CN102654387A - 一种基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置及其方法，包括点光源激光器和激光束的接收装置，接收装置由PSD、球关节、基座、信号处理电路、数据采集卡、工业控制计算机、工业机器人控制器组成，激光器通过连接装置刚性固定在机器人末端，接收装置放置在工业机器人本体的工作空间内，PSD通过刚性连杆固定连接在球关节上，数据采集器卡通过信号处理电路与PSD相连，数据采集器卡与工业控制计算机相连接。本发明激光束能够垂直投射到PSD中心点上，进一步减小了由于圆柱形激光束倾斜投射到PSD中心点产生的误差。
Description
技术领域
本发明属于工业机器人的标定技术，特别是一种工业机器人关节零位的自标定方法及其装置。
背景技术
随着工业机器人应用范围的扩大和复杂任务的需要，工业机器人的定位精度越来越重要。目前工业机器人具有高的重复精度（0.1mm或更高），然而（绝对）定位精度却很低（达1cm或更差），定位精度问题已经严重制约了工业机器人的应用能力和应用范围。尽管导致机器人定位精度不高的因素有很多，如齿轮误差、热膨胀以及机器人杆件的机械形变，但最主要的因素来自于机器人运动学模型的参数误差。机器人标定技术是消除这些参数误差进而提高机器人定位精度的最有效方法，因此，成为机器人研究的热点问题之一。
所谓机器人的零位问题就是机器人的运动学模型中的关节角参考点与实际机器人关节角度反馈码盘的参考点的偏差。机器人零位的微小变化由于杆件长度等的放大作用导致机器人末端的位置产生很大偏差。一般认为导致工业机器人定位精度偏低的问题90%来自于机器人的零点位置问题（W. S. Newman and D.W.Osborn, “A new method for kinematic parameter calibration via laser line,” in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., 1993, vol. 2, pp. 160–165）。机器人零点标定问题还没有很好的解决办法，目前工厂较多使用重锤的方法，但存在设备携带困难，操作复杂且受操作人员影响等问题。
二十余年来，在机器人标定领域国内外一些学者已经取得了令人瞩目的研究成果。归纳起来主要有两类机器人标定方法，其中一类方法需要高精度的测量设备精确测量机器人末端的位置或姿态。比如经典的三坐标测量方法（Coordinate Measurement Machines）（M. R. Driels, L. W. Swayze, and L. S. Potter, “Full-pose calibration of a robot manipulator using a coordinate measuring machine,” Int. J. Adv.Manuf. Techno., vol. 8, no. l, pp. 34–41, 1993）以及角度剖分型激光跟踪测试和球坐标型激光跟踪测试等方法（M. Vincze, J. P. Prenninger, and H. Gander, “A laser tracking system to measure position and orientation of robot end effectors under motion,” Int. J. Robot. Res., vol. 13, pp. 305–314, 1994），光学经纬仪测试系统，基于双摄像机的测试系统（B. Preising, T. C. Hsia. Robot Performance Measurement and Calibration Using a 3D Computer Vision System. Proceeding of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation Sacramen to California. 1991: 2079-2084）。但这些方法三坐标测量机和激光跟踪测试仪设备非常昂贵，安装调试及操作比较复杂，主要适合于机器人制造企业实验室场合应用，操作过程依赖于操作人员的水平且非常浪费时间。基于立体摄像机的视觉方法不仅存在双目摄像机本身标定的问题，而且视觉方法由于视场和分辨力的矛盾很难获得比较高的测量精度。
另一类方法是在机器人末端施加一些约束从而形成运动学闭合链。Zhuang 和 Ikits 等对机器人末端施加多个平面或者一个平面约束（H. Zhuang, S. H. Motaghedi, and Z. S. Roth, “Robot calibration with planar constraints,” in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., Detroit, MI, 1999, pp. 805–810.），这些手工操作方法受限于准确定位和效率不高的问题。