CN101451832A - 用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定方法，预先保存机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表；通过获取待标定传感器所在机械臂或机械手驱动机构长度的测量值，搜索所述数据列表，获取待标定传感器所在机械臂或机械手驱动机构长度测量值对应的机械臂或机械手角度理论值，用作待标定传感器的标定基准值；将待标定传感器测量值与所述标定基准值比较、分析，对所述待标定传感器进行标定。该方法不受传感器自身安装方式的限制，在机械臂或机械手处于任意状态时都可进行准确标定。在此基础上，本发明还公开一种用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定装置。

Description

用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定方法及装置

技术领域

本发明涉及测量设备或装置的测试或校准的技术领域，具体来说是一种用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定方法及装置，主要适于大型工程机械(如混凝土泵车，起重机、挖掘机等)，特别是多节臂架或折弯结构的机械臂或机器手。

背景技术

在智能型机械设备中，各执行机构协调运动品质的好坏直接影响产品的质量。例如，智能型混凝土泵车在进行浇注时，如果各节臂架的运动不协调，将使得臂架末端点的运动不能按照预定的路线运动；这势必影响浇注的质量，并进而影响工程质量，造成安全隐患。因此，在进行智能型混凝土泵车研究的过程中，要精确地控制臂架末端点的位置；而控制的基础在于精确获取各节臂架所处的位置，这需要在各节臂架上安装测量角度的传感器(例如旋转编码器、倾角传感器等，以下统称传感器)。同样地，对于其它具有机械臂或机器手的设备或机器，同样需要安装测量机械臂或机器手角度的传感器，以便进行精确的控制。

显然，传感器的测量精度及可靠性将极大地影响控制的效果：如果传感器精度不高，影响控制精度；如果传感器的数据出错，就会导致对机械臂或机器手位置的错误判断，使得控制输出并不合乎实际；这种情况下，控制机械臂或机器手动作就会带来不可预知的后果。

为了保证传感器满足控制要求，需要对其进行标定(例如，在机械臂或机器手水平时应保证传感器的测量值为0度)。现有的传感器标定方法是：用一基准传感器同时对机械臂或机器手角度进行测量，其结果作为标定的基准；将待标定传感器的测量结果与基准传感器的测量结果比较，从而完成待标定传感器的标定。

请参见图1，该图为一现有传感器标定装置的示意图。该标定装置中，待标定传感器2、基准传感器3同时安装在标定台1上；数据采集器4同时获得待标定传感器2、基准传感器3的测量结果，并发送给处理器5；所述处理器5对待标定传感器2、基准传感器3的测量结果比较、分析，从而完成待标定传感器2的标定。这种标定装置主要用于传感器的出厂场检验等场合，对于传感器的使用方来说并不适合，简述如下：

首先，是出厂检验的标定结果不能直接套用在机械臂或机械手上已装配的传感器上。这是因为：传感器在机械臂或机械手上的安装方式多种多样，很难制定一个规范的安装工艺；而标定台难以全面模拟传感器在机械臂或机械手上的状况，这使得传感器在标定台上的标定结果并不总能准确反映传感器在装配时的真实状况。

其次，是无法对机械臂或机械手上已装配的传感器进行标定。因传感器都在标定台上进行，这需要反复拆卸、安装机械臂或机械手上的传感器，由此增加劳动强度，也可能造成传感器损坏。

再次，是存在标定结果置信度不高的问题。标定结果依赖于基准传感器本身的精度及可靠性，若基准传感器发生故障或精度不高，将导致标定结果不准确，甚至产生错误。

最后，是增加生产使用成本。使用标定台，无疑会增加生产使用成本，难以在传感器使用方推广；若不使用标定台，改为在机械臂或机械手上安装基准传感器，增加基准传感器的购置费用，并增加安装、拆卸基准传感器的人力成本。

