CN105021144A - 一种工业机器人运动学参数标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业机器人运动学参数标定装置及标定方法，包括图像测量系统、标定平台和标定杆，图像测量系统固定于标定平台上，标定杆固定偏置安装在工业机器人末端。图像测量系统包括远心镜头、高分辨率CCD、光源所组成的相机和透明的标定平板，镜头光轴与标定平板垂直，标定杆末端安装高精度千分表。标定时首先进行相机自标定，然后控制千分表测头小球在两个位置与标定平板接触，获得一个距离误差方程。移动标定平台，就可获得一系列距离误差方程，用最小二乘法可获得运动学参数补偿值。该装置成本低，易于安装和操作，且图像测量精度易于保证，可对工业机器人全空间进行标定，采用距离误差模型进行标定，标定精度不受坐标转换影响，精度高。

Description

一种工业机器人运动学参数标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种工业机器人运动学参数标定装置及标定方法。

背景技术

随着工业机器人在工业生产中应用范围及其任务复杂程度的不断扩大，对工业机器人的位置和姿态精度要求也越来越高。目前工业机器人具有很高的重复定位精度，达到0.1mm量级。然而绝对定位精度却很低，只有1cm量级，这严重限制了工业机器人的应用范围。众多原因导致工业机器人定位精度低，其中最重要的是运动学模型中几何结构的参数偏差。标定技术是补偿这些参数偏差的有效方法，因此成为研究热点。标定就是应用先进的测量手段和基于模型的参数识别方法辨识出机器人模型的准确参数，从而提高机器人定位精度。

三十余年来，机器人标定领域已经取得了一些令人瞩目的成果。测量方法主要有两类方法，其中一类方法需要高精度的测量设备来精确测量机器人末端的位置，比如三坐标测量机和激光跟踪仪等，这些设备昂贵，限制了其应用场合；另一类方法是在机器人末端施加一些约束形成运动学闭链，主要是平面约束和球约束，这种方法需要复杂精确的手工操作和效率不高。随着图像测量技术的发展，成本下降和精度不断提高，开发一种适合机器人工作现场，便于携带，低成本机器人运动学参数标定设备成为可能。

传统的基于绝对位置误差的标定模型，涉及到测量坐标系和机器人基础坐标系的转换，这一过程很难精确标定，而且操作复杂，引入的误差会大大降低标定精度，很难满足实际应用的要求。

发明内容

本发明目的是提供一种工业机器人运动学参数标定装置及标定方法，结构简单，价格便宜，安装与操作简单，标定精度不受坐标转换影响，精度高。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种工业机器人运动学参数标定装置，包括标定杆、标定平台和图像测量系统，所述标定杆安装在工业机器人末端，所述标定平台放置在工业机器人工作空间内，所述图像测量系统固定在标定平台上，所述图像测量系统包括远心镜头、高分辨率CCD和光源所组成的相机、透明的标定平板，远心镜头的光轴与标定平板垂直，标定杆末端沿轴线安装千分表。

优选的，相机的位置分辨率通过亚像素插值为50～100um，视场为50cm。

优选的，所述千分表位置分辨率为20～30um，行程为5cm，千分表运动方向与标定杆轴线同轴，千分表的测头为小球。

进一步的，所述标定平台包括移动导轨，标定平台沿移动导轨来改变图像测量系统的位置。

进一步的，标定平台底部设有锥体和轮子，所述椎体的高度比轮子的直径大，所述椎体数量为3。

一种工业机器人运动学参数的标定方法，包括以下步骤：

1)、图像测量系统的自标定，采用相机对透明的高精度标定平板进行成像，利用标定平板上的图案进行CCD像素标定，获得图像空间和平板空间距离转换关系。放置标定装置在工业机器人的可达工作空间，该位置是任意的；

2)、工业机器人通过标定杆将小球与标定平板接触后，继续压迫小球使之移动一定距离，千分表测出小球相对位移d1，图像测量系统测量此时小球中心位置S1，同时记录此时的工业机器人所有关节角度值θ1向量，然后控制工业机器人沿标定平板移动，指定小球运动到某位置停止，小球与标定平板接触，同样千分表记录小球相对位移d2、工业机器人所有关节角度值θ2向量和图像测量系统测得的小球中心位置S2，这样获得小球两点位置，小球移动距离Da＝|S2‐S1|，得到一个距离方程，移动工业机器人使小球与标定平板分离；

