CN102706277B - 一种基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定装置及其方法，包括激光点光源和全方位接收装置，激光器作为激光点光源，全方位接收装置由PSD、内环架、外环架、信号处理电路、数据采集卡、工业控制计算机、工业机器人控制器构成，内环架和外环架互相垂直通过球关节连接在一起构成环架，激光器通过连接装置刚性固定在工业机器人本体的末端，两个连杆的一端带有球关节，该球关节与内环架连接，两个连杆的另一端刚性连接PSD，该PSD位于环架的正中心。本发明不仅克服了以前PSD固定不动的缺点同时减少了由于圆形激光束倾斜投射到PSD中心点上产生的误差。

Description

一种基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定装置及方法

一  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。

二  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课题。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。

三  发明内容

本发明首次提出一种基于全方位接收装置和激光的虚拟点约束机器人自标定方法及其装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定装置，包括激光点光源和全方位接收装置，激光器作为激光点光源，全方位接收装置由PSD、内环架、外环架、信号处理电路、数据采集卡、工业控制计算机、工业机器人控制器构成，内环架和外环架互相垂直通过球关节连接在一起构成环架，激光器通过连接装置刚性固定在工业机器人本体的末端，两个连杆的一端带有球关节，该球关节与内环架连接，两个连杆的另一端刚性连接PSD，该PSD位于环架的正中心，即PSD的感光面中心点与环架的中心点是重合的，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，机器人本体的移动带动机器人末端位姿发生改变，从而带动激光器的位置改变，驱动内环架在外环架的轨道上移动， PSD在内环架内旋转，移动和旋转过程中PSD的感光面中心点的位置始终保持不变，即实现了全方位点约束，激光器发射激光束由PSD接收激光束，以PSD感光面的中心点作为激光束的约束点，PSD绕感光面中心点前后左右自由旋转，使得激光束能够垂直投射到PSD的表面，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感光面上的二维位置信息，并将二维位置信息通过网络发送给工业控制计算机，工业控制计算机将信息传输给工业机器人控制器，该工业机器人控制器控制机器人本体的移动。

一种基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定方法，步骤如下：

第一步，将全方位接收装置放置在机器人本体的可达空间中任意位置，此全方位接收装置自由调整PSD使得激光束最终投射到PSD感光表面上；机器人本体不断改变位姿，带动机器人末端的激光器移动，并调节全方位接收装置，使得激光束垂直投射到PSD中心点上，实现了单点约束；

第二步，获得多组姿态下当激光束垂直投射到PSD中心点上时各个关节角的角度值，建立优化模型，最终得出零位角的补偿值即误差值，从而实现全方位点约束的工业机器人在线零位标定。 

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本发明中PSD可以自由旋转调整方向使得激光束能够垂直投射到PSD表面中心点上，不仅克服了以前PSD固定不动的缺点同时减少了由于圆形激光束倾斜投射到PSD中心点上产生的误差。（2）与目前机器人标定方法的本质不同在于仅需要空间单点约束，且根据激光束的方向垂直接收激光束，且不需要知道该点的空间位置没有物理接触，因此本方法为全方位点约束，这样是测量的精度高。（3）该方案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。（4）本方法灵活实现PSD的姿态变化，但PSD的中心点始终保持不变，具有低成本高效率等显著特点。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

四  附图说明

图1是本发明基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定装置的示意图。

图2是本发明基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定方法示意图。

图3是本发明基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定方法过程图。

图4是发明基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定中PSD的原理图。

五  具体实施方式 

结合图1，本发明基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定装置，包括激光点光源和全方位接收装置，激光器2作为激光点光源，全方位接收装置由位置敏感器件（简称PSD）4、内环架13、外环架12、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构成，内环架13和外环架12互相垂直通过球关节连接在一起构成环架，激光器2通过连接装置1刚性固定在工业机器人本体9的末端10，两个连杆的一端带有球关节，该球关节与内环架13连接，两个连杆的另一端刚性连接PSD4，该PSD4位于环架的正中心，即PSD4的感光面中心点与环架的中心点是重合的，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，机器人本体9的移动带动机器人末端10位姿发生改变，从而带动激光器2的位置改变，手动旋转或者运用电机控制，驱动内环架13在外环架12的轨道上移动， PSD4在内环架13内旋转，移动和旋转过程中PSD4的感光面中心点的位置始终保持不变，即实现了全方位点约束，激光器2发射激光束3由PSD4接收激光束，以PSD4感光面的中心点11作为激光束的约束点，PSD4绕感光面中心点11前后左右自由旋转，使得激光束3能够垂直投射到PSD4的表面，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感光面上的二维位置信息，并将二维位置信息通过网络发送给工业控制计算机7，工业控制计算机7将信息传输给工业机器人控制器8，该工业机器人控制器8控制机器人本体9的移动。