由此可见，现有标定方法及装置难以满足机械臂或机械手上传感器的标定要求。因此，有必要寻找一种新的传感器标定方法及标定装置，能准确对机械臂或机械手上的传感器进行标定，并且不依赖传感器自身安装方式。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定方法，能准确地标定机械臂或机械手上的传感器，且不依赖传感器自身安装方式。在此基础上，本发明还提供一种用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定装置。

为解决以上技术问题，本发明提供的用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定方法，预先保存机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表；通过获取待标定传感器所在机械臂或机械手驱动机构长度的测量值，搜索所述数据列表，获取待标定传感器所在机械臂或机械手驱动机构长度测量值对应的机械臂或机械手角度理论值，用作待标定传感器的标定基准值；将待标定传感器测量值与所述标定基准值比较、分析，对所述待标定传感器进行标定。

优选地，保存收拢状态下的机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度数据。

优选地，定义伸展状态下的机械臂或机械手角度值为零，并且，展开方向为正、收拢方向为负。

优选地，采用插值方法从所述数据列表中获取机械臂或机械手角度理论值。

优选地，预先检测待标定传感器未断线后，再对待标定传感器进行标定。

本发明提供的用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定装置，包括：

长度测量装置，用于检测机械臂或机械手驱动机构的长度；

数据采集器，用于采集长度测量装置输出的机械臂或机械手驱动机构长度测量值、待标定传感器输出的机械臂或机械手角度测量值；

存储器，保存机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表；

处理器，用于接收数据采集器获取的机械臂或机械手驱动机构长度测量值、机械臂或机械手角度测量值，获取存储器中的机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表；以及，搜索所述数据列表，获取待标定传感器所在机械臂或机械手驱动机构长度测量值对应的机械臂或机械手角度理论值，用作待标定传感器的标定基准值；将机械臂或机械手角度测量值与所述标定基准值比较、分析，对所述待标定传感器进行标定。

优选地，所述存储器保存收拢状态下机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度数据。

优选地，定义伸展状态下的机械臂或机械手角度值为零，并且，展开方向为正、收拢方向为负。

优选地，所述数据采集器、处理器、存储器集成在控制器中。

与现有技术相比，本发明保存机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表；在任意状态下，通过获取机械臂或机械手驱动机构长度，可得到相对应的机械臂或机械手角度理论值，并以此作为传感器标定准值；将传感器的测量值与标定准值进行比较、分析，就可以完成传感器的标定。机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表与控制逻辑相对应，确定后不会发生变化；因此，无需通过基准传感器获得标定基准值，消除基准传感器本身带来的误差，保证待标定传感器的标定准确性，标定结果置信度较高。由于无需检测标定基准值，不受传感器自身安装方式的限制，机械臂或机械手处于任意状态时都可进行标定。特别地，因无需标定台和基准传感器，可以降低生产使用成本。

附图说明

图1是一现有传感器标定装置的示意图；

图2A是一混凝土泵车臂架的示意图；

图2B是图2A中臂架在伸展状态下的示意图；

图2C是图2A中臂架在收拢状态下的示意图；

图3是本发明传感器标定方法的流程图；

图4是本发明传感器标定装置的框图。

具体实施方式

本发明的基本构思是，保存机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表；通过获取机械臂或机械手驱动机构长度，得到相对应的机械臂或机械手角度理论值，以此作为传感器标定基准值；将传感器的测量值与该标定基准值进行比较、分析，完成传感器的标定。

可见，本发明要解决问题的关键在于，就是在机械臂或机械手上任意安装传感器的前提下，对传感器进行标定，使得传感器返回的实时测量值与控制过程中定义的逻辑值一一对应。

下面以混凝土泵车为例，对本发明的原理进行说明。

请同时参见图2A、图2B、图2C，其中，图2A是一混凝土泵车臂架的示意图；图2B是图2A中臂架在伸展状态下的示意图；图2C是图2A中臂架在收拢状态下的示意图。众所周知，混凝土泵车是多臂架连杆结构，为一种典型的具有机械臂(机械手)的设备(机器)。不失一般性，本发明仅以第一臂架11、第二臂架12进行说明。