3)，通过标定平台的轮子和移动导轨来改变图像测量系统的空间位置，其他过程同第二步，得到另一距离方程；

4)，重复步骤3)，获得一系列距离方程。

5)，采用距离误差模型，通过最小二乘法获得工业机器人运动学参数的标定结果。

进一步的，距离误差模型如下：

小球中心位置在工业机器人的基座标中表示为：P_a＝P_m+Jw，其中P_a为小球中心的实际位置向量，P_m为采用工业机器人名义运动学参数采用正运动学计算出的名义位置向量，J是工业机器人标定雅可比矩阵，w是工业机器人运动学参数补偿值向量，在步骤2)中测量两个位置，对应方程为：

P_a1＝P_m1+J₁w

P_a2＝P_m2+J₂w

两式相减得:P_a2-P_a1＝P_m2-P_m1+J₂₁w，其中J₂₁＝J₂-J₁；

方程取范数，并去除二阶小量，得到距离误差模型：

ΔD＝(P_m2-P_m1)'J₂₁w/D_m＝J_dw

其中Dm为名义距离D_m＝PP_m2-P_m1P，ΔD为实际距离与名义距离之差ΔD＝D_a-D_m，Da为第二步测出的小球移动距离，Jd为距离雅可比矩阵，根据测得的一系列数据，带入上述方程，采用最小二乘法求得工业机器人运动学参数补偿值向量w。

本发明的有益效果是：

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

(1)相比于激光跟踪仪，本装置主要部件是基于相机的图像测量系统，成本低，易于安装和操作，且图像测量精度易于保证。

(2)相比于激光跟踪仪，由于标定装置可自由移动，能放置于工业机器人可达空间任意位置，因此可对机器人全空间进行标定。

(3)采用距离误差模型进行标定，标定精度不受坐标转换影响，精度高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明工业机器人运动学参数标定装置示意图。

其中，1-工业机器人；2-标定杆；3-图像测量系统；4-标定平台；21-小球；23-千分表；31-相机；32-标定平板；41-移动导轨；42-锥体；43-轮子。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1为本发明的采用距离误差模型的基于图像测量的工业机器人运动学参数标定装置的结构示意图，包括：工业机器人1；安装在工业机器人末端的标定杆2；放置在工业机器人1可达工作空间内的标定平台4；放置在标定平台4上的图像测量系统3；所述图像测量系统3包括远心镜头、高分辨率CCD和光源所组成的相机31、透明的标定平板32，远心镜头的光轴与标定平板32垂直，标定杆2末端沿轴线安装千分表23；标定平台4底部设有锥体42和轮子43，所述锥体42的高度比轮子43的直径大，所述椎体42数量为3，倾斜标定平台4，使标定平台4底部的锥体42与地面脱离，通过轮子43任意移动标定平台4到指定位置，然后把标定平台4扶正，此时标定平台4由三个锥体42支撑，轮子43与地面分离，标定平台4就稳定定位在地面上。

本发明还提供一种基于上述标定装置的基于距离误差模型的标定方法，该方法包括：

1)、图像测量系统的自标定，采用相机对透明的高精度标定平板进行成像，利用标定平板上的图案进行CCD像素标定，获得图像空间和平板空间距离转换关系。放置标定装置在工业机器人的可达工作空间，该位置是任意的；

2)、工业机器人通过标定杆将小球与标定平板接触后，继续压迫小球使之移动一定距离，千分表测出小球相对位移d1，图像测量系统测量此时小球中心位置S1，同时记录此时的工业机器人所有关节角度值θ1向量，然后控制工业机器人沿标定平板移动，指定小球运动到某位置停止，小球与标定平板接触，同样千分表记录小球相对位移d2、工业机器人所有关节角度值θ2向量和图像测量系统测得的小球中心位置S2，这样获得小球两点位置，小球移动距离Da＝|S2‐S1|，得到一个距离方程，移动工业机器人使小球与标定平板分离；

3)，通过标定平台的轮子和移动导轨来改变图像测量系统的空间位置，其他过程同第二步，得到另一距离方程；

4)，重复步骤3)，获得一系列距离方程。

5)，采用距离误差模型，通过最小二乘法获得工业机器人运动学参数的标定结果。

距离误差模型如下：

小球中心位置在工业机器人的基座标中表示为：P_a＝P_m+Jw，其中P_a为小球中心的实际位置向量，P_m为采用工业机器人名义运动学参数采用正运动学计算出的名义位置向量，J是工业机器人标定雅可比矩阵，w是工业机器人运动学参数补偿值向量，在步骤2)中测量两个位置，对应方程为：

