CN104197831A - 一种六关节工业机器人的精度标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六关节工业机器人的精度标定装置，包括六关节工业机器人，所述六关节工业机器人末端连接有连接件，所述连接件上固定光源装置一和光源装置二，所述光源装置一和光源装置二前方分别设有与光源装置一和光源装置二垂直的投影幕布一和幕布二，所述幕布一和幕布二后方分别放置有相机一和相机二；所述光源装置一和光源装置二均包括圆盘、激光笔和固定件，所述圆盘和固定件都开有12个在圆周均布的圆孔，用于安装激光笔，激光笔同轴度≤0.01mm，激光笔上、下端分别安装在圆盘和固定件上。本发明与现有技术相比的优点是：能对关节机器人的精度进行快速、低成本的标定；采用圆周均布阵列的激光笔作为光源构成结构光，激光具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点，提高了标定精度，降低了系统的成本。

Description

一种六关节工业机器人的精度标定装置

技术领域

本发明涉及精度标定装置，尤其涉及一种六关节工业机器人的精度标定装置。

背景技术

在当今社会，机器人已经广泛应用于各行各业，主要进行焊接、装配、加工、搬运、喷涂、码垛等复杂作业。广泛采用工业机器人，不仅有利于提高产品的加工质量和数量，而且对人身安全的保障，劳动环境的改善，劳动生产率的提高，以及生产成本的降低，有着十分重要的意义。

在工业机器人的研究、开发以及应用层面上，机器人的空间定位精度一直是是影响机器人应用发展的一个重要问题。六关节工业机器人空间定位精度差是其固有的特性。其旋转关节上的编码器的分辨率是有一定限制的，而在机械结构上又是一种典型串联形式的悬臂梁结构，这种串联悬臂梁对旋转关节的角度误差是一种累计放大效应，此外由于机械加工、部件装配等制造工艺引起的误差，决定了六关节机器人末端的空间定位误差较大。传统的通过机器人本体设计制造技术的改进来提高其精度的途径，技术难度高、费用投入昂贵，而且改善效果有限。近年来为了提高机器人的空间精度，多采用对机器人的空间精度进行标定，并根据标定的精度数据，通过机器人控制器的软件补偿对机器人空间定位精度进行修正。目前六关节工业机器人空间精度标定的常用方法是采用激光跟踪仪进行测量，其特点是测量精度高。但激光跟踪仪目前价格昂贵、对操作人员要求高、仪器安装及检测过程复杂，因此很多机器人应用厂家没有条件装备该仪器。目前也有基于视觉检测系统的六关节工业机器人精度标定方法，该方法把工业相机安装在机器人末端，机器人在空间不同位置时，其末端的工业相机采集视场内的高精度标定板，通过标定板上的高精度点位坐标数据计算机器人末端的空间位置。该方法的优点是构造成本较低，缺点是标定精度受限标定板精度和相机本身的标定精度，且由于相机变焦速度的限制，不能实现动态的快速自动标定，而最大的问题是该方法仅解决了空间点位坐标(x、y、z)的标定，而不能标定点位的姿态参数(ψ、θ、φ)。

因此，如何建立一种有效的、快速的、低成本的、具有一定普适性的视觉系统，对机器人的空间定位精度进行标定，是当前工业机器人学领域的热点问题之一。

发明内容

本发明是为了解决上述不足，提供了一种六关节工业机器人的精度标定装置。

本发明的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种六关节工业机器人的精度标定装置，包括六关节工业机器人，所述六关节工业机器人末端连接有连接件，所述连接件上固定光源装置一和光源装置二，所述光源装置一和光源装置二前方分别设有与光源装置一和光源装置二垂直的投影幕布一和幕布二，所述幕布一和幕布二后方分别放置有相机一和相机二；所述光源装置一和光源装置二均包括圆盘、激光笔和固定件，所述圆盘和固定件都开有12个在圆周方向均布圆孔，用于安装激光笔，激光笔同轴度≤0.01mm，激光笔上、下端分别安装在圆盘和固定件上。

