CN106289378B - 基于激光跟踪仪的工业机器人性能测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光跟踪仪的工业机器人性能测量方法，包括激光跟踪仪、计算机和设于机器人上的示教器，计算机分别与激光跟踪仪和示教器电连接；包括如下步骤：建立机器人工具坐标系；坐标准直；确定机器人测量平面和试验位姿；选择距离准确度作为测量项目；激光跟踪仪测量2个激光靶球的空间位置数据；计算机计算测量距离和指令距离；计算机输出距离准确度指标，生成测试报告。本发明具有可精确实现机器人性能测量，测量精度高、操作简单，测量时间短的特点。
Description
技术领域
本发明涉及电子测量和数据处理技术领域，特别涉及一种测量精度高、操作简单，测量时间短的基于激光跟踪仪的工业机器人性能测量方法。
背景技术
工业机器人是现代化生产和流水线作业的核心设备，根据国家相关法规规定，需要对出厂或者长时间使用后的机器人进行性能测量以确保机器人性能能够达到规定的精度要求。《GB/T 12642-2013工业机器人性能规范及试验方法》对工业机器人的各项性能指标进行了明确详细的阐述。规范规定了工业机器人14项需要进行测量的性能指标及其测试方法。14项指标在测量时都被要求进行多次循环测试，多项指标又要求测量机器人末端的姿态，而传统的测量方法一般无法测量得到机器人末端的姿态数据，同时存在测量精度低、需要手动设置试验位姿、手动保存原始数据、记录原始参数、手动计算测量结果、填写测试报告，操作过程非常复杂，测量耗费时间长，对测量人员技术水平要求高等问题。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的测量方法测量精度低、操作过程复杂，测量时间长的不足，提供了一种测量精度高、操作简单，测量时间短的基于激光跟踪仪的工业机器人性能测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于激光跟踪仪的工业机器人性能测量方法，包括激光跟踪仪、计算机和设于机器人上的示教器，计算机分别与激光跟踪仪和示教器电连接；包括如下步骤：
(1-1)建立机器人工具坐标系；
(1-2)计算机座坐标系下的位置数据；
(1-3)确定机器人测量平面和试验位姿；
(1-4)选择距离准确度作为测量项目；
(1-5)激光跟踪仪测量2个激光靶球的空间位置数据；
(1-6)计算机计算测量距离和指令距离；
(1-7)计算机输出距离准确度指标，生成测试报告。
现有技术的工业机器人末端姿态数据无法得到、测量精度低、过程复杂、耗费时间长、对测量人员技术水平要求高；本发明依托激光跟踪仪，实现精确地机器人自动化性能测量，测量精度高、操作简单，测量时间短，有效提高了机器人性能测量结果的可靠性。
本发明将机器人末端的坐标系转换到机器人TCP点上，建立工具坐标系之后，机器人示教器上显示的位置和姿态均为TCP点的位置和姿态，将激光跟踪仪测量点和机器人示教器上显示点统一为空间同一点；将测量系统和指令系统的坐标数值统一在同一坐标系下。
作为优选，所述步骤(1-1)包括如下步骤：
将若干个激光靶球固定在机器人末端的夹具上，选取其中一个靶球作为TCP点，将机器人依次移动至运动空间中不在同一直线上的n 个位置，在每个位置处的机器人姿态均进行变化；
激光跟踪仪测量TCP点的n组位置数据m(i)＝(xm(i)，ym(i)，zm(i))，i＝1，2，...，n；
计算机从示教器上读取n组机器人末端的位姿数据 p(i)＝(x(i)，y(i)，z(i)，a(i)，b(i)，c(i))，其中，x(i)，y(i)，z(i)为TCP点相对机器人末端的三维坐标平移量；
将p(i)用如下矩阵表示：
其中，向量n0(i)，o0(i)，a0(i)，n1(i)，o1(i)，a1(i)，n2(i)，o2(i)，a2(i) 由(a(i)，b(i)，c(i))唯一确定；
