CN104236543B - 用于工业机器人空间位姿精度和轨迹测量的拉线式测量系统和测量方法 - Google Patents

用于工业机器人空间位姿精度和轨迹测量的拉线式测量系统和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于工业机器人空间位姿精度和轨迹测量的拉线式测量系统和测量方法，测量系统包括工业机器人，测量组件包括定位圆盘，测量适配器，拉线编码器，数据线，数据采集卡和计算终端；本发明采用拉线编码器作为测量的主体，利用拉线编码器的测试线缆长度来换算机器人末端执行器上的点位坐标值变化，适用于工业现场，测试设备使用寿命长，机器人运动空间大，且测得的数据准确性高。本发明能简便实时测量机器人的位姿，结构简单，运动空间大，精度高。

Description

用于工业机器人空间位姿精度和轨迹测量的拉线式测量系统 和测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于工业机器人空间位姿精度和轨迹测量的拉线式测量系统和测量方法。
背景技术
工业机器人，作为生产自动化的代表，被广泛应用与工业的各个领域，如汽车制造、化工等行业自动化生产线上的弧焊、点焊、搬运、包装等作业中。工业机器人在自动化生产中代替人完成高质量的工作，提高了产品的生产效率和质量，因此对工业机器人在运动时在空间上的准确定位和速度、加速度的大小要有严格的要求。一般情况下，工业机器人出厂的时候都需要进行位姿精度的校准，以及运动过程中速度和加速度的检测。市场上现有的机器人校准方式其一是采用摄像头进行跟踪，采用手动编程，其精度低，且由于摄像光线等缘故对环境要求比较高；其二是采用激光干涉仪等跟踪校准，一般运用于机床上，其精度高，但空间检测实现难度大，且价格昂贵。
发明内容
本发明的目的在于解决已有技术存在的问题，提供种用于工业机器人空间位姿精度和轨迹测量的拉线式测量系统和测量方法，其测量精度高，可靠性好，运动空间范围大，而且对环境要求低，适用于工业现场。
为达到上述目的，本发明的构思是：
拉线编码器引出十二条测试线缆，每四个一组与安装在定位圆盘上的三个测量适配器连接，定位圆盘与机器人末端执行器同轴连接并可自由转动，同时所述拉线编码器外联到数据采集卡，由计算机或手持计算显示单元上的计算软件进行数据采集与计算，实现对机器人末端执行器上不共线三点的位置的测量，并根据三点确定的平面计算出机器人的位姿，当机器人运动时，实时计算位姿，得到机器人空间运动轨迹，并可计算出速度和加速度信息。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种用于工业机器人空间位姿精度和轨迹测量的拉线式测量系统，包括工业机器人，测量组件包括定位圆盘，测量适配器，拉线编码器，数据线，数据采集卡和计算终端；所述定位圆盘同轴安装在工业机器人末端执行器上并能够自由转动，三个测量适配器安装在定位圆盘的下表面，三个测量适配器的安装基点不共线；每四个所述拉线编码器为一组，通过四条测试线缆连接对应的一个测量适配器，十二个拉线编码器的基点处于一个平面，且每组四个拉线编码器的中心点与其他两组不重合，以避免干涉；每组四个拉线编码器的四个基点不共线；每组四条测试线缆的延长线在空间上交于一点；每组四个拉线编码器通过数据线连接数据采集卡，所述数据采集卡连接计算终端。
本系统还包括测量杆，每组四个所述拉线编码器分别安装在对应的测量杆上。
一种用于工业机器人空间定位精度和轨迹测量的拉线式测量方法，具体步骤如下：
a. 任意选取同组中两个拉线编码器，通过数据采集卡反馈给计算终端两条测试线缆的长度值，并测量这两个拉线编码器的距离，得到由这三条边构成的三角形；
b. 通过迭代法计算得到测试线缆与底边两个拉线编码器基点连线的夹角；
c. 通过三角形的空间几何关系解得工业机器人末端执行器上该组拉线编码器对应的测量适配器所测点的空间坐标初值；
d. 重复步骤a-c，由同组不同拉线编码器两两配合进行计算，进行误差最小化处理，最终得到该组拉线编码器对应的测量适配器所测的点位坐标；
e. 重复步骤a-d，计算其他两组拉线编码器对应的测量适配器所测的点位坐标；
f. 以定位圆盘转轴中心处作为工业机器人末端执行器的空间坐标点，计算该点点位坐标；
g. 根据末端执行器上测量适配器这不共线三点的空间坐标值，利用空间几何算法求得这三点构成的平面的法矢向量，进而计算得到工业机器人末端执行器的位姿；
h. 操纵工业机器人，使末端执行器运动，计算终端记录下末端执行器实时的位姿，形成实时轨迹路线；根据采样间隔，由计算终端得到的运动轨迹计算出末端执行器的速度和加速度。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
本发明采用拉线编码器作为测量的主体，利用拉线编码器的测试线缆长度来换算机器人末端执行器上的点位坐标值变化，适用于工业现场，测试设备使用寿命长，机器人运动空间大，且测得的数据准确性高。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意图。
图2是本发明实施例一的拉线编码器安装平面示意图。
图3是本发明实施例二的拉线编码器安装平面示意图。
具体实施方式
本发明的实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参见图1和图2，一种用于工业机器人空间位姿精度和轨迹测量的拉线式测量系统，包括工业机器人1，测量组件包括定位圆盘2，测量适配器3，拉线编码器4，测量杆5，数据线6，数据采集卡7和计算终端8；所述定位圆盘2同轴安装在工业机器人1末端执行器上并能够自由转动，三个测量适配器3安装在定位圆盘2的下表面，三个测量适配器3的安装基点不共线；每四个所述拉线编码器4为一组，每组四个所述拉线编码器4分别安装在对应的测量杆5上，通过四条测试线缆连接对应的一个测量适配器2，十二个拉线编码器4的基点处于一个平面，且每组四个拉线编码器4的中心点与其他两组不重合，以避免干涉；每组四个拉线编码器4的四个基点不共线；每组四条测试线缆的延长线在空间上交于一点；每组四个拉线编码器4通过数据线6连接数据采集卡7，所述数据采集卡7连接计算终端8。本实施例中的数据采集卡7采用NI PXI6602工控机。
一种用于工业机器人空间定位精度和轨迹测量的拉线式测量方法，具体步骤如下：
a. 任意选取同组中两个拉线编码器4，通过数据采集卡7反馈给计算终端8两条测试线缆的长度值，并测量这两个拉线编码器4的距离，得到由这三条边构成的三角形；
b. 通过迭代法计算得到测试线缆与底边两个拉线编码器4基点连线的夹角；
c. 通过三角形的空间几何关系解得工业机器人1末端执行器上该组拉线编码器4对应的测量适配器3所测点的空间坐标初值；
d. 重复步骤a-c，由同组不同拉线编码器4两两配合进行计算，进行误差最小化处理，最终得到该组拉线编码器4对应的测量适配器3所测的点位坐标；
e. 重复步骤a-d，计算其他两组拉线编码器4对应的测量适配器3所测的点位坐标；
f. 以定位圆盘2转轴中心处作为工业机器人1末端执行器的空间坐标点，计算该点点位坐标；
g. 根据末端执行器上测量适配器3这不共线三点的空间坐标值，利用空间几何算法求得这三点构成的平面的法矢向量，进而计算得到工业机器人1末端执行器的位姿；
h. 操纵工业机器人1，使末端执行器运动，计算终端8记录下末端执行器实时的位姿，形成实时轨迹路线；根据采样间隔，由计算终端8得到的运动轨迹计算出末端执行器的速度和加速度。
实施例二：
参见图3，本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于，不使用测量杆5，十二个拉线编码器4采用随机摆放式，但必须保证十二个拉线编码器4的基点基本处于一个平面且每组所在的中心点与其他两组不重合，每组中必须保证其中的四个拉线编码器4四点不共线，重复实施例一的测量方法，也可得相同的结果，充分体现了本方法的简便性、可靠性和对环境要求低，适用于工业现场操作。