如图2A所示，第一臂架11、第二臂架12之间的夹角θ由油缸13的长度L决定；换而言之，第一臂架11、第二臂架12之间的夹角θ与油缸13长度L存在一一对应的关系。因此，根据臂架上关节点结构及几何尺寸，就可以推导出油缸长度L与臂架夹角θ的函数关系L＝f(θ)；在任意姿态下，油缸长度L可通过实际测量得出；而利用上述函数关系可求得对应的臂架夹角θ，并进而通过该夹角值完成传感器的标定工作。

由此，就得到本发明传感器标定的基本思路：将任意姿态下的油缸长度L、臂架夹角θ之间的数据列表保存；在某一姿态下，测量油缸长度L；查询上述数据列表，搜寻油缸长度L对应的臂架夹角θ，得到传感器标定的基准值；将传感器测量值与基准值比较、分析，就可完成传感器标定。

同时，通过上述物理测量并求出的臂架夹角θ与控制过程中的逻辑值存在对应关系(一般地，近似成线形关系)。因此，在传感器标定之前应明确这种对应关系：一方面，要确定每个关节的运动范围，以便用传感器测量值与逻辑值的关系定义、计算臂架角度；另一方面，要对关节的零点位置给予一个唯一明确的定义，使得零点位置既要有合理的物理意义，又要给控制带来方便。

下面对两个特殊位置进行描述：

如图2B所示，臂架处于展开状态位置(以下简称位置一)：定义在无重空间下，臂架展开使得各铰链中心点在一条直线上，并与水平面平行。如图2B所示，可定义一臂与大地夹角、各臂架之间的夹角均为0度。实际上，由于受重力影响，臂架无法形成这种理想姿态，即无法使得各铰链中心点成一水平直线；因此，想在这种臂架姿态下直接对传感器进行零点标定是不切实际的。但是，这种臂架姿态容易在机械图纸上进行定义，并容易测得这种姿态下的各物理参数；在这种姿态下，测出油缸长度L，并进而求得对应的臂架夹角θ，该夹角值就是控制中的逻辑零值。由此，在实际产品不能满足零点位置要求时，通过定义该零点位置，可以间接标定的方式对传感器进行标定。

如图2C所示，臂架全部收拢、放倒位置(以下简称位置二)：这时，臂架受重力影响最小，油缸长度L可以测量；并且，这种状态在混凝土泵车上是唯一的，不会因为操作人员的不同而引起误差；在这种状态下，可以记下此时的测量值，并将其写入控制器的永久保存区；结合该测量值与位置一所述位置参数，就可以对传感器进行准确的标定。由此，利用传感器测量值与逻辑值的关系定义、计算臂架角度，以间接标定方法实现传感器标定。

如上所述，选取位置一为零点位置，而位置二为标定位置，可取得很好的标定效果，具体而言：定义臂架在位置一时各角度值均为零，且臂架向展开方向为正，收拢方向为负；由于L＝f(θ)的反函数是超越函数，不能求出θ＝f^-1(L)的函数解析表达式；但f(θ)是单调函数，可采用搜索法求得在臂架完全收拢时各油缸长度对应的θ值(此时，油缸长度L可由测量方法求得)；由此，在确定臂架完全收拢时的θ值后，就可以对各传感器进行标定。

上面对混凝土泵车臂架传感器标定原理进行了说明，对于其它具有机械臂或机械手的设备或机器，也可以应用该原理进行标定；此外，在具体的设备或机器中，可能采用气缸、电动推杆等机械臂或机械手驱动机构替代油缸，但不会对传感器标定造成任何影响，在此不再赘述。