设定x，y，z为TCP点相对机器人末端的三维坐标平移量，则机器人末端转换到TCP点的旋转矩阵T可表示为
利用公式
计算得到xt(i)，yt(i)，zt(i)，其中，TCP点位置数据 Pt(i)＝(xt(i)，yt(i)，zt(i))；
利用公式
|Pt(i)-Pt(j)|＝|m(i)-m(j)|，求解x，y，z；i，j＝1，2，..n；i≠j；
将x，y，z输入到机器人示教器上，示教器建立工具坐标系，示教器显示TCP点的空间位姿数据。
作为优选，步骤(1-2)包括如下步骤：
将机器人依次移动至运动空间中不在同一直线上的任意n个位置，每个位置处的机器人姿态均进行变化；
激光跟踪仪测量n组空间位置数据m(i)＝(xm(i)，ym(i)，zm(i))，计算机读取示教器的位置数据p(i)＝(x(i)，y(i)，z(i))；
利用公式T＝B*A-1计算测量坐标系和机座坐标系之间的转换矩阵T，其中， A-1为矩阵A的逆；
利用公式计算机座坐标系下的位置数据。
作为优选，步骤(1-3)包括如下步骤：
根据被测机器人实际工作空间范围，从GB/T 12642-2013标准提供的4个测试立方体中选择最合适的测试立方体和测试平面，确定机器人测量平面和试验位姿。
作为优选，步骤(1-4)包括如下步骤：
激光跟踪仪测量2个激光靶球的位置，得到2个激光靶球的位姿数据pt(i1)＝(xm(i1)，ym(i1)，zm(i1)，am(i1)，bm(i1)，cm(i1))，其中i1＝1，2；每个激光靶球的位置循环测量30次，分别得到两个激光靶球的30组测试数据pm(i1，j1)，i1＝1，2；j1＝1，2，...，30。
作为优选，步骤(1-6)包括如下步骤：
(6-1)计算机读取示教器上的指令位置p(i1)
p(i1)＝(xc(i1)，yc(i1)，zc(i1)，ac(i1)，bc(i1)，cc(i1))；
(6-2)计算机计算测量距离
(6-2-1)计算机利用公式
计算2个激光靶球位置距离Dp(j1)；
(6-2-2)计算机利用公式计算每个激光靶球的姿态距离Da(j1)，Db(j1)，Dc(j1)；
(6-2-3)计算机利用公式计算每个激光靶球的平均距离Avg(Dp)，Avg(Da)，Avg(Db)和Avg(Dc)；
(6-3)计算指令距离
(6-3-1)计算机利用公式
计算位置距离Dcp；
(6-3-2)计算机利用公式计算姿态距离Dca，Dcb和Dcc；
(6-4)计算机利用公式计算距离准确度指标ADp、ADb和ADc。
因此，本发明具有如下有益效果：可精确实现机器人性能测量，测量精度高、操作简单，测量时间短，有效提高了机器人性能测量结果的可靠性。
附图说明
图1是本发明的一种流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示的实施例是一种基于激光跟踪仪的工业机器人性能测量方法，包括激光跟踪仪、计算机和设于机器人上的示教器，计算机分别与激光跟踪仪和示教器电连接；包括如下步骤：
步骤100，建立机器人工具坐标系
将5个激光靶球固定在机器人末端的夹具上，选取其中一个靶球作为TCP点，将机器人依次移动至运动空间中不在同一直线上的n＝8 个位置，在每个位置处的机器人姿态均进行变化；
激光跟踪仪测量TCP点的n组位置数据m(i)＝(xm(i)，ym(i)，zm(i))，i＝1，2，...，n；
计算机从示教器上读取n组机器人末端的位姿数据 p(i)＝(x(i)，y(i)，z(i)，a(i)，b(i)，c(i))，其中，x(i)，y(i)，z(i)为TCP点相对机器人末端的三维坐标平移量；
将p(i)用如下矩阵表示：
其中，向量n0(i)，o0(i)，a0(i)，n1(i)，o1(i)，a1(i)，n2(i)，o2(i)，a2(i) 由(a(i)，b(i)，c(i))唯一确定；
