CN106393174B - 一种利用球杆仪标定机器人结构参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人结构参数标定领域，并公开了一种利用球杆仪标定机器人结构参数的方法。该方法包括下列步骤：(a)安装标定杆和工具杯，固定标定底板和三个中心座，(b)标定工具坐标系和用户坐标系，用球杆仪测量三角形BCD的边长，(c)空间预设A点与BCD构成空间四面体的边长求得用户坐标系下的A点的坐标，(d)利用机器人关节坐标与基坐标的转化求得向量^baseO’_{6‑ C}O_6‑Ai，(e)用球杆仪实测四面体的侧棱长，根据用户坐标和基坐标的转化求得向量^basea_Ai ^*c，(f)根据平行四边形原理求解机器人结构参数。通过本发明，简单快捷的实现了用球杆仪标定六自由度关节式机器人的结构参数，且标定结果精确度高。

Description

一种利用球杆仪标定机器人结构参数的方法

技术领域

本发明属于机器人结构参数标定领域，更具体地，涉及一种利用球杆仪标定机器人结构参数的方法。

背景技术

工业机器人最基本的功能即准确定位器末端执行器使其能成功的完成设定的操作。六自由度关节机器人是由各相邻连杆耦合运动构成的开链结构，其末端执行器位姿(位置和姿态)的完成需要通过对各关节参数值进行独立和精确的控制。然而，对于用柔性制造生产线中的单件机器人本体而言，不可避免的存在包括制造、维修、装配误差，传动误差，磨损，柔顺性等诸多因素的影响。这些因素的影响导致控制器中的内部定义的运动学模型不能准确描述末端执行器的实际位姿与机器人各结构参数之间的关系，从而使得末端执行器发生偏移。因此，对实际使用的机器人采用适当的方法进行结构机构参数的标定对于提高机器人的控制精度具有很大的意义。

通过对现有文献的检索，发现有以下现有技术：一、申请号为201410524095.7的中国专利申请公开一种基于视觉的机器人可变形操作臂参数标定的方法，单目相机测量操作臂的位置，属于非接触式测量。相对于接触式测量而言，非接触式测量的精度相对较高，而且该专利并不针对六自由度工业机器人。二、申请号为201510416268.8的中国专利申请公开一种工业机器人运动学参数简易标定装置及其标定方法，该专利的测量工具为千分表，千分表的精度为1μm，而且其中所述的标定块具有两个互相垂直的标定平面中两平面的垂直度无法精确保证。三、申请号为201010611008.3的中国专利申请公开一种工业机器人简易标定方法，该专利操作机器人末端夹具接触标准正方体的四个侧楞，利用标准正方体的四个侧楞作为标定基准，虽然标准正方体精度较高，但是标准正方体依然存在有无法预知的精度问题。四、申请号为201510295698.9的中国专利申请公开一种基于拉线编码器的工业机器人标定算法，该专利使用的测量设备为拉线编码器。对现有文献搜索可以看出，现在没有使用球杆仪进行机器人参数标定的方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用球杆仪标定机器人结构参数的方法，通过采用球杆仪和平行四边形原理，由此解决六自由度关节式工业机器人利用球杆仪标定机器人结构参数的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用球杆仪标定机器人结构参数的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将标定杆通过螺纹安装在机器人末端，接着将工具杯与所述标定杆连接，然后固定标定底板的位置并将三个中心座安装在该标定底板的三个顶点DCB上；

(b)标定工具坐标系{tool}，利用该工具坐标系标定用户坐标系{uframe}，然后校准球杆仪并测量由所述三个中心座形成的三角形DCB的三条边长，分别记为l₁、l₂、l₃；

(c)预设A点与所述DCB构成空间四面体，且预设A点到所述DCB的棱长分别为l₄ ⁱ、l₅ ⁱ、l₆ ⁱ，其中i＝1,2…7，所述用户坐标系中C点坐标为^uframec＝(0,0,0)，根据所述l₁、l₂、l₃和所述l₄ ⁱ、l₅ ⁱ、l₆ ⁱ确定在所述用户坐标系下A点的坐标