Claims (3)

1.一种用于工业机器人空间位姿精度和轨迹测量的拉线式测量系统，包括工业机器人（1），其特征在于，测量组件包括定位圆盘（2），测量适配器（3），拉线编码器（4），数据线（6），数据采集卡（7）和计算终端（8）；所述定位圆盘（2）同轴安装在工业机器人（1）末端执行器上并能够自由转动，三个测量适配器（3）安装在定位圆盘（2）的下表面，这不共线的三个安装基点；每四个所述拉线编码器（4）为一组，通过四条测试线缆连接对应的一个测量适配器（3），十二个拉线编码器（4）的基点处于一个平面，且每组四个拉线编码器（4）的中心点与其他两组不重合，以避免干涉；每组四个拉线编码器（4）的四个基点不共线；每组四条测试线缆的延长线在空间上交于一点；每组四个拉线编码器（4）通过数据线（6）连接数据采集卡（7），所述数据采集卡（7）连接计算终端（8）。
2.根据权利要求1所述的用于工业机器人空间位姿精度和轨迹测量的拉线式测量系统，其特征在于，本系统还包括测量杆（5），每组四个所述拉线编码器（4）分别安装在对应的测量杆（5）上。
3.一种用于工业机器人空间定位精度和轨迹测量的拉线式测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
a. 任意选取同组中两个拉线编码器（4），通过数据采集卡（7）反馈给计算终端（8）两条测试线缆的长度值，并测量这两个拉线编码器（4）的距离，得到由这三条边构成的三角形；
b. 通过迭代法计算得到测试线缆与底边两个拉线编码器（4）基点连线的夹角；
c. 通过三角形的空间几何关系解得工业机器人（1）末端执行器上该组拉线编码器（4）对应的测量适配器（3）所测点的空间坐标初值；
d. 重复步骤a-c，由同组不同拉线编码器（4）两两配合进行计算，进行误差最小化处理，最终得到该组拉线编码器（4）对应的测量适配器（3）所测的点位坐标；
e. 重复步骤a-d，计算其他两组拉线编码器（4）对应的测量适配器（3）所测的点位坐标；
f. 以定位圆盘（2）转轴中心处作为工业机器人（1）末端执行器的空间坐标点，计算该点点位坐标；
g. 根据末端执行器上测量适配器（3）这不共线的三个安装基点的空间坐标值，利用空间几何算法求得这三点构成的平面的法矢向量，进而计算得到工业机器人（1）末端执行器的位姿；
h. 操纵工业机器人（1），使末端执行器运动，计算终端（8）记录下末端执行器实时的位姿，形成实时轨迹路线；根据采样间隔，由计算终端（8）得到的运动轨迹计算出末端执行器的速度和加速度。
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