一种用于获取工具输出端六自由度的标定装置

技术领域

本发明属于标定工具技术领域，具体涉及一种用于获取工具输出端六自由度(中心位置和方向矢量)的标定装置。

背景技术

在视觉跟踪系统中，相机实时获取安装在工具上的标记点的空间坐标，通过这些点能够获取工具的空间位姿。实际应用过程中，需要跟踪工具输出端的空间位姿，以达到实时跟踪或控制工作过程的目的，这就需要通过标定计算标记点装置和工具输出端的空间坐标关系。

现有常规标定方法是使用带测量头的光笔，用测量头触碰工具的输出端，在相机坐标系下，光笔的测量头空间坐标已知，当使用光笔测量头触碰工具输出端时，可得到该触碰点的空间坐标，进而通过该方法测量工具输出端上的多点计算出工具输出端的空间位姿。由于固定在工具上的标记点装置的空间坐标已知，便可以得到工具输出端与标记点装置的空间坐标关系，利用该坐标关系便可以在使用过程中实时跟踪工具输出端的空间位姿。

然而，使用现有常规标定工具及方法存在以下问题：1、标定的过程较为复杂且人为因素造成的误差无法预期，不能准确获取输出端的中心位置，如果工具输出端为多边形或圆形，在使用光笔标定的时候，如果只触碰一个点，在使用过程中就存在空间姿态定位不准的问题；2、不能准确获取工具输出中心点的方向矢量，如果要测量中心点和方向矢量，须增加触碰点的个数，即需要在输出端内外壁和结束端面采集多个点，以此拟合输出端的中心及方向矢量；3、工具输出端的标定需要在现场完成，光笔测量的专业知识和技能不容易被现场操作人员掌握；4、无法快速现场验证工具输出端的精度。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于获取工具输出端六自由度的标定装置，用于解决上述背景技术中存在的至少一个技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种用于获取工具输出端六自由度的标定装置，其特征在于：它包括标定头和标定部，标定头用于配合工具输出端，在标定头上径向设置有接触平面，在标定部上设置有反光标记点和触发开关，当接触平面直接或间接触动触发开关后，与触发开关相连的指示灯亮。

为提高标定精度，在标定部上设置有限位孔，限位孔与标定头精密配合，且标定头能够只能沿着限位孔轴向移动。

为进一步提高标定精度，标定头由柱体和固定设置在柱体上的环形板组成，环形板的下端面作为接触平面，环形板的上端面用于贴靠工具输出端面，柱体与限位孔精密配合。

作为本发明的优选方案之一，标定部包括基板和设置在基板上的控制电路板，反光标记点和限位孔设置在基板上，触发开关设置在控制电路板上；在限位孔内轴向设置有导通柱，导通柱轴向受压后能够轴向移动并与触发开关接触。

作为本发明的优选方案之二，标定部包括基板和设置在基板上的控制电路板、通孔、连接件，反光标记点设置在基板上，限位孔设置在连接件上，通孔与限位孔同轴布置，触发开关设置在控制电路板上；在连接件上且位于限位孔周围轴向设置有导通柱，导通柱轴向受压后能够轴向移动并与触发开关直接或间接接触。

本发明中：所述间接接触是指导通柱与触发开关借助于导体进行接触；标定头与导通柱接触，且导通柱与触发开关直接或间接接触后，指示灯电路被导通。

为方便连续多次进行标定操作，在控制电路板与导通柱之间设置有弹性触片，导通柱轴向受压后能够驱动弹性触片轴向移动，且弹性触片能够与触发开关接触。

为提高标定效率，触发开关至少设置有三个；标定部的控制电路板上还设置有控制模块和通信模块，控制模块与指示灯电路相连，控制模块的处理单元执行其程序时实现以下步骤：

当接触平面未触动触发开关时，指示灯亮红色；

当接触平面触动所有触发开关时，指示灯亮绿色，此时通过通信模块发送消息到主机使其保存标定数据，标定数据保存成功后返回消息到通讯模块，通讯模块接收到返回的消息后指示灯变为蓝色闪烁。

进一步地，所述标定装置还包括壳板，壳板与基板配合连接，在壳板上设置有用于容纳控制电路板的卡槽，控制电路板被限位在卡槽内并位于壳板与基板之间，反光标记点设置在远离壳板的基板表面。

