具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于激光跟踪仪的机械臂校准方法及系统，对工具校准模块和用户校准模块进行改进，提高了工具坐标和用户坐标的校准精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例用于提供一种基于激光跟踪仪的机械臂校准系统，所述校准系统包括工具校准模块1、用户校准模块3、激光跟踪仪4和控制单元5；

如图1所示，所述工具校准模块1一端与机械臂工装的末端相连接，另一端与所述激光跟踪仪4的靶球2固定连接。具体的，所述工具校准模块1可以夹持激光跟踪仪4的靶球2。所述工具校准模块1的中心轴线与所述工装末端的中心轴线位于同一条直线上，即工具校准模块1与工装末端的轴向一致，且对称。在保持结构稳定性的前提下，工具校准模块1的长度应尽可能的短。

如图2所示，所述激光跟踪仪4与所述控制单元5通信连接。激光跟踪仪4测量时需要跟踪靶球2，实时捕获靶球2的球心位置。所述激光跟踪仪4用于实时确定靶球2的球心坐标，并将所述球心坐标传输至所述控制单元5。激光跟踪仪4采用莱卡实时激光跟踪仪AT930。机械臂采用安川6轴机械臂MH24。

所述控制单元5用于以空间任一点作为校准点，根据激光跟踪仪4实时确定的球心坐标，利用5点工具坐标校准法通过调节机械臂使靶球2以任意5种姿态示教校准点，完成工具坐标的校准；

具体的，如图3所示，该工具坐标校准的校准过程可以包括：将空间任一点设为校准点，先使靶球2位于该校准点所在的位置，并以激光跟踪仪4的坐标系作为测量坐标系，通过激光跟踪仪4跟踪靶球2以确定靶球2位于校准点时的球心坐标(X，Y，Z)。然后，根据激光跟踪仪4实时确定的球心坐标，利用5点工具坐标校准法调节机械臂，使靶球2以5种姿态示教校准点，无论以何种姿态到达校准点，靶球2位于校准点时，其在激光跟踪仪4的坐标系中的球心坐标值(X，Y，Z)始终保持不变。由于激光跟踪仪4的定位精度很高，因此5次校准步骤时都能够很好的保证在同一个位置点进行校准。

本实施例所提供的工具坐标的校准，借助激光跟踪仪4高准确度的空间定位能力，可以保证在工具坐标校准时5个姿态下的校准点一致，消除了机械臂的绝对定位误差和人为误差。

采用空间不同位置点作为校准点进行多次工具坐标校准，TCP点示教数据如表1所示。

表1 TCP点重复性对比

由表1可知，利用了激光跟踪仪4、靶球2的工具坐标校准与尖状校准模块校准方法相比，基于激光跟踪仪4的工具坐标校准方法由于能够保证每次到达的校准点均为同一点，克服了校准时尖点对准存在人为误差等因素，进而提高了TCP的校准精度和校准重复性。

用户坐标系校准主要用于确定测量坐标系。当校准平面与大地坐标系不一致时(例如存在夹角)，通过用户坐标校准可以建立测量坐标系，方便后续控制程序的编写。如图4所示，将坐标系直接定位在以校准平面为基准的用户坐标系中，校准平面中心为坐标原点，校准平面两个边分别为X向和Y向，然后控制机械臂在用户坐标系中运动，能够消除校准平面与大地坐标系不一致的误差。为此，需要对用户坐标进行校准。

所述用户校准模块3位于校准平面上，用户校准模块3具有严格的平面度、光洁度和一致的高度，用户校准模块3与校准平面之间相差用户校准模块3的厚度。如图5所示，所述用户校准模块3的上表面设有三个孔位，孔位的直径与靶球2的直径相等，优选的，孔位直径严格等于靶球2的直径，即二者直径之间的偏差值很小，使孔位能够与靶球2严密配合。孔位分别用ORG、OX和OY表示，其中，ORG孔位为用户坐标系的原点，OX孔位为用户坐标系X轴正向任一点，OY孔位为用户坐标系Y轴正向任一点。

所述控制单元5还用于根据所述激光跟踪仪4实时确定的球心坐标，利用3点用户坐标校准法通过调节所述机械臂使所述靶球2分别落入三个所述孔位内，并在所述孔位内对所述靶球2进行调节，完成用户坐标的校准。