在此基础上，以下结合附图与实施例对本发明具体说明。

请参见图3，该图是本发明传感器标定方法的流程图。图示传感器标定方法，具体包括以下步骤：

S100、保存机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表。

在任意状态下，机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间存在一一对应关系；因此，通过获得机械臂或机械手驱动机构长度，就可以得到对应的机械臂或机械手角度数据；以该数据为控制逻辑的理论值，就可以进行传感器的标定。该列表一经确定，不必改变，因此无需再用基准传感器去测量标定基准值。

S200、获取待标定传感器所在机械臂或机械手驱动机构长度的测量值。

通过测量机械臂或机械手驱动机构长度，以便搜索与之对应的机械臂或机械手角度理论值。机械臂或机械手驱动机构长度容易测量，误差较小，有利于求得该长度下机械臂或机械手的角度值。

S300、搜索所述数据列表，获取待标定传感器所在机械臂或机械手驱动机构长度测量值对应的机械臂或机械手角度理论值，用作待标定传感器的标定基准值。

如直接搜索到所述驱动机构长度测量值对应的机械臂或机械手角度，以该角度理论值作为标定基准值；否则，选取合适的插值方法，从所述数据列表中插值获得机械臂或机械手角度理论值。以驱动机构长度测量值对应的机械臂或机械手角度作为标定基准，可以保证标定的准确性。

S400、获取待标定传感器的测量值，并与所述标定基准值比较、分析，对所述待标定传感器进行标定。

S500、判断是否还有待标定传感器，

若是，返回步骤S200；

若否，进入步骤S600；

S600、结束传感器标定。

显然，在传感器标定前可预先检测待标定传感器是否断线，若是，对待标定传感器不进标定；若否，按照上述方法对待标定传感器进行标定。在确定出现故障的情况下不再标定，可提高标定效率。

上述实施例中，保存机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表；在任意状态下，通过获取机械臂或机械手驱动机构长度，可得到相对应的机械臂或机械手角度的理论值，并以此作为传感器标定基准值；将传感器的测量值与该标定基准值进行比较、分析，就可以完成传感器的标定。机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表与控制逻辑相对应，确定后不会发生变化；因此，无需通过基准传感器获得标定基准值，消除基准传感器本身带来的误差，保证待标定传感器的标定准确性，标定结果置信度较高。由于无需检测标定基准值，不受传感器自身安装方式的限制，机械臂或机械手处于任意状态时都可进行标定。特别地，因无需标定台和基准传感器，可以降低生产使用成本。

为了提高传感器标定的置信度，本发明可采取如下优选方案。

优选地，保存收拢状态下的机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度数据；该状态下，标定精度较高；同时，仅保留该状态的数据，有利于节省存储空间。

优选地，定义伸展状态下的机械臂或机械手角度值为零，并且，展开方向为正、收拢方向为负；以机械臂或机械手的伸展状态为零点位置，便于保持控制逻辑的清晰化。

该方法的关键在于确定零点位置及最佳标定位置，具体而言：首先，选择机械臂或机械手的伸展状态为零点位置；再将机械臂或机械手处于收拢、放倒位置，测定该状态下机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手驱动机构角度；然后，将有关数据保存，形成机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手驱动机构角度的数据列表。

这种零点位置的寻找方法，避免人为操作带来的错误的隐患，可全部自动完成；同时，传感器的标定方式给器件的维修及更换带来了方便，在更换传感器时，只需简单的操作传感器就可以自动进行标定，对安装工艺没有特殊要求，也不需要专业人士用专业设备进行调试。

实际运用过程中：设计一套操作命令(在正常操作时，设备或机器不会用到)，选定好零点位置，并测量、保存收拢状态下机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手驱动机构角度的数据列表；在传感器都正常的情况下，将机械臂或机械手处于收拢放倒位置，记录此时机械臂或机械手驱动机构长度的测量值，利用该测量值与实际旋转角度之间的关系，获取传感器标定基准值；然后，对每个待标定传感器进行标定。同时，在实际控制过程当中，将传感器实时测量值带入L＝f(θ)，就得到了机械臂或机械手驱动机构的长度，从而对机械臂或机械手进行智能控制。