(d)根据所述{tool}、所述{uframe}和所述用户坐标系下A点的坐标编写程序，使得所述机器人末端带动所述工具杯的末端顶点O_tool运动到所述C点再到所述A点的，所述机器人末端从初始位置相应地运动到o′_6-C再到o_6-Ai，在所述机器人的示教器上读取并记录所述O_tool到达所述C点和A点时对应的各关节转角，即所述C点和A点的关节坐标q_C＝(θ_1C,θ_2C,θ_3C,θ_4C,θ_5C,θ_6C)，所述o′_6-C与o_6-Ai分别与所述C点和A点关节坐标相同，通过含有待求解的机器人结构参数的转化矩阵将该o′_6-C与o_6-Ai关节坐标转换为基坐标，同时求得向量^baseo′_6-Co_6-Ai＝^baseo′_6-C-^baseo_6-Ai；

(e)校准球杆仪测量所述空间四面体的ABCD的实际侧棱长l₄ ^i*、l₅ ^i*、l₆ ^i*，根据该实际棱长和所述l₁、l₂、l₃确定在所述用户坐标系下A点的实际坐标然后通过用户坐标与基坐标的转换矩阵将所述用户坐标系下的C点坐标^uframec＝(0,0,0)和该A点实际坐标转换为基坐标系下的坐标，同时求出向量

(f)根据平行四边形原理，所述向量由此计算得到待求解的机器人结构参数。

优选地，在步骤(b)中，优选采用机器人内部的四点法工具坐标系标定方法标定工具坐标系。

优选地，在步骤(b)中，优选采用机器人内部的三点法用户坐标系标定方法标定用户坐标系。

优选地，在步骤(d)中，所述含有待求解的机器人结构参数的转化矩阵T如下，其中，n_x、n_y、n_z、o_x、o_y、o_z、a_x、a_y、a_z分别为关节坐标系相对于基坐标坐标系的x、y、z坐标轴夹角的余弦，该夹角在所述机器人的示教器上显示，^basep_x、^basep_y、^basep_z为关节坐标系相对于基坐标坐标系各坐标轴的位置：

优选地，在步骤(e)中，所述用户坐标与基坐标的转换矩阵^baseT_uframe如下，其中，分别为用户坐标系相对于基坐标坐标系的x、y、z坐标轴夹角的余弦，为关节坐标系相对于基坐标坐标系各坐标轴的位置，^baseT_uframe中的参数通过所述示教器中显示的值计算得出，

优选地，在步骤(f)中，优选采用按照下列表达式，通过最小二乘法使得目标函数F_object最小化计算机器人结构参数，

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过针对六自由度关节式机器人利用QC20-W球杆仪对机器人的结构参数进行标定，实现标定精度达到0.1μm，实现了高精度的机器人结构参数的标定；

2、本发明通过采用相对式的标定方法，构建相等向量，通过两向量相等，构建求解关系,通过两点之间做差，可以消除工具坐标系和工件坐标系误差的影响，更进一步的提高标定精度；

3、本发明通过利用平行四边形原理将标定过程简化，同时通过采用最小二乘法对最终的未知参数进行求解，同时通过在Matlab中求解，使得整个求解过程智能化，准确化，能快速更加准确的得到待求解的机器人结构参数。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例构建的利用球杆仪标定机器人结构参数的方法流程图；

图2是按照本发明的优选实施例构建的球杆仪标定过程中所使用的设备图；

图3是按照本发明的优选实施例构建的球杆仪标定过程中构成的空间四面体示意图；

图4为是按照本发明的优选实施例构建的QC20-W球杆仪及组件；

图5为是按照本发明的优选实施例构建的标定底板的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-待标定的六自由度关节式机器人本体 2-QC20-W型球杆仪 2-为标定杆 3-定底板 4-机器人控制器 5-为工业PC。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2是按照本发明的优选实施例构建的球杆仪标定过程中所使用的设备图。如图2所示，本发明使用到的设备有：机器人本体1、标定杆6、球杆仪2及配套软件、标定底板3、机器人运动控制程序、Matlab计算程序；机器人本体固定于刚性水平基台，用于在大空间范围内移动和作业；标定杆6的一侧用于与的机器人末端法兰盘102的螺纹孔相连，另一侧用于与球杆仪元件工具杯207相连，用于构成工具坐标系；三个球杆仪元件中心座205用于固定在标定地板上，构成空间四面体的底面三角形；标定底板用于充当机器人工具坐标系的作用，与三个球杆仪元件中心座205连接，利用机器人内部三点法标定三个球杆仪元件中心座205构成的工件坐标系；机器人运动控制程序用于控制机器人运动到依据工具坐标系和工件坐标系计算出来特定位置；Matlab计算程序用于计算机器人运动位置、优化求解机器人结构参数。