P_a1＝P_m1+J₁w

P_a2＝P_m2+J₂w

两式相减得:P_a2-P_a1＝P_m2-P_m1+J₂₁w，其中J₂₁＝J₂-J₁；

方程取范数，并去除二阶小量，得到距离误差模型：

ΔD＝(P_m2-P_m1)'J₂₁w/D_m＝J_dw

其中Dm为名义距离D_m＝PP_m2-P_m1P，ΔD为实际距离与名义距离之差ΔD＝D_a-D_m，Da为步骤2)测出的小球移动距离。Jd为距离雅可比矩阵，根据测得的一系列数据，带入上述方程，采用最小二乘法求得工业机器人运动学参数补偿值向量w。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种工业机器人运动学参数标定装置，其特征在于，包括标定杆、标定平台和图像测量系统，所述标定杆安装在工业机器人末端，所述标定平台放置在工业机器人工作空间内，所述图像测量系统固定在标定平台上，所述图像测量系统包括远心镜头、高分辨率CCD和光源所组成的相机、透明的标定平板，远心镜头的光轴与标定平板垂直，标定杆末端沿轴线安装千分表。

2.根据权利要求1所述工业机器人运动学参数标定装置，其特征在于,相机的位置分辨率通过亚像素插值为50～100um，视场为50cm。

3.根据权利要求1所述工业机器人运动学参数标定装置，其特征在于，所述千分表位置分辨率为20～30um，行程为5cm，千分表运动方向与标定杆轴线同轴，千分表的测头为小球。

4.根据权利要求1所述工业机器人运动学参数标定装置，其特征在于，所述标定平台包括移动导轨，标定平台沿移动导轨来改变图像测量系统的位置。

5.根据权利要求1所述工业机器人运动学参数标定装置，其特征在于，标定平台底部设有锥体和轮子，所述椎体的高度比轮子的直径大，所述椎体数量为3。

6.一种工业机器人运动学参数的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、图像测量系统的自标定，采用相机对透明的高精度标定平板进行成像，利用标定平板上的图案进行CCD像素标定，获得图像空间和平板空间距离转换关系。放置标定装置在工业机器人的可达工作空间，该位置是任意的；

2)、工业机器人通过标定杆将小球与标定平板接触后，继续压迫小球使之移动一定距离，千分表测出小球相对位移d1，图像测量系统测量此时小球中心位置S1，同时记录此时的工业机器人所有关节角度值θ1向量，然后控制工业机器人沿标定平板移动，指定小球运动到某位置停止，小球与标定平板接触，同样千分表记录小球相对位移d2、工业机器人所有关节角度值θ2向量和图像测量系统测得的小球中心位置S2，这样获得小球两点位置，小球移动距离Da＝|S2‐S1|，得到一个距离方程，移动工业机器人使小球与标定平板分离；

3)，通过标定平台的轮子和移动导轨来改变图像测量系统的空间位置，其他过程同第二步，得到另一距离方程；

4)，重复步骤3)，获得一系列距离方程。

5)，采用距离误差模型，通过最小二乘法获得工业机器人运动学参数的标定结果。

7.根据权利要求6所述一种工业机器人运动学参数的标定方法，其特征在于，

所述距离误差模型如下：

小球中心位置在工业机器人的基座标中表示为：P_a＝P_m+Jw，其中P_a为小球中心的实际位置向量，P_m为采用工业机器人名义运动学参数采用正运动学计算出的名义位置向量，J是工业机器人标定雅可比矩阵，w是工业机器人运动学参数补偿值向量，在2)中测量两个位置，对应方程为：

P_a1＝P_m1+J₁w

P_a2＝P_m2+J₂w

两式相减得:P_a2-P_a1＝P_m2-P_m1+J₂₁w，其中J₂₁＝J₂-J₁；

方程取范数，并去除二阶小量，得到距离误差模型：

ΔD＝(P_m2-P_m1)'J₂₁w/D_m＝J_dw

其中Dm为名义距离D_m＝PP_m2-P_m1P，ΔD为实际距离与名义距离之差ΔD＝D_a-D_m，Da为步骤2)测出的小球移动距离。Jd为距离雅可比矩阵，根据测得的一系列数据，带入上述方程，采用最小二乘法求得工业机器人运动学参数补偿值向量w。