具体的，该用户坐标校准的校准过程可以包括：校准前，首先把靶球2放置在用户校准模块3上的三个孔位内，利用激光跟踪仪4获取靶球2分别位于ORG、OX、OX三个孔位时，靶球2的球心在激光跟踪仪4坐标系中的坐标，并将球心坐标分别记为O(x，y，z)，X(x，y，z)和Y(x，y，z)。然后把靶球2连接到工具校准模块1上，精密调节机械臂使靶球2落入用户校准模块3上的ORG孔位，并精密微调靶球2，使靶球2的球心坐标为O(x，y，z)，完成用户坐标系的原点坐标校准；精密调节机械臂使靶球2落入用户校准模块3上的OX孔位，并精密微调靶球2，使靶球2的球心坐标为X(x，y，z)，完成用户坐标系的X轴正向校准；精密调节机械臂使靶球2落入用户校准模块3上的OY孔位，并精密微调靶球2，使靶球2的球心坐标为Y(x，y，z)，完成用户坐标系的Y轴正向校准，从而完成用户坐标的校准。由于采用激光跟踪仪4定位，可以很好地保证空间位置的重复性。

但在实际操作过程中，对机械臂进行调节使靶球2恰好落入用户校准模块3的对应孔中的这一实施过程具备一定难度，所以本实施例还提供了另外一种进行用户坐标校准的过程，借助激光跟踪仪4灵活搬移校准平面，以实现用户坐标校准。具体为：将用户校准模块3放置于校准平面上，利用激光跟踪仪4获取靶球2分别位于ORG、OX、OX三个孔位时，靶球2的球心在激光跟踪仪4坐标系中的坐标，并将球心坐标分别记为O(x，y，z)，X(x，y，z)和Y(x，y，z)。然后将三个坐标的Z值均减去50mm，获取三个新坐标点O'(x，y，z)，X'(x，y，z)和Y'(x，y，z)，形成一个虚拟用户参考面，如图6所示。将靶球2与工具校准模块1相连接，移动机械臂分别到O'(x，y，z)，X'(x，y，z)和Y'(x，y，z)示教，完成用户坐标的校准。经过校准后，将校准好的用户坐标系的XOY面沿Z轴向下搬移50mm，则可建立基于用户校准平面的用户坐标系。

通过机械臂的精密微调和激光跟踪仪4的测量精度保证了机械臂示教同一点时，坐标相差小于10μm。基于激光跟踪仪4的用户坐标系校准可以较好的保证建立的用户坐标系尽可能一致。机械臂重新校准后，采用激光跟踪仪4分别描述两次校准后操作坐标系的一致性，如表2所示。

表2两次用户坐标校准后差异

本实施例所提供的一种基于激光跟踪仪4的机械臂校准系统，设计工具校准模块1，连接于工装末端。借助激光跟踪仪4，以空间任一点为校准点，5个姿态示教该点，完成工具坐标校准。设计带有ORG、OX、OY孔位的用户校准模块3，将靶球2放置在ORG、OX、OY孔位，通过激光跟踪仪4，获取各个位置的坐标。然后将靶球2放置在工具校准模块1的终端，移动机械臂分别到O'(x，y，z)，X'(x，y，z)和Y'(x，y，z)示教，执行用户坐标校准。通过上述过程建立一个虚拟用户坐标系。假设用户坐标校准模块厚度为lmm，将校准后的用户坐标系的XOY面沿Z轴向下搬移(50+l)mm，则可建立基于校准平面的用户坐标系，即为实际用户坐标系，进而实现用户坐标和工具坐标的校准，实现机械臂的校准过程，且校准精度高，重复度高。

实施例2：

本实施例用于提供一种基于激光跟踪仪的机械臂校准方法，利用实施例1所述的校准系统进行工作，如图7所示，所述校准方法包括如下步骤：

步骤101：以空间任一点作为校准点，以激光跟踪仪4的坐标系作为测量坐标系，记录所述靶球2位于所述校准点时的初始球心坐标；

步骤102：根据所述激光跟踪仪4实时确定的球心坐标，调节所述机械臂使所述靶球2以任意5种姿态示教所述校准点，完成工具坐标的校准；在5种姿态的示教过程中，所述靶球2到达所述校准点时所对应的球心坐标均与所述初始球心坐标相同；

步骤103：以激光跟踪仪4的坐标系作为测量坐标系，记录所述靶球2分别位于用户校准模块3上的三个孔位时的初始球心坐标，得到三个所述孔位分别对应的初始球心坐标；

步骤104：根据所述激光跟踪仪4实时确定的球心坐标，分别调节所述机械臂使所述靶球2落入所述孔位，并在所述孔位内对所述靶球2进行调节，直至所述靶球2的球心坐标与所述孔位对应的初始球心坐标相同，在三个孔位内均进行所述靶球2的调节后，完成用户坐标的校准。