Newman 等（W. S. Newman and D.W.Osborn, “A new method for kinematic parameter calibration via laser line,” in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom., 1993, vol. 2, pp. 160–165）提出一种基于激光线跟踪的方法。这种方法的特点是约束机器人末端的某点沿着一束静止的任意激光线移动，但没能给出跟踪激光线的可行的、精确的、自动化的方法。适合机器人工作现场、便于携带及低成本机器人零位标定方法及装备已经成为机器人应用企业迫切需要解决的技术方向。Yong Liu和Ning Xi等提出了一种基于单点约束的标定方法（Yong Liu,Ning Xi,and Jianguo Zhao,"Development and Sensitivity Analysis of a Portable Calibration System for Joint Offset of Industrial Robot,"IEEE/RSJ International Conference on intelligent Robots and Systems on louis ,11-15 October 2009），刘永在发明专利一种工业机器人零位自标定方法及装置（专利号为：201010267775.7）中提出了一种工业机器人零位标定的方法，此方法运用激光器发射激光束，PSD（位置敏感器件）接收激光束，由于PSD是固定不变的，所以当圆柱形激光束倾斜投射到PSD中心点上时会产生较大的误差。
发明内容
本发明首次提出一种基于空间曲面约束机器人在线标定装置及其方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置，包括点光源激光器和激光束的接收装置，接收装置由PSD、球关节、基座、信号处理电路、数据采集卡、工业控制计算机、工业机器人控制器组成，激光器通过连接装置刚性固定在机器人末端，接收装置放置在工业机器人本体的工作空间内，PSD通过刚性连杆固定连接在球关节上，数据采集器卡通过信号处理电路与PSD相连，数据采集器卡与工业控制计算机相连接，工业控制计算机与工业机器人控制器相通信，机器人末端带动激光器移动，使得激光束从不同的方向投射到PSD感光面上，根据激光器发射的激光束方向，PSD绕球关节自由旋转调整方向垂直的接收激光束，在旋转过程中PSD的感光面中心点始终处于以球关节的中心点为球心的同一球面上，PSD检测激光束光斑在PSD感光面的二维位置，数据采集卡采集由信号处理电路传来的激光束光斑在PSD感光面上的位置信息，并将位置信息发送给工业控制计算机，该工业机器人控制器控制机器人本体的移动。
一种基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置实现的方法，步骤如下：
第一步，将一个绕球关节自由旋转的PSD放置在工业机器人可达工作空间的任意位置，PSD的感光面中心点为激光束约束点；
第二步，机器人末端带动激光器移动，将激光束投射到PSD的感光面中心点上，设定PSD感光面的方位，并在此方位不变的情况下，机器人末端带动激光束小角度偏转且激光束投射到PSD感光面中心点上，然后机器人末端载着激光器做N次较大角度为20°~ 30°的偏移，每次较大角度偏移后，再按照以上方式激光束发生小角度偏转，小角度偏转为至少两次较小角度为5°~ 10°的偏转，每次偏移后得到关节角的角度值；
第三种，将关节角的角度值带入运动学正解模型得出末端姿态，得到激光束直线方程，在小角度偏转时的激光束会交于一点，且这些交点都位于同一球面上，以此作为约束；
第四步，建立优化模型，以空间球面建立约束条件，以任意四个不共面的交点所组成的球面的球心之间的距离为优化目标函数，通过迭代算法搜索机器人标定参数。
本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）与目前机器人标定方法与空间单点约束标定方法相比，激光束能够垂直投射到PSD中心点上，进一步减小了由于圆柱形激光束倾斜投射到PSD中心点产生的误差。（2）PSD绕着球关节能够在同一球面上移动，扩大了机器人的标定空间，同时一个PSD相当于多个PSD，且这些PSD感光面中心点都在以旋转中心点为球心的球面上。（3）不仅解决了工业现场广泛需求的机器人零位标定问题，还可以用于机器人全部运动学参数的标定以及工件坐标系与机器人坐标系之间的标定。（4）该装置是一套易于开发、低成本、便携、高精度、自动化的机器人标定装置。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置的示意图。
图2是本发明基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置的标定方法示意图。
图3是本发明基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置的标定过程图。
图4是本发明基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置的标定方法中激光束以不同角度投射到PSD中心点对比图。
具体实施方式
