(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211113035.7 (22)申请日 2022.09.14 (71)申请人 苏州瀚华智造智能技 术有限公司 地址 215000 江苏省苏州市苏州工业园区 林泉街399号东南大学国家大学科技 园 （苏州） 文昌院 （8#） 20 6室 (72)发明人 何姗姗　汪敏敏　高鹏　杨帆　 李振瀚　 (74)专利代理 机构 湖北中礼和律师事务所 42297 专利代理师 温珊姗 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种基于CAD模型的机 器人装夹标定方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于CAD模型的机器人装 夹标定方法， 包括如下步骤： 步骤一： 搭建机器人 工作站， 导入CAD 模型并定义装夹坐标系， 同时根 据标定对象的几何特征选择标定模式； 步骤二： 标定数据采集： 采集包括CAD模型中的数据和实 际模型中的数据； 步骤三： 创建标定坐标系： 分别 对CAD模型和实际模型创建局部坐标系， 通过两 个局部坐标系之间的配准得到变换矩阵， 最后将 CAD模型中定义的装夹坐标系映射得到实际模型 的装夹坐标系。 本发明提出的标定方法不依赖待 标定装夹坐标系与模型的位姿关系， 可将装夹坐 标系定义在模 型上的任意位置， 有利于加工场景 中的快速落地实施； 通用性强， 能够涵盖大多数 简单零件的装夹标定 应用场景。 权利要求书4页 说明书6页 附图1页 CN 115476359 A 2022.12.16 CN 115476359 A 1.一种基于 CAD模型的机器人装夹标定方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤一： 搭建机器人工作站， 导入CAD模型并定义装夹坐标系， 设机器人基坐标系为 RCS， 工件坐标系为WCS， 工具的依附坐标系为ECS， 工具的加工坐标系为TCS， 同时根据标定 对象的几何特征选择标定模式， 所述标定模式有六种： 1)三平 面法模式、 2)一点加一直线法 模式、 3)一 点加两平面法模式、 4)两点加一平面法模式、 5)三 点法模式和6)两直线法模式； 步骤二： 标定数据采集： 采集包括CAD模型中的数据和实际模型中的数据， 其中CAD模型 中的数据通过在软件中选择 特征得到， 实际模型中的数据通过测量设备实际测量得到； 步骤三： 创建标定坐标系： 分别对CAD模型和 实际模型创建局部坐标系， 通过两个局部 坐标系之间的配准得到变换矩阵， 最后将CAD模型中定义的装夹坐标系映射得到实际模型 的装夹坐标系。 2.如权利要求1所述的一种基于CAD模型的机器人装夹标定方法， 其特征在于， 所述步 骤一具体为： 在离线编程软件中搭建机器人工作站， 导入与实际场景一致的机器人、 加工工 具和加工工件的CAD模型， 在软件中建立工具、 工件与机器人的装夹关系， 然后观察待标定 对象中是否具有以下简单几何特征： 点、 直线、 平面、 圆面、 球面、 圆柱 面， 根据模型中具有的 几何特征选取六种标定模式中的一种， 每种模式中的特征需要满足相关规则才能创建标定 坐标系， 其中： 1)三平面法模式要求三个平面能够相交于一点； 2)一点加一直线法模式要求 一点不在直线上； 3)一点加两平面法模式要求两平面相交且一点不位于交线上； 4)两点加 一平面法模式要求两点构成的直线与 平面相交； 5)三点法模式要求三个点两两不重合且不 共线； 6)两直线法模式要求两直线不平行。 3.如权利要求1所述的一种基于CAD模型的机器人装夹标定方法， 其特征在于， 所述步 骤二具体为： 分别在软件中选择CAD模型上的特征， 以及在实际模型中采集 实际模型中的特 征， 其中CAD模 型中的特征通过点选理论模型中的特征得到， 实际模 型中的特征通过外部测 量设备实际采集得到， 采集直线数据时需采集直线上两个点， 采集平面数据时需采集三个 或以上不共线点， 采集球面数据时需采集四个或以上不共面点， 采集圆柱面数据时需采集 六个或以上不共面 点， 采集圆面数据时需采集圆上三个或以上不重合 点。 