CN103017726A - 一种直角坐标方式的机器人位姿误差测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直角坐标方式的机器人位姿误差测量系统及方法，其中系统包括机架、导向单元、驱动单元、测量单元、机器人及工件，导向单元设置在机架上并受驱动单元的驱动，测量单元设置在导向单元上，工件被夹持在机器人的末端；驱动单元驱动导向单元运动，从而带动测量单元移动以完成机器人位姿参数的测量。解决了现有测量技术的数据收集烦琐、工作量大，设备昂贵的问题。
Description
技术领域
本发明涉及机器人位姿误差测量系统，特别涉及一种利用几何测量法进行直角坐标方式的机器人位姿误差测量系统及方法。
背景技术
工业机器人产品出厂时需要通过位姿误差的测量来判定其是否合格，常用的测量方法有：经纬仪测量、激光测量、随动接触式位姿测量等。
经纬仪测量是工业机器人末端操作器上目标点的坐标可以通过2个经纬仪测量出来，2个经纬仪之间的变换关系也可以通过经纬仪的读数计算出来，此系统的测量精度非常高，在1m的距离内精度可以达到0.02mm，但测量的成本也是非常高。
激光测量系统具有精度高，测量范围大等优点。激光测量方法可分为2种类型：角度剖分型激光跟踪测量和球坐标型激光跟踪测量。激光动态跟踪仪在1m的测量距离时的精度为0.1mm，但是激光测量系统的成本极为昂贵。
随动接触式位姿测量机相当于一台在每个关节都装有高精度编码器的无动力机器人。此种测量方式的优点是人的干预少，测量效率高，易于实现自动化。缺点是测量机器人的制造精度要求较高，且测量机器人的自由度要求尽可能的多，否则有可能出现待测机器人与测量机器人运动之间的干涉。
上述各测量技术方案在精度、使用的难易和成本方面各不相同，它们与理想的测量方法都还存在差距，归纳起来，共同的缺点主要有：
(1)数据收集烦琐、工作量大；
(2)大多数设备价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种直角坐标方式的机器人位姿误差测量系统，旨在解决现有测量技术的数据收集烦琐、工作量大，设备昂贵的问题。
本发明的另一目的是提供一种直角坐标方式的机器人位姿误差测量方法，也旨在解决上述问题。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：直角坐标方式的机器人位姿误差测量系统，包括机架、导向单元、驱动单元、测量单元、机器人及工件，导向单元设置在机架上并受驱动单元的驱动，测量单元设置在导向单元上，工件被夹持在机器人的末端；驱动单元驱动导向单元运动，从而带动测量单元移动以完成机器人位姿参数的测量。
所述导向单元包括第一套直线导轨、第二套直线导轨、第三套直线导轨及第四套直线导轨，每套直线导轨均包括滚珠丝杠和滑块；所述驱动单元包括带传动装置、减速器及交流伺服电机；
第一、第二套直线导轨水平安装在机架上，并在远离机器人的末端通过带传动装置将第一、第二套直线导轨内部的滚珠丝杆连接；第三套直线导轨水平放置，其两端分别安装在第一、第二套直线导轨的滑块上，并通过减速器与交流伺服电机连接；第四套直线导轨竖直安装，其滑块通过一连接件与第三套直线导轨固定连接。
本发明的另一目的采用如下技术方案实现：基于上述机器人位姿误差测量系统的机器人位姿误差测量方法，包括如下步骤：
S1、当机器人夹持工件运动至某一空间位置，第一、二、三套直线导轨上的滑块保持零位不动，第四套直线导轨上的滑块移动，测量直角坐标末端的某个固定点，得到第一轴直线方程；
S2、第一、二、四套直线导轨上的滑块保持零位不动，第三套直线导轨上的滑块移动，测量直角坐标末端的某个固定点，得到第二轴方程；
S3、第三、四套直线导轨上的滑块保持零位不动，第一、第二套直线导轨上的滑块移动，测量直角坐标末端的某个固定点，得到第三轴直线方程；
S4、构造基坐标系，测量第二轴与Y轴的夹角为θ，第三轴与xOz平面的夹角为α，第三轴与yOz平面的夹角为β；
S5、根据步骤S4测量到的夹角，计算直角坐标机器人正解T的姿态，再测量测量单元的触板三个接触面相对T的姿态，得到安装末端执行器时产生的姿态偏差，再反解θe、αe及βe三个参数，从而得到机器人位姿误差。
本发明的工作原理是：机器人距离机架一定的距离，固定在靠近测量单元的方向，工件由机器人末端的夹持器固定。故当工件被机器人夹持住并移至空间某位置时，伺服电机驱动直线导轨的滚珠丝杠转动，使得测量单元实现三个方向上的移动，并逐渐实现其上的三个触板与工件的逼近动作，以完成机器人位置误差的测量。即，当机器人夹持工件至空间某一位置，触板在三个方向上移动，通过激光位移传感器分别实现了工件对逼近触板上三个接触面，从而通过测量的θ、α、β、θe、αe及βe六个参数计算出其所产生的姿态偏差。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明通过激光位移传感器获取位姿数据，并通过工业级计算机计算、处理，系统维护方便，装置结构简单，通过计算机实现数据的自动采集，设备研制成本低，能有效提高数据处理的效率；
(2)本发明实现的位姿误差检测可以有效的适用于精度较高的机器人，为机器人位姿误差补偿提供原始数据。
附图说明
图1是本发明机器人位姿误差测量系统的结构示意图；