设定x，y，z为TCP点相对机器人末端的三维坐标平移量，则机器人末端转换到TCP点的旋转矩阵T可表示为
利用公式
计算得到xt(i)，yt(i)，zt(i)，其中，TCP点位置数据 Pt(i)＝(xt(i)，yt(i)，zt(i))；
利用公式
|Pt(i)-Pt(j)|＝|m(i)-m(j)|，求解x，y，z；i，j＝1，2，..n；i≠j；
将x，y，z输入到机器人示教器上，示教器建立工具坐标系，示教器显示TCP点的空间位姿数据。
步骤200，计算机座坐标系下的位置数据；
将机器人依次移动至运动空间中不在同一直线上的任意n个位置，每个位置处的机器人姿态均进行变化；
激光跟踪仪测量n组空间位置数据m(i)＝(xm(i)，ym(i)，zm(i))，计算机读取示教器的位置数据p(i)＝(x(i)，y(i)，z(i))；
利用公式T＝B*A-1计算测量坐标系和机座坐标系之间的转换矩阵T，其中， A-1为矩阵A的逆；
利用公式计算机座坐标系下的位置数据。
步骤300，确定机器人测量平面和试验位姿；
根据被测机器人实际工作空间范围，从GB/T 12642-2013标准提供的4个测试立方体中选择最合适的测试立方体和测试平面，确定机器人测量平面和试验位姿。
步骤400，选择距离准确度作为测量项目；
根据GB/T 12642-2013，测量项目类型可分为两大类，一：位姿类型测量项目，主要包括：位姿准确度和位姿重复性、多方向位姿准确度变动、距离准确度和距离重复性、位姿特性漂移、互换性、静态柔顺性，这类测量项目特点是只需要关注机器人运动到达某一位姿的性能，不需要关注运动过程的具体轨迹，对测量来说，只需要在机器人运动到某一位姿后，等待机器人稳定，进行测量；二：轨迹类型测量项目，主要包括：位置稳定时间、位置超调量、轨迹准确度和轨迹重复性、重复定向轨迹准确度、拐角偏差、轨迹速度特性、最小定位时间、摆动偏差，这类测量项目需要关注机器人整个运动过程，需要测量整条轨迹。
步骤500，激光跟踪仪测量2个激光靶球的空间位置数据；
激光跟踪仪测量2个激光靶球的位置，得到2个激光靶球的位姿数据pt(i1)＝(xm(i1)，ym(i1)，zm(i1)，am(i1)，bm(i1)，cm(i1))，其中i1＝1，2；每个激光靶球的位置循环测量30次，分别得到两个激光靶球的30组测试数据pm(i1，j1)，i1＝1，2；j1＝1，2，...，30。
步骤600，计算机计算测量距离和指令距离；
步骤610，计算机读取示教器上的指令位置p(i1)
p(i1)＝(xc(i1)，yc(i1)，zc(i1)，ac(i1)，bc(i1)，cc(i1))；
步骤620，计算机计算测量距离
步骤621，计算机利用公式
计算2个激光靶球位置距离Dp(j1)；
步骤622，计算机利用公式 计算每个激光靶球的姿态距离Da(j1)，Db(j1)，Dc(j1)；
步骤623，计算机利用公式计算每个激光靶球的平均距离Avg(Dp)，Avg(Da)，Avg(Db)和Avg(Dc)；
步骤630，计算指令距离
步骤631，计算机利用公式
计算位置距离Dcp；
步骤632，计算机利用公式计算姿态距离Dca，Dcb和Dcc；
步骤640，计算机利用公式计算距离准确度指标ADp、ADb和ADc。
步骤700，计算机输出距离准确度指标，生成测试报告。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.一种基于激光跟踪仪的工业机器人性能测量方法，其特征是，包括激光跟踪仪、计算机和设于机器人上的示教器，计算机分别与激光跟踪仪和示教器电连接；包括如下步骤：
(1-1)建立机器人工具坐标系：
将若干个激光靶球固定在机器人末端的夹具上，选取其中一个靶球作为TCP点，将机器人依次移动至运动空间中不在同一直线上的n个位置，在每个位置处的机器人姿态均进行变化；
激光跟踪仪测量TCP点的n组位置数据m(i)＝(xm(i)，ym(i)，zm(i))，i＝1，2，...，n；