4.如权利要求1所述的一种基于CAD模型的机器人装夹标定方法， 其特征在于， 所述步 骤三具体包括如下步骤： S31： 提取最简特征： 若采集数据中具有平面、 圆面、 球面或圆柱面特征， 采用拟合方法 提取出点或直线特征， 平面模型拟合为点和法向表示的最简形式； 圆面或球面数据拟合成 一个圆心或球心作为 点特征使用， 圆柱面数据拟合成一个轴线作为 直线特征使用； S32： 建立局部坐标系： 分别对CAD模型和实际模型建立局部坐标系， 根据步骤一选择的 六种标定模式 中的一种， 基于最简特 征建立局部坐标系： S33： 计算变换矩阵： 设CAD模型数据构造的局部坐标系记为 实际模型数据构造的 局部坐标系记为 建立两个局部坐标系之间的变换矩阵： S34： 得到实际模型的装夹坐标系： 设理论模型中的装夹坐标系为 实际模型中的 装夹坐标系为 根据T*计算待标定的实际装夹坐标系：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115476359 A 25.如权利要求4所述的一种基于CAD模型的机器人装夹标定方法， 其特征在于： 所述步 骤S32中， 当步骤一选择三平 面法标定模式时， 进 行的标定方法适用于最简特征具有三个平 面特征的坐标系标定， 设f1、 f2、 f3为三个互不平行的平 面， 该方法建立坐标系的特定规则 如 下： 1‑1)将三个平面的交点作 为坐标系原点O； 1 ‑2)将平面f1的法向作 为Z轴； 1‑3)将平面f1 和f2的交线作为X轴； 将三个平面fi(i＝1， 2， 3)分别采用点法式(Pi， ni)表示： 其中Pi表示平面fi上一点， ni表 示平面fi的法向， 基于以上规则计算局部坐标系： 计算步骤如 下： 1‑a)计算坐标系Z轴的单位向量zDir： zDir＝n1； 1_b)计算 坐标系X轴的单位向量xDir： 1‑c)计算坐标系Y轴的单位向量yDir： 1‑d)求解三平面的交点作 为坐标系原点O： 根据点在平面上建立下式所示的方程组， 通 过求解以下线性方程组得到三个平面的交点作为 坐标系原点； 6.如权利要求4所述的一种基于CAD模型的机器人装夹标定方法， 其特征在于： 所述步 骤S32中， 当步骤一选择一点加一直线法标定模式时， 进 行的标定方法适用于最简特征具有 一个点特征和一条直线特征的坐标系确 定， 设直线l1(Q1Q2)是圆柱面拟合后提取的中轴线 或两点确定的直线， Pl， 1为直线外一点， 该方法建立坐标系的规则如下： 2 ‑1)直线l1决定了 坐标系的Z轴； 2 ‑2)Pl， 1位于坐标系的X轴上； 2 ‑3)Pl， 1向直线l1的投影点作为坐标系的原点 O； 基于以上规则计算 坐标系 计算步骤如下： 2‑a)计算坐标系Z轴的单位向量zDir： 2‑b)计算Pl， 1向直线Q1Q2的投影点作为 坐标系原点O； 2‑c)计算坐标系X轴的单位向量xDir： 2‑d)计算坐标系Y轴的单位向量yDir： 7.如权利要求4所述的一种基于CAD模型的机器人装夹标定方法， 其特征在于： 所述步 骤S32中， 当步骤一选择一点加两平面法标定模式时， 进 行的标定方法适用于最简特征具有 一点和两个平 面特征的坐标系确定， 设Ps， 1为一点或一个球的球心， fs， 1和fs， 2为两个不平行 的平面， 法向分别记 为ns， 1和ns， 2， 该方法建立坐标系的规则如下： 3 ‑1)第一个平面的法向决 定了坐标系的Z轴； 3 ‑2)平面fs， 1和fs， 2的交线作为X轴； 3 ‑3)Ps， 1作为坐标系的原点O； 基于以上规则计算 坐标系 计算步骤如下：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115476359 A 3