利用本发明的精度标定装置计算出六关节机器人末端位置坐标及姿态参数：圆形光与平面成一定角度投影时，会形成椭圆，并且投影角度变化时，形成椭圆的长短轴也会变化。机器人在运动过程中，机器人末端的两垂直安装的光源也会跟随运动。使用的光源是圆周阵列的激光笔，在投影幕布上会得到各激光笔成像的点，相机获得图像后传输到计算机。将各点进行拟合就能得到圆形或椭圆，通过投影关系以及椭圆长轴和短轴的变化，可以计算光源的旋转角度，即机器人末端的姿态。通过两个垂直方向光源的投影成像变化，就可以得到机器人末端的姿态参数ψ、θ、φ；根据机器人末端坐标系和屏幕坐标系的映射关系，利用两个平面上投影椭圆的圆心坐标可以计算出机器人末端的位置参数x、y、z。

本发明与现有技术相比的优点是：本发明能对关节机器人末端位置坐标及姿态参数同时进行标定，该标定方法很容易实现标定过程的全自动化，提高了标定效率，降低了标定难度。此外，本发明采用圆周阵列的激光笔作为光源，在标定工业机器人工作空间范围内不需要对光源进行调焦，激光具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特点，提高了标定精度，而且成本较低，在同类应用场合具有推广价值，具有一定的经济性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明光源装置的结构示意图。

图3是本发明实现原理示意图。

图4是本发明坐标系变换示意图。

图5是本发明光源投影示意图。

图6是本发明光源投影示意图。

图7是本发明实施例的标定过程。

图8是本发明实施例的投影示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详述：

如图1、图2及图3所示，一种六关节工业机器人的精度标定装置，包括六关节工业机器人1，所述六关节工业机器人1末端连接有连接件2，所述连接件2上固定光源装置一3和光源装置二4，所述光源装置一3和光源装置二4前方分别设有与光源装置一3和光源装置二4垂直的投影幕布一5和幕布二6，所述幕布一5和幕布二6后方分别放置有相机一7和相机二8；所述光源装置一3包括圆盘31、激光笔32和固定件33，所述圆盘31和固定件33都开有12个在圆周方向均布圆孔，用于安装激光笔32，激光笔32同轴度≤0.01mm，激光笔32上、下端分别安装在圆盘31和固定件33上；所述光源装置二4结构和光源装置一3相同。

如图7、图8所示，本发明精度标定装置的标定过程：圆形光源与平面成一定角度投影时，会形成椭圆，并且投影角度变化时，形成椭圆的长短轴也会变化。

如图5和图6所示，当圆形光源绕Z轴旋转角度φ，根据投影关系可以计算出横滚角φ＝arccos(c2d2/c1d1)，其中，c2d2为圆形光源的直径，c1d1为投影椭圆上与旋转轴垂直的轴，同理可以计算俯仰角θ和偏转角ψ。在机器人各个关节角度均为0(初始状态)情况下，建立机器人的基础坐标系和末端坐标系，如图4所示，此时末端坐标系的空间位置对应屏幕一和屏幕二上坐标系的原点。机器人位姿发生变化时，位于机器人末端的光源装置的位姿也会跟着改变，圆形阵列的激光笔在幕布一和幕布二上面的投影会发生变化，相机采集图像后，通过计算机将各点拟合成圆形或椭圆，利用投影和成像关系可以计算出机器人末端的姿态参数ψ、θ、φ，其中屏幕二6上投影计算出偏转角ψ，屏幕一5上投影计算出俯仰角θ和横滚角φ；根据机器人末端坐标系和和屏幕坐标系的映射关系，利用两个平面上投影椭圆的圆心坐标可以计算出机器人末端的位置参数x、y、z。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种六关节工业机器人的精度标定装置，其特征在于：包括六关节工业机器人，所述六关节工业机器人末端连接有连接件，所述连接件上固定光源装置一和光源装置二，所述光源装置一和光源装置二前方分别设有与光源装置一和光源装置二垂直的投影幕布一和幕布二，所述幕布一和幕布二后方分别放置有相机一和相机二；所述光源装置一和光源装置二均包括圆盘、激光笔和固定件，所述圆盘和固定件都开有12个在圆周均布的圆孔，用于安装激光笔，激光笔同轴度≤0.01mm，激光笔上、下端分别安装在圆盘和固定件上。