图2是机器人位姿误差测量坐标系示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明包括机架1、导向单元、驱动单元、测量单元、机器人9及工件10。如图1所示，本实施例中导向单元指的是四套直线导轨，分别为第一套直线导轨2-1、第二套直线导轨2-2、第三套直线导轨2-3及第四套直线导轨2-4，每套直线导轨均包括滚珠丝杠、滑块、挡板及缓冲胶套等；驱动单元包括带传动装置3、减速器5及四台交流伺服电机4；测量单元由六套激光位移传感器8和一块触板7构成。
本实施例中，第一、第二套直线导轨水平安装在机架1上，并在远离机器人9的末端通过带传动装置3将第一、第二套直线导轨内部的滚珠丝杆连接，实现其同步运动。第三套直线导轨水平放置，其两端分别安装在第一、二套直线导轨的滑块上，该套导轨的驱动装置采用交流伺服电机3接减速器5，再接滚珠丝杠的方式，以保证该轴上的运动能顺利实现。第四套直线导轨竖直安装，通过图1中所示的连接件6将其滑块与第三套直线导轨固定在一起，故该轴能相对于第三套直线导轨实现上下的往复运动。
所述触板7安装在第四套直线导轨的上端面，故能实现如图2所示的X、Y、Z三个方向上的自由移动，满足误差测量的运动需求。触板7共有三个接触面；本实施例采用六套激光位移传感器8作为测量单元，六套激光位移传感器8安装在该三个接触面上：A面装有三套激光位移传感器，B面装有两套激光位移传感器，C面装有一套激光位移传感器。
所述测量的工件10安装在机器人9末端的夹持器上，该机器人9安装在靠近测量用触板7的一面。本发明基于直角坐标机器人的标定方法采用几何测量法，又称为轴线法，标定步骤如下：
S1、当机器人9夹持工件10运动至指定的一个空间位置，第一、二、三套直线导轨上的滑块保持零位不动，第四套直线导轨上的滑块移动，测量直角坐标末端的一个固定点（即工件表面上的一个固定具体点，记为点A），得到第一轴直线方程；
S2、第一、二、四套直线导轨上的滑块保持零位不动，第三套直线导轨上的滑块移动，测量直角坐标末端的固定点A，得到第二轴方程；
S3、第三、四套直线导轨上的滑块保持零位不动，第一、第二套直线导轨上的滑块移动，测量直角坐标末端的固定点A，得到第三轴直线方程；
S4、构造基坐标系，测量第二轴与Y轴的夹角为θ，第三轴与xOz平面的夹角为α，第三轴与yOz平面的夹角为β；
S5、根据步骤S4测量到的夹角，计算T（即直角坐标机器人的正解）的姿态，再测量末端执行器（即触板）三个面相对T的姿态，即得到安装末端执行器时产生的姿态偏差εTe，再反解第二轴与Y轴的夹角θe、第三轴与xOz平面的夹角αe及第三轴与yOz平面的夹角βe三个参数，从而得到机器人位姿误差。
本发明所述的各零部件可选型如下，但选型不限于此：机器人9：可选用其他同类型的机器人；工件10：可选用形状规则的同类型工件。
上述实施例为本方面较佳的实施方式，但本方明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种直角坐标方式的机器人位姿误差测量系统，其特征在于，包括机架、导向单元、驱动单元、测量单元、机器人及工件，导向单元设置在机架上并受驱动单元的驱动，测量单元设置在导向单元上，工件被夹持在机器人的末端；驱动单元驱动导向单元运动，从而带动测量单元移动以完成机器人位姿参数的测量。
2.根据权利要求1所述的机器人位姿误差测量系统，其特征在于，所述导向单元包括第一套直线导轨、第二套直线导轨、第三套直线导轨及第四套直线导轨，每套直线导轨均包括滚珠丝杠和滑块；所述驱动单元包括带传动装置、减速器及交流伺服电机；
第一、第二套直线导轨水平安装在机架上，并在远离机器人的末端通过带传动装置将第一、第二套直线导轨内部的滚珠丝杆连接；第三套直线导轨水平放置，其两端分别安装在第一、第二套直线导轨的滑块上，并通过减速器与交流伺服电机连接；第四套直线导轨竖直安装，其滑块通过一连接件与第三套直线导轨固定连接。
3.根据权利要求2所述的机器人位姿误差测量系统，其特征在于，所述测量单元包括设有三个接触面的触板，以及安装在所述接触面上的激光位移传感器。
4.根据权利要求3所述的机器人位姿误差测量系统，其特征在于，所述触板安装在第四套直线导轨的上端面。
5.根据权利要求3或4所述的机器人位姿误差测量系统，其特征在于，所述激光位移传感器共有六套；所述触板的第一接触面装有三套激光位移传感器，第二接触面装有两套激光位移传感器，第三接触面装有一套激光位移传感器。
6.基于权利要求2所述机器人位姿误差测量系统的机器人位姿误差测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、当机器人夹持工件运动至某一空间位置，第一、二、三套直线导轨上的滑块保持零位不动，第四套直线导轨上的滑块移动，测量直角坐标末端的某个固定点，得到第一轴直线方程；
S2、第一、二、四套直线导轨上的滑块保持零位不动，第三套直线导轨上的滑块移动，测量直角坐标末端的某个固定点，得到第二轴方程；
S3、第三、四套直线导轨上的滑块保持零位不动，第一、第二套直线导轨上的滑块移动，测量直角坐标末端的某个固定点，得到第三轴直线方程；
S4、构造基坐标系，测量第二轴与Y轴的夹角为θ，第三轴与xOz平面的夹角为α，第三轴与yOz平面的夹角为β；
S5、根据步骤S4测量到的夹角，计算直角坐标机器人正解T的姿态，再测量测量单元的触板三个接触面相对T的姿态，得到安装末端执行器时产生的姿态偏差，再反解θe、αe及βe三个参数，从而得到机器人位姿误差。
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