结合图1，本发明基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置，包括点光源激光器2和激光束3的接收装置，接收装置由位置敏感器件（简称PSD）4、球关节12、基座13、信号处理电路5、数据采集卡6、工业控制计算机7、工业机器人控制器8组成，激光器2通过连接装置1刚性固定在机器人末端10，在标定过程中激光器2与末端的关系始终保持不变，接收装置放置在工业机器人本体9的工作空间内，PSD4通过刚性连杆固定连接在球关节12上，数据采集器卡6通过信号处理电路5与PSD4相连，数据采集器卡6可以通过无线网络与工业控制计算机7相连接，工业控制计算机7可以通过无线网络与工业机器人控制器8相通信，机器人末端10带动激光器2移动，使得激光束3从不同的方向投射到PSD4感光面上，根据激光器2发射的激光束3方向，PSD4绕球关节12自由旋转调整方向垂直的接收激光束3，在旋转过程中PSD4的感光面中心点11始终处于以球关节12的中心点为球心的同一球面上，PSD4采用分段式高精度光电器件，分辨率达0.1um，可检测激光束光斑在PSD4感光面的二维位置，数据采集卡6采集由信号处理电路5传来的激光束光斑在PSD4感光面上的位置信息，并将位置信息发送给工业控制计算机7，该工业机器人控制器8控制机器人本体9的移动。
结合图2、图3和图4，本发明基于空间曲面约束的工业机器人在线标定方法，步骤如下：
第一步，将一个绕球关节12自由旋转的PSD4放置在工业机器人可达工作空间的任意位置，PSD4的感光面中心点11为激光束约束点，具体而言，PSD4的感光面中心点11为激光束约束点，PSD4通过刚性连杆与球关节12相连，根据激光器2发射激光束3的方向，PSD4通过刚性连杆绕球关节12旋转使得PSD感光面能够垂直的接收激光器发射的激光束。如图3所示，在标定过程中，由位置A变换到位置B，再变换到标定空间中各个位置，PSD4绕着球关节在同一球面上移动，扩大了机器人的标定空间，PSD4绕球关节12在同一球面上变换位置，一个PSD相当于多个PSD，故此套装置不仅能够应用于机器人零位标定问题，还可以用于机器人全部运动学参数的标定以及工件坐标系与机器人坐标系之间的标定，且PSD4感光面中心点11都在以球关节12的中心点为球心的球面上，即实现了空间球面约束。
第二步，机器人末端10带动激光器2移动，将激光束投射到PSD4的感光面中心点11上，设定PSD感光面的方位，并在此方位不变的情况下，机器人末端带动激光束小角度偏转且激光束投射到PSD感光面中心点上，然后机器人末端10载着激光器做N次较大角度为20°~ 30°的偏移，每次较大角度偏移后，再按照以上方式激光束发生小角度偏转，小角度偏转为至少两次较小角度为5°~ 10°的偏转，每次偏移后得到关节角的角度值。
具体而言，如图2所示，机器人末端10带动激光器2将激光束3投射到PSD4感光面上，同时PSD4通过钢性连杆绕着球关节旋转，激光束垂直的投射到PSD感光面中心上，此时位置记为1.1，并在此方位不变的情况下，机器人末端10带动激光束做至少两次较小角度5°~ 10°的偏转投射到PSD感光面中心点上，此时位置记为1.2和1.3，工业控制计算机7通过网络通讯从工业机器人控制器8读取6个机器人关节的角度值，然后机器人末端10载着激光器2做N次较大角度20°~ 30°的偏移N≥5，并按照以上方式激光束发生至少两次较小角度5°~ 10°的偏转，读取关节角度值。做至少两次较小角度5°~ 10°的偏转其原因在于：如图4所示，由于激光束3是圆柱形的，每当激光束倾斜的投射PSD感光面中心点11上时都会产生误差，倾斜的角度越大产生的误差将会越大，故在此只做较小角度的偏转，减少由于激光束倾斜投射产生的误差。
第三种，将关节角的角度值带入运动学正解模型得出末端姿态，得到激光束直线方程，在小角度偏转时的激光束会交于一点，且这些交点都位于同一球面上，以此作为约束；运动学误差模型如下：
通过末端位置和姿态得到激光束直线方程，至少两次较小角度的偏转的激光束会交于一点，且这些交点都位于同一球面上。
直线方程为：
其中
是第i条激光线通过的某一固定点在机器人基座坐标系下的坐标，
是该激光线所在直线的单位方向向量；
建立空间中任意不共面四点
，
的球面方程如下：
其中
。
是激光束交点的坐标。
第四步，建立优化模型，以空间球面建立约束条件，以任意四个不共面的交点所组成的球面的球心之间的距离为优化目标函数，通过迭代算法搜索机器人标定参数，即激光器2发射的所有激光束3的交点实际上都位于同一球面上，但是由于零位角存在误差，故通过将零位角的值代入正运动学模型得到机器人末端位置和姿态，得出的交点并不都位于同一空间球面上。将关节角值带入运动学正解模型得到末端姿态，求出当机器人本体9发生小角度偏转时激光束的交点，并求出任意四个交点的球面方程得到球心，以所有球心与球心中心点之间的距离作为优化目标函数，通过迭代补偿关节角的值使得目标函数值最小，此时的补偿值即为零位角误差值，建立的优化模型如下：
其中，
表示对零位角误差值第n次迭代时第k个球面的球心，
；
表示对零位角误差值在第n次迭代所有球面球心的中心点；
表示零位角误差值在第n次迭代时所有球面球心
在
方向上的分布误差。通过此优化模型，最终得出的补偿值即为零位角误差值，从而实现基于空间曲面约束的工业机器人在线标定。
根据上述步骤，计算获得零位误差值如下表所示：