在上述标定方法的基础上，以下对本发明传感器标定装置进行描述。

请参见图4，该图是本发明传感器标定装置的框图。该传感器标定装置中，待标定传感器2，安装在机械臂或机械手6上，包括以下部件：

长度测量装置8，用于检测机械臂或机械手驱动机构7的长度；

数据采集器4，用于采集长度测量装置8输出的机械臂或机械手驱动机构的长度测量值、待标定传感器2输出的机械臂或机械手角度测量值；

存储器9，保存机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表；优选地，存储器9保存收拢状态下机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度数据；优选地，定义伸展状态下的机械臂或机械手角度值为零，并且，展开方向为正、收拢方向为负。

处理器5，用于接收数据采集器4获取的机械臂或机械手驱动机构长度测量值、机械臂或机械手角度测量值，获取存储器9中的机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表；以及，搜索所述数据列表，获取待标定传感器2所在机械臂或机械手驱动机构长度测量值对应的机械臂或机械手角度理论值，用作待标定传感器2的标定基准值；将机械臂或机械手角度测量值与所述标定基准值比较、分析，对所述待标定传感器2进行标定。

在该标定装置中，数据采集器4、处理器5、存储器9可集成在控制器10中，以充分利用现有控制器，以便减少投资。

该传感器标定装置，对安装工艺没有特殊要求，也不需要专业人士用专业设备进行调试，便于传感器的维修及更换。维修或更换传感器时，只需简单操作传感器就可自动进行标定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1、一种用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定方法，其特征在于，预先保存机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表；通过获取待标定传感器所在机械臂或机械手驱动机构长度的测量值，搜索所述数据列表，获取待标定传感器所在机械臂或机械手驱动机构长度测量值对应的机械臂或机械手角度理论值，用作待标定传感器的标定基准值；将待标定传感器测量值与所述标定基准值比较、分析，对所述待标定传感器进行标定。

2、如权利要求1所述的用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定方法，其特征在于，保存收拢状态下的机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度数据。

3、如权利要求1所述的用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定方法，其特征在于，定义伸展状态下的机械臂或机械手角度值为零，并且，展开方向为正、收拢方向为负。

4、如权利要求1所述的用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定方法，其特征在于，采用插值方法从所述数据列表中获取机械臂或机械手角度理论值。

5、如权利要求1-4任一项所述的用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定方法，其特征在于，预先检测待标定传感器未断线后，再对待标定传感器进行标定。

6、一种用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定装置，其特征在于，包括：

长度测量装置，用于检测机械臂或机械手驱动机构的长度；

数据采集器，用于采集长度测量装置输出的机械臂或机械手驱动机构长度测量值、待标定传感器输出的机械臂或机械手角度测量值；

存储器，保存机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表；

处理器，用于接收数据采集器获取的机械臂或机械手驱动机构长度测量值、机械臂或机械手角度测量值，获取存储器中的机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度之间的数据列表；以及，搜索所述数据列表，获取待标定传感器所在机械臂或机械手驱动机构长度测量值对应的机械臂或机械手角度理论值，用作待标定传感器的标定基准值；将机械臂或机械手角度测量值与所述标定基准值比较、分析，对所述待标定传感器进行标定。

7、如权利要求6所述的用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定装置，其特征在于，所述存储器保存收拢状态下机械臂或机械手驱动机构长度、机械臂或机械手角度数据。

8、如权利要求6所述的用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定装置，其特征在于，定义伸展状态下的机械臂或机械手角度值为零，并且，展开方向为正、收拢方向为负。

9、如权利要求6-8任一项所述的用于测量机械臂或机械手角度的传感器标定装置，其特征在于，所述数据采集器、处理器、存储器集成在控制器中。

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