结合图1和图2，本发明基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定方法，步骤如下：

第一步，将全方位接收装置放置在机器人本体9的可达空间中任意位置，此全方位接收装置自由调整PSD4使得激光束3最终投射到PSD4感光表面上；机器人本体9不断改变位姿，带动机器人末端的激光器2移动，并调节全方位接收装置，使得激光束3垂直投射到PSD中心点11上，实现了单点约束；

上述第一步的实现过程为：

首先将激光器2作为激光点光源， PSD4、内环架13、外环架12、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构成全方位接收装置，内环架13和外环架12互相垂直通过球关节连接在一起构成环架，激光器2通过连接装置1刚性固定在机器人本体9末端，两个连杆的一端带有球关节，该球关节与内环架13连接，两个连杆的另一端刚性连接PSD4，该PSD4位于环架的正中心，即PSD4的感光面中心点与环架的中心点是重合的，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；

其次，将全方位接收装置放置在机器人的可达空间中，以全方位接收装置中的PSD4感光面中心点11为激光束约束点，即作为激光束投射的目标位置，根据激光束3的发射方向自由调整PSD的位置使得激光束垂直照射在PSD4中心点上，如图3所示，在标定过程中，PSD4始终是以PSD4感光面中心点为旋转中心改变位置的，在不同末端位置下的激光束3始终过空间中同一点，即实现了单点约束。

第二步，获得多组姿态下当激光束3垂直投射到PSD中心点11上时各个关节角的角度值，建立优化模型，最终得出零位角的补偿值即误差值，从而实现全方位点约束的工业机器人在线零位标定。

其中，在第二步中获得机器人各个关节角的角度值的过程为：通过调动机器人本体9带动其末端10通过连接装置1连接的激光器2，调控机器人本体9位姿到位置a，激光器2发射激光束3投射到PSD4的表面，PSD4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感光面上的二维位置信息，并将二维位置信息通过网络发送给工业控制计算机7，工业控制计算机7将二维位置信息传输给工业机器人控制器8，工业机器人控制器8控制机器人本体9移动，同时通过驱动PSD4，使得激光束3垂直照射在PSD4感光面中心点11上，工业机器人控制器8通过网络通讯或工业机器人通讯接口把机器人本体9关节的角度值发送到工业控制计算机7上，得到机器人在位置a下的关节角度值；将机器人本体9的末端10载着激光器2沿着水平方向偏转角度20°~ 30°记为位置b，通过上述步骤获得机器人在位置b下的关节角度值，这样不断变化机器人本体9位置获取N个位置下的机器人关节角度值。

在第二步中得到关节角误差值的过程为：

（1）正运动学模型如下所示：

        其中，和  分别是杆件长度，连杆扭角，连杆距离和关节角度； 表示第i个关节的零位误差。则六自由度机器人正运动学方程表达为：

将不同姿态下的关节角度值代入正运动学模型，得到机器人末端姿态与位置：

其中是末端坐标系X轴单位向量在基坐标系中的坐标，是末端坐标系Y轴单位向量在基坐标系中的坐标，是末端坐标系Z轴单位向量在基坐标系中的坐标，是末端坐标系原点在基坐标系中的坐标；

（2）计算出不同位姿下的激光束直线方程，并计算出激光束直线方程的公垂线中点，以交点与交点中心点之间的距离作为优化目标函数，建立优化模型，得出关节角的误差值：

由于激光器是刚性固定在机器人末端即激光束所在直线与机器人末端的关系是始终不变的，故可得出末端激光束所在直线为：

其中为直线所过固定点，为直线的方向矢量；已知两条直线与则求取两条直线的交点或中垂线中点：

当两条直线存在交点时，其交点为：

其中

当两条直线不存在交点时，其中垂线中点为：

其中

求出任意两条直线交点的中心点，以交点与交点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，优化模型建立如下：

其中，表示对零位角误差值第n次迭代时第k个直线交点， ；表示对零位角误差值在第n次迭代所有直线交点的中心点；表示零位角误差值在第n次迭代时所有交点在方向上的分布误差，通过优化模型计算出补偿值，此时的补偿值即为零位角误差值，从而完成全方位点约束的工业机器人在线零位标定。

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	1.1657	0.051
	0.1	0.0	0.1133	0.042
						0.1	0.0	0.0874	0.018
	0.1	0.0	0.0722	0.028
						0.1	0.0	0.1249	0.017

Claims (5)

1.一种基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定装置，其特征在于包括激光点光源和全方位接收装置，激光器（2）作为激光点光源，全方位接收装置由PSD（4）、内环架（13）、外环架（12）、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）构成，内环架（13）和外环架（12）互相垂直通过球关节连接在一起构成环架，激光器（2）通过连接装置（1）刚性固定在工业机器人本体（9）的末端（10），两个连杆的一端带有球关节，该球关节与内环架（13）连接，两个连杆的另一端刚性连接PSD（4），该PSD（4）位于环架的正中心，即PSD（4）的感光面中心点与环架的中心点是重合的，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，机器人本体（9）的移动带动机器人末端（10）位姿发生改变，从而带动激光器（2）的位置改变，驱动内环架（13）在外环架（12）的轨道上移动， PSD（4）在内环架（13）内旋转，移动和旋转过程中PSD（4）的感光面中心点的位置始终保持不变，即实现了全方位点约束，激光器（2）发射激光束（3）由PSD（4）接收激光束，以PSD（4）感光面的中心点（11）作为激光束的约束点，PSD（4）绕感光面中心点（11）前后左右自由旋转，使得激光束（3）能够垂直投射到PSD（4）的表面，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）感光面上的二维位置信息，并将二维位置信息通过网络发送给工业控制计算机（7），工业控制计算机（7）将信息传输给工业机器人控制器（8），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所述的基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定装置实现的方法，其特征在于步骤如下：

