)得到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)和平移，使測(cè)量數(shù)據(jù)從測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)系變換到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的坐標(biāo)系中。

在一種優(yōu)選的方案中，步驟S1中，公共點(diǎn)坐標(biāo)提取具體步驟為：

S1.1：公共點(diǎn)選取：在機(jī)器人工作環(huán)境中，選取4個(gè)位置不同，且絕對(duì)位置不會(huì)發(fā)生改變的角點(diǎn)作為公共點(diǎn)。

S1.2：公共點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)提取：通過機(jī)器人的示教器或點(diǎn)動(dòng)控制器，將機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)依次移動(dòng)到4個(gè)公共點(diǎn)的位置，并按順序記錄4個(gè)公共點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的三維空間坐標(biāo)。

S1.3：公共點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)提取：對(duì)三維測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量得到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用角點(diǎn)識(shí)別方法，得到4個(gè)公共點(diǎn)在測(cè)量系統(tǒng)下的三維空間坐標(biāo)。

在一種優(yōu)選的方案中，步驟S2中，變換矩陣具體計(jì)算步驟為：

S2.1：特征三角形劃分：對(duì)4個(gè)公共點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)(編號(hào)為1、2、3、4)；然后抽取一個(gè)點(diǎn)作為特征三角形的頂點(diǎn)，選取另一個(gè)點(diǎn)與頂點(diǎn)連線形成參考邊，最后再選取一個(gè)點(diǎn)與另外兩點(diǎn)連線形成一個(gè)三角形；

S2.2：標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系建立：以特征三角形的頂點(diǎn)作為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，以特征三角形參考邊的方向作為X軸方向，以特征三角形平面內(nèi)垂直于參考邊的方向作為Y軸方向，以垂直于三角形平面的方向?yàn)閆軸方向建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系；

S2.3：標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系變換矩陣計(jì)算：計(jì)算機(jī)器人運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和測(cè)量坐標(biāo)系的特征三角形到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的正變換矩陣和逆變換矩陣。令特征三角形三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為：(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)，則正變換矩陣為：

式中，i＝1、2、3。逆變換矩陣為：

S2.4：公共點(diǎn)坐標(biāo)變換：將S2.3得到的測(cè)量坐標(biāo)系到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的4個(gè)正變換矩陣和機(jī)器人坐標(biāo)系到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的4個(gè)逆變換矩陣，根據(jù)特征三角形的對(duì)應(yīng)關(guān)系一一對(duì)應(yīng)后形成4對(duì)變換矩陣。然后，依次對(duì)測(cè)量系統(tǒng)下公共點(diǎn)的坐標(biāo)乘上測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系的正變換矩陣，再乘上對(duì)應(yīng)的逆變換矩陣；