本发明提供的标定装置具有如下优点：

（1）、能够实现快速标定，可以帮助用户在几秒钟内完成对工具输出端的标定；

（2）、操作简单，符合现场操作习惯，使用时将安装在工具上的标定头插入标定孔即可，省去了采集多个点进行标定的繁琐工序；

（3）、定位准确，精度高，标定过程中用户按照指示灯指引调整工具的位姿到合适位置，标定数据便会自动保存，减少了人为操作带来的误差，精度可达0.2mm；

（4）、可快速完成工具输出端精度验证，每次使用工具前，可使用该标定装置快速地对工具输出端标定的精度进行验证，使用方法与标定过程相同，有利于保障标定系统的可靠性；

（5）、采用本发明的标定装置，能够获取工具输出端六自由度信息，同时获取工具输出端的中心坐标和方向矢量，能够解决其他标定方法/标定工具不能快速获取工具输出端中心的问题，能够降低工具输出端标定的复杂度，降低用户的学习成本。

附图说明

图1是实施例1中标定装置的结构图（示意图）；

图2是实施例1中标定装置的爆炸图（示意图）；

图3是实施例1中标定装置的标定头结构图（示意图）；

图4是实施例1中标定装置的使用状态图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1

参见图1至图3，一种用于获取工具输出端六自由度的标定装置，包括标定头20和标定部，标定头20用于配合工具输出端，在标定头20上径向设置有接触平面21，在标定部上设置有反光标记点9和触发开关10，当接触平面21直接或间接触动触发开关10后，与触发开关10相连的指示灯11亮。在标定部上设置有限位孔12，限位孔12与标定头20精密配合，且标定头20能够只能沿着限位孔12轴向移动。

本实施例中，如图3所示，标定头20由柱体22和固定设置在柱体22上的环形板23组成，环形板23的下端面作为接触平面21，环形板的上端面24用于贴靠工具输出端面，环形板23的下端面与环形板23的上端面24分别是指环形板23的两个端面，柱体22与限位孔12精密配合。

本实施例中，如图2所示，标定部包括基板5和设置在基板5上的控制电路板3、通孔8、连接件7，反光标记点9设置在基板5上，限位孔12设置在连接件7上，通孔8与限位孔12同轴布置，通孔8用于配合安装连接件7，触发开关10设置在控制电路板3上；在连接件7上且位于限位孔12周围轴向设置有三个规格相同的导通柱6，导通柱6轴向受压后能够轴向移动并与触发开关10直接或间接接触。在控制电路板3与导通柱6之间设置有弹性触片4，导通柱6轴向受压后能够驱动弹性触片4轴向移动，且弹性触片4能够与触发开关10接触。

本实施例中，标定装置还包括壳板2，壳板2与基板5配合连接，在壳板2上设置有用于容纳控制电路板3的卡槽，控制电路板被限位在卡槽内并位于壳板3与基板5之间，反光标记点9设置在远离壳板2的基板5表面。壳板2上还设置有电池安装区域和电池保护盖1，电池安装区域安装的电池为标定装置提供电源。

本实施例中，触发开关10设置有三个，每个触发开关10对应一个导通柱6；标定部的控制电路板3上还设置有控制模块和通信模块，控制模块与指示灯电路相连，控制模块的处理单元执行其程序时实现以下步骤：

当接触平面21未触动触发开关10时，指示灯11亮红色；

当接触平面21触动所有触发开关10时，指示灯11亮绿色，此时通过通信模块发送消息到主机使其保存标定数据，标定数据保存成功后返回消息到通讯模块，通讯模块接收到返回的消息后指示灯11变为蓝色闪烁。

本实施例中标定装置的组装过程：首先在基板5的相应位置上贴上反光标记，然后将连接件7上、导通柱6、弹性触片4安装在基板5上，然后将控制电路板3安装在壳板2的卡槽中，在电池安装区域装上电池，扣好电池保护盖1，然后将壳板2与基板5合装，合装结束后，指示灯11的发光区域位于图1中的编号13所示部位。

具体地，基板5、连接件7采用符合刚性要求的材料制得。弹性触片4是由板体和连接在板体上的弹簧构成，弹簧的另一端连接在控制电路板3上。使用时，标定头20在外力作用下被驱动进而下压导通柱6，使得导通柱6下压弹性触片4时，此时弹簧被压缩，板体随着弹簧移动；当外力撤销后，弹簧复位进而驱动导通柱6复位。

本实施例中标定装置的使用方法如下：

步骤1，安装标定头20：安装时将标定头20与工具19匹配的一端插入工具输出端，保证工具输出端与标定头接触平面的背面接触（即环形板23的上端面24与工具输出端面相接触）；