计算机从示教器上读取n组机器人末端的位姿数据p(i)＝(x(i)，y(i)，z(i)，a(i)，b(i)，c(i))；
将p(i)用如下矩阵表示：
其中，向量n0(i)，o0(i)，a0(i)，n1(i)，o1(i)，a1(i)，n2(i)，o2(i)，a2(i)由(a(i)，b(i)，c(i))唯一确定；
设定x，y，z为TCP点相对机器人末端的三维坐标平移量，则机器人末端转换到TCP点的旋转矩阵T可表示为
利用公式
计算得到xt(i)，yt(i)，zt(i)，其中，TCP点位置数据Pt(i)＝(xt(i)，yt(i)，zt(i))；
利用公式
|Pt(i)-Pt(j)|＝|m(i)-m(j)|，求解x，y，z；i，j＝1，2，..n；i≠j；
将x，y，z输入到机器人示教器上，示教器建立工具坐标系，示教器显示TCP点的空间位姿数据；
(1-2)计算机座坐标系下的位置数据；
(1-3)确定机器人测量平面和试验位姿；
(1-4)选择距离准确度作为测量项目；
(1-5)激光跟踪仪测量2个激光靶球的空间位置数据；
(1-6)计算机计算测量距离和指令距离；
(1-7)计算机输出距离准确度指标，生成测试报告。
2.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪的工业机器人性能测量方法，其特征是，步骤(1-2)包括如下步骤：
将机器人依次移动至运动空间中不在同一直线上的任意n个位置，每个位置处的机器人姿态均进行变化；
激光跟踪仪测量n组空间位置数据m(i)＝(xm(i)，ym(i)，zm(i))，计算机读取示教器的位置数据p(i)＝(x(i)，y(i)，z(i))；
利用公式T＝B*A-1计算测量坐标系和机座坐标系之间的转换矩阵T，其中，A-1为矩阵A的逆；
利用公式计算机座坐标系下的位置数据。
3.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪的工业机器人性能测量方法，其特征是，步骤(1-3)包括如下步骤：
根据被测机器人实际工作空间范围，从GB/T 12642-2013标准提供的4个测试立方体中选择最合适的测试立方体和测试平面，确定机器人测量平面和试验位姿。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于激光跟踪仪的工业机器人性能测量方法，其特征是，步骤(1-5)包括如下步骤：
激光跟踪仪测量2个激光靶球的位置，得到2个激光靶球的位姿数据pt(i1)＝(xm(i1)，ym(i1)，zm(i1)，am(i1)，bm(i1)，cm(i1))，其中i1＝1，2；每个激光靶球的位置循环测量30次，分别得到两个激光靶球的30组测试数据pm(i1，j1)，i1＝1，2；j1＝1，2，...，30。
5.根据权利要求4所述的基于激光跟踪仪的工业机器人性能测量方法，其特征是，步骤(1-6)包括如下步骤：
(5-1)计算机读取示教器上的指令位置p(i1)
p(i1)＝(xc(i1)，yc(i1)，zc(i1)，ac(i1)，bc(i1)，cc(i1))；
(5-2)计算机计算测量距离
(5-2-1)计算机利用公式
计算2个激光靶球位置距离Dp(j1)；
(5-2-2)计算机利用公式计算每个激光靶球的姿态距离Da(j1)，Db(j1)，Dc(j1)；
(5-2-3)计算机利用公式计算每个激光靶球的平均距离Avg(Dp)，Avg(Da)，Avg(Db)和Avg(Dc)；
(5-3)计算指令距离
(5-3-1)计算机利用公式
计算位置距离Dcp；
(5-3-2)计算机利用公式计算姿态距离Dca，Dcb和Dcc；
(5-4)计算机利用公式计算距离准确度指标ADp、ADb和ADc。
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