本实施例所提供的基于激光跟踪仪的机械臂校准方法，利用激光跟踪仪实时确定靶球的球心坐标，并根据激光跟踪仪实时确定的球心坐标，利用5点工具坐标校准法通过调节机械臂使靶球以任意5种姿态示教校准点，完成工具坐标的校准，利用3点用户坐标校准法通过调节机械臂使靶球分别落入三个孔位内，并在孔位内对靶球进行调节，完成用户坐标的校准，借助激光跟踪仪高准确度的空间定位能力，保证校准时的校准点一致，消除了机械臂的绝对定位误差和人为误差，能够提高机械臂的校准精度和校准重复度。

具体的，如图8所示，该步骤104可以包括：

步骤1041：将三个所述孔位对应的初始球心坐标分别记为O(x，y，z)，X(x，y，z)和Y(x，y，z)；

步骤1042：根据所述激光跟踪仪4实时确定的球心坐标，调节所述机械臂使所述靶球2落入ORG孔位，记录此时所述靶球2的球心坐标，判断所述靶球2的球心坐标是否与O(x，y，z)相同，得到第一判断结果；

步骤1043：若所述第一判断结果为否，则在所述ORG孔位内对所述靶球2进行调节，直至所述靶球2的球心坐标为O(x，y，z)；

步骤1044：若所述第一判断结果为是，则根据所述激光跟踪仪4实时确定的球心坐标，调节所述机械臂使所述靶球2落入OX孔位，记录此时所述靶球2的球心坐标，判断所述靶球2的球心坐标是否与X(x，y，z)相同，得到第二判断结果；

步骤1045：若所述第二判断结果为否，则在所述OX孔位内对所述靶球2进行调节，直至所述靶球2的球心坐标为X(x，y，z)；

步骤1046：若所述第二判断结果为是，则根据所述激光跟踪仪4实时确定的球心坐标，调节所述机械臂使所述靶球2落入OY孔位，记录此时所述靶球2的球心坐标，判断所述靶球2的球心坐标是否与Y(x，y，z)相同，得到第三判断结果；

步骤1047：若所述第三判断结果为否，则在所述OY孔位内对所述靶球2进行调节，直至所述靶球2的球心坐标为Y(x，y，z)；

步骤1048：若所述第三判断结果为是，则停止调节，完成用户坐标的校准。

本实施例中是按照坐标原点、X轴、Y轴的顺序进行用户坐标的校准，但在实施过程中，可以按照任何顺序进行校准，本实施例对此不做任何限制。利用上述方法，根据激光跟踪仪实时确定的球心坐标，利用3点用户坐标校准法通过调节机械臂使靶球分别落入三个孔位内，并在孔位内对靶球进行调节，完成用户坐标的校准，借助激光跟踪仪高准确度的空间定位能力，保证校准时的校准点一致，消除了机械臂的绝对定位误差和人为误差，能够提高机械臂的校准精度和校准重复度。

实施例3：

由于在实际操作过程中，对机械臂进行调节使靶球2恰好落入用户校准模块3的对应孔中的这一实施过程具备一定难度，所以本实施例用于提供另外一种进行用户坐标校准的方法，该校准方法利用实施例1所述的校准系统进行工作，如图9所示，所述校准方法包括如下步骤：

步骤201：以空间任一点作为校准点，以激光跟踪仪4的坐标系作为测量坐标系，记录所述靶球2位于所述校准点时的初始球心坐标；

步骤202：根据所述激光跟踪仪4实时确定的球心坐标，调节所述机械臂使所述靶球2以任意5种姿态示教所述校准点，完成工具坐标的校准；在5种姿态的示教过程中，所述靶球2到达所述校准点时所对应的球心坐标均与所述初始球心坐标相同；

步骤203：以激光跟踪仪4的坐标系作为测量坐标系，记录所述靶球2分别位于用户校准模块3上的三个孔位时的初始球心坐标，将三个所述孔位对应的初始球心坐标分别记为O(x，y，z)，X(x，y，z)和Y(x，y，z)；

步骤204：根据所述激光跟踪仪4实时确定的球心坐标，调节所述机械臂使所述靶球2分别到O(x，y，z-m)，X(x，y，z-m)和Y(x，y，z-m)示教，完成用户坐标的校准；其中，m为任意正值。

其中，m可以为50mm。

本实施例所提供的校准方法，在对用户坐标进行校准时，由于在实际操作过程中，对机械臂进行调节使靶球2恰好落入用户校准模块3的对应孔中的这一实施过程具备一定难度，故根据激光跟踪仪4实时确定的球心坐标，调节机械臂使靶球2分别到O(x，y，z-m)，X(x，y，z-m)和Y(x，y，z-m)示教，完成用户坐标的校准，不仅该校准方法的实施难度低，而且依然能够很好的消除机械臂的绝对定位误差和人为误差，提高机械臂的校准精度和校准重复度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。