第一步，将全方位接收装置放置在机器人本体（9）的可达空间中任意位置，此全方位接收装置自由调整PSD（4）使得激光束（3）最终投射到PSD（4）感光表面上；机器人本体（9）不断改变位姿，带动机器人末端的激光器（2）移动，并调节全方位接收装置，使得激光束（3）垂直投射到PSD中心点（11）上，实现了单点约束；

第二步，获得多组姿态下当激光束（3）垂直投射到PSD中心点（11）上时各个关节角的角度值，建立优化模型，最终得出零位角的补偿值即误差值，从而实现全方位点约束的工业机器人在线零位标定。

3.根据权利要求2所述的基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定方法，其特征在于第一步的实现过程为：

首先将激光器（2）作为激光点光源， PSD（4）、内环架（13）、外环架（12）、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）构成全方位接收装置，内环架（13）和外环架（12）互相垂直通过球关节连接在一起构成环架，激光器（2）通过连接装置（1）刚性固定在机器人本体（9）末端，两个连杆的一端带有球关节，该球关节与内环架（13）连接，两个连杆的另一端刚性连接PSD（4），该PSD（4）位于环架的正中心，即PSD（4）的感光面中心点与环架的中心点是重合的，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；

其次，将全方位接收装置放置在机器人的可达空间中，以全方位接收装置中的PSD（4）感光面中心点（11）为激光束约束点，即作为激光束投射的目标位置，根据激光束（3）的发射方向自由调整PSD的位置使得激光束垂直照射在PSD（4）中心点上，在标定过程中，PSD（4）始终是以PSD（4）感光面中心点为旋转中心改变位置的，在不同末端位置下的激光束（3）始终过空间中同一点，即实现了单点约束。

4.根据权利要求2所述的基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定方法，其特征在第二步中获得机器人各个关节角的角度值的过程为：通过调动机器人本体（9）带动其末端（10）通过连接装置（1）连接的激光器（2），调控机器人本体（9）位姿到位置a，激光器（2）发射激光束（3）投射到PSD（4）的表面，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）感光面上的二维位置信息，并将二维位置信息通过网络发送给工业控制计算机（7），工业控制计算机（7）将二维位置信息传输给工业机器人控制器（8），工业机器人控制器（8）控制机器人本体（9）移动，同时通过驱动PSD（4），使得激光束（3）垂直照射在PSD（4）感光面中心点（11）上，工业机器人控制器（8）把机器人本体（9）关节的角度值发送到工业控制计算机（7）上，得到机器人在位置a下的关节角度值；将机器人本体（9）的末端（10）载着激光器（2）沿着水平方向偏转角度20°~ 30°记为位置b，通过上述步骤获得机器人在位置b下的关节角度值，这样不断变化机器人本体（9）位置获取N个位置下的机器人关节角度值。

5.根据权利要求2所述的基于全方位点约束的工业机器人在线零位标定方法，其特征在第二步中得到关节角误差值的过程为：

（1）将不同姿态下的关节角度值代入正运动学模型，得到机器人末端姿态与位置                                               ：

其中是末端坐标系X轴单位向量在基坐标系中的坐标，是末端坐标系Y轴单位向量在基坐标系中的坐标，是末端坐标系Z轴单位向量在基坐标系中的坐标，是末端坐标系原点在基坐标系中的坐标；

（2）计算出不同位姿下的激光束直线方程，并计算出激光束直线方程的公垂线中点，以交点与交点中心点之间的距离作为优化目标函数，建立优化模型，得出关节角的误差值：

由于激光器是刚性固定在机器人末端即激光束所在直线与机器人末端的关系是始终不变的，故可得出末端激光束所在直线为：

其中为直线所过固定点，为直线的方向矢量；已知两条直线与则求取两条直线的交点或中垂线中点：

当两条直线存在交点时，其交点为：

其中

当两条直线不存在交点时，其中垂线中点为：

其中

   

求出任意两条直线交点的中心点，以交点与交点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，优化模型建立如下：

其中，表示对零位角误差值第n次迭代时第k个直线交点， ；表示对零位角误差值在第n次迭代所有直线交点的中心点；表示零位角误差值在第n次迭代时所有交点在方向上的分布误差，通过优化模型计算出补偿值，此时的补偿值即为零位角误差值，从而完成全方位点约束的工业机器人在线零位标定。