步骤2，开始标定：如图4所示，将标定头20的柱体前端部插入标定部的标定孔（即限位孔12）中，此时标定头接触平面会通过导通柱6压缩弹性触片4，当导通柱完全下压后，，才能触发控制电路板3上的触发开关10，此时，如果标定部的三个指示灯11都变为绿色，则说明工具的姿态已调整到合适位置，即环形板接触面21与连接件7的上端面充分接触；如果标定部的指示灯11显示两个绿色、一个红色，则说明工具的姿态未调整到合适位置，此时需要继续调整工具姿态，直到三个指示灯都变为绿色；

步骤3，等待保存标定数据：当姿态调整到合适位置后，三个指示灯11会显示绿色，这时需要用户保持该姿势等待主机保存标定数据（约1-2秒）；

步骤4，完成标定：主机保存标定数据成功后会返回消息，此时指示灯11状态会变为蓝色闪烁。

本发明中标定装置的标定原理：以标定板上的反光点（反光标记点9）建立一个刚体坐标系Q，使用视觉系统测量得到标定孔（即限位孔12）上端面的圆心O和端面的方向矢量N与刚体坐标系Q的相对关系，其中N指向限位孔12的轴向方向；标定时，以需要标定的拧紧枪上的标记点装置建立本地坐标系C，并通过相机坐标系得到标定板坐标系Q与本地坐标系C的转换关系{R,T}, 当标定头压缩弹性触片4并导通三个触发开关10时，会自动保存此时的标定孔圆心O在刚体坐标系Q下的坐标值，此时近似认为标定头接触平面的中心点M和O重合，即得到了接触平面的中心点M在刚体坐标系Q下的坐标值，根据转换关系{R，T}得到M在本地坐标系C下的坐标M’=RM+T，同理可以计算得到工具输出端方向矢量N在C本地坐标系下的表示N’, 已知标定头的环形板23的厚度为Th，那么M’沿着N’反方向移动Th后便得到了工具输出端端面中心点M1’，矢量不变仍为N’, (M1’,N’)，即是对工具输出端六自由度的完备描述。因为标记点装置是固定在工具上的，构成一个刚体，因此工具输出端在本地坐标系C下的坐标是恒定不变的，即工具输出端与标记点装置的空间相对位置是不变的。

实施例2

一种用于获取工具输出端六自由度的标定装置，包括标定头和标定部，标定头用于配合工具输出端，在标定头上径向设置有接触平面，在标定部上设置有反光标记点和触发开关，当接触平面直接或间接触动触发开关后，与触发开关相连的指示灯亮。在标定部上设置有限位孔，限位孔与标定头精密配合，且标定头能够只能沿着限位孔轴向移动。

本实施例中，标定头由柱体和固定设置在柱体上的环形板组成，环形板的下端面作为接触平面，环形板的上端面用于贴靠工具输出端面，环形板的下端面与环形板的上端面分别是指环形板的两个端面，柱体与限位孔精密配合。

本实施例中，标定部包括基板和设置在基板上的控制电路板，反光标记点和限位孔设置在基板上，触发开关设置在控制电路板上；在限位孔内轴向设置有导通柱，导通柱轴向受压后能够轴向移动并与触发开关接触。

本实施例中，标定装置还包括壳板，壳板与基板配合连接，在壳板上设置有用于容纳控制电路板的卡槽，控制电路板被限位在卡槽内并位于壳板与基板之间，反光标记点设置在远离壳板的基板表面。壳板上还设置有电池安装区域和电池保护盖，电池安装区域安装的电池为标定装置提供电源。

本实施例中，触发开关设置有三个，每个触发开关对应一个导通柱；标定部的控制电路板上还设置有控制模块和通信模块，控制模块与指示灯电路相连，控制模块的处理单元执行其程序时实现以下步骤：

当接触平面未触动触发开关时，指示灯亮红色；

当接触平面触动所有触发开关时，指示灯亮绿色，此时通过通信模块发送消息到主机使其保存标定数据，标定数据保存成功后返回消息到通讯模块，通讯模块接收到返回的消息后指示灯变为蓝色闪烁。

本发明中，导通柱的数量包括但不限于三个，还可以是更多个；反光标记点的数量由本领域技术人员根据实际情况确定。

本发明中，连接件7，通孔8可设置于基板5上的任意位置，且不受安装角度的限制；安装位置和角度由本领域技术人员根据实际情况确定。