表1 实例IRB1600机器人零位标定结果（单位：度）
| 标定参数 | 真实值 | 初始值 | 标定结果 | 平均误差 |
| 1.1 | 0.0 | 1.1757 | 0.061 | |
| 0.1 | 0.0 | 0.1191 | 0.042 | |
 |
0.1 | 0.0 | 0.0803 | 0.024 |
 |
0.1 | 0.0 | 0.0623 | 0.029 |
 |
0.1 | 0.0 | 0.1348 | 0.021 |
Claims (5)
1.一种基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置，其特征在于包括点光源激光器（2）和激光束（3）的接收装置，接收装置由PSD（4）、球关节（12）、基座（13）、信号处理电路（5）、数据采集卡（6）、工业控制计算机（7）、工业机器人控制器（8）组成，激光器（2）通过连接装置（1）刚性固定在机器人末端（10），接收装置放置在工业机器人本体（9）的工作空间内，PSD（4）通过刚性连杆固定连接在球关节（12）上，数据采集器卡（6）通过信号处理电路（5）与PSD（4）相连，数据采集器卡（6）与工业控制计算机（7）相连接，工业控制计算机（7）与工业机器人控制器（8）相通信，机器人末端（10）带动激光器（2）移动，使得激光束（3）从不同的方向投射到PSD（4）感光面上，根据激光器（2）发射的激光束（3）方向，PSD（4）绕球关节（12）自由旋转调整方向垂直的接收激光束（3），在旋转过程中PSD（4）的感光面中心点（11）始终处于以球关节（12）的中心点为球心的同一球面上，PSD（4）检测激光束光斑在PSD（4）感光面的二维位置，数据采集卡（6）采集由信号处理电路（5）传来的激光束光斑在PSD（4）感光面上的位置信息，并将位置信息发送给工业控制计算机（7），该工业机器人控制器（8）控制机器人本体（9）的移动。
2.一种根据权利要求1所述的基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置实现的方法，其特征在于步骤如下：
第一步，将一个绕球关节（12）自由旋转的PSD（4）放置在工业机器人可达工作空间的任意位置，PSD（4）的感光面中心点（11）为激光束约束点；
第二步，机器人末端（10）带动激光器（2）移动，将激光束投射到PSD（4）的感光面中心点（11）上，设定PSD感光面的方位，并在此方位不变的情况下，机器人末端带动激光束小角度偏转且激光束投射到PSD感光面中心点上，然后机器人末端（10）载着激光器做N次较大角度为20°~ 30°的偏移，每次较大角度偏移后，再按照以上方式激光束发生小角度偏转，小角度偏转为至少两次较小角度为5°~ 10°的偏转，每次偏移后得到关节角的角度值；
第三种，将关节角的角度值带入运动学正解模型得出末端姿态，得到激光束直线方程，在小角度偏转时的激光束会交于一点，且这些交点都位于同一球面上，以此作为约束；
第四步，建立优化模型，以空间球面建立约束条件，以任意四个不共面的交点所组成的球面的球心之间的距离为优化目标函数，通过迭代算法搜索机器人标定参数。
3.根据权利要求2所述的基于空间曲面约束的工业机器人在线标定方法，其特征在于第一步中，PSD（4）的感光面中心点（11）为激光束约束点，PSD（4）通过刚性连杆与球关节（12）相连，根据激光器（2）发射激光束（3）的方向，PSD（4）通过刚性连杆绕球关节（12）旋转使得PSD感光面能够垂直的接收激光器发射的激光束，在标定过程中，由位置A变换到位置B，再变换到标定空间中各个位置，PSD（4）绕着球关节在同一球面上移动，PSD（4）感光面中心点（11）都在以球关节（12）的中心点为球心的球面上，即实现了空间球面约束。
4.根据权利要求2所述的基于空间曲面约束的工业机器人在线标定方法，其特征在于第三步中，
（1）将关节角度值带入正运动学模型得出末端位置和姿态，通过末端位置和姿态得到激光束直线方程，小角度偏转的激光束会交于一点，且这些交点都位于同一球面上，直线方程为：
其中
是第i条激光线通过的某一固定点在机器人基座坐标系下的坐标，
是该激光线所在直线的单位方向向量；
（2）建立空间中任意不共面四点
，
的球面方程如下：
其中
；
是激光束交点的坐标。
5.根据权利要求2所述的基于空间曲面约束的工业机器人在线标定方法，其特征在于第四步中的建立优化模型：激光器（2）发射的所有激光束（3）的交点都位于同一球面上，通过将关节角的角度值代入正运动学模型得到机器人末端位置和姿态，求出当机器人本体（9）发生小角度偏转时位姿变化时激光束的交点，并求出任意四个交点的球面方程得到球心，以所有球心与球心中心点之间的距离作为优化目标函数，通过迭代补偿关节角的值使得目标函数值最小，此时的补偿值即为零位角误差值，建立的优化模型如下：
其中，
表示对零位角误差值第n次迭代时第k个球面的球心，
；
表示对零位角误差值在第n次迭代所有球面球心的中心点；
表示零位角误差值在第n次迭代时所有球面球心
在
方向上的分布误差，通过此优化模型，最终得出的补偿值即为零位角误差值，从而实现基于空间曲面约束的工业机器人在线标定。
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