在标定实施方式中，待标定机器人本体包括机器人操作臂、机器人控制器，其中：机器人操作臂具有六自由度关节式结构；机器人控制器驱动器根据用户提供的控制程序控制机器人按照用户的要求驱动机器人各关节电机转动；在标定实施方式中，标定杆6的一侧用于与机器人末端法兰盘102的螺纹孔相连，另一侧用于与球杆仪元件工具杯207相连，用于构成工具坐标系。

按照本发明的一个优选实施例，图4为是按照本发明的优选实施例构建的QC20-W球杆仪及组件。如图4所示，在标定实施方式中，QC20-W球杆仪包括QC20-W无线球杆仪206、中心座205、工具杯207、50mm加长杆203、150mm加长杆204、球杆仪校准规201、中心设定球208。QC20-W无线球杆仪206用于分别于加长杆203与加长杆204测量空间四面体各棱的长度；三个中心座205用于放置在3棱长为300mm的标定底板上构成标定所用的工件坐标系；工具杯207用于与标定杆6相连构成工具坐标系；球杆仪校准规201用于在标定过程中校准QC20-W无线球杆仪206的实际长度；中心设定球208用于在标定工件坐标系连接工具杯与中心座的作用。球杆仪配套软件用于校准球杆仪示数，在测量读取球杆仪的长度值。

按照本发明的另一个优选实施例，图5为是按照本发明的优选实施例构建的标定底板的结构示意图，如图5所示，在一些实施方式中，标定底板3固定在一个稳定的基座上，其中标定底板3为三角形，设计为棱长为300mm的等边三角形，用于与三个中心座205构成标定所用工件坐标系。

本发明中采用常用的机器人建模方法，建立六自由度关节型机器人的DH参数模型，DH参数模型中参数包括连杆长度a、连杆扭角α、关节长度d，依据机器人的DH模型，推导标定模型，下面对具体的求解过程进行说明：

建立标定所用的各个坐标系，并定义相关标定点。其中基坐标系为{base}、工具坐标系为{tool}、用户坐标系为{uframe}，用户坐标系下表示的空间四面体各顶点坐标为：C点定义为用户坐标系零点即^uframec＝(0,0,0)；D点定义为用户坐标系下X轴正向上的一点即^uframed＝(x_D,0,0)，其中x_D>0；B点定义为用户坐标系下XY平面内第一象限内的一点即^uframeb＝(x_B,y_B,0),其中x_B＞0,y_B＞0；

图3是按照本发明的优选实施例构建的球杆仪标定过程中构成的空间四面体示意图。如图3所示，A点定义为用户坐标系下的空间四面体的顶点即用户坐标系相对于基坐标系的齐次矩阵为^baseT_uframe，该坐标系可以通过读取机器人示教器上的示数计算得到。

坐标表示的两中方式，方式一为关节空间中表示，方式二为在用户坐标系下的空间四面体中表示：

方式一：六自由度关节型机器人关节空间中表示的一点相对于基坐标系的齐次矩阵为，其中，n_x、n_y、n_z、o_x、o_y、o_z、a_x、a_y、a_z分别为关节坐标系相对于基坐标坐标系的x、y、z坐标轴夹角的余弦，该夹角在机器人示教器上显示，^basep_x、^basep_y、^basep_z为关节坐标系相对于基坐标坐标系各坐标轴的位置

T中的参数为关于机器人关节转角的函数，故将其表示为(本模型中只用到x、y、z向的位置向量，故只列出p，如(2)，^basep_x、^basep_y、^basep_z为对应时刻机器人关节转角的函数，分别用f_x、f_y、f_z表示其函数关系)。

当O_tool运动到C点时的机器人关节转角可以通过机器人示教器读出，记为q_C＝(θ_1C,θ_2C,θ_3C,θ_4C,θ_5C,θ_6C)，则可将q_C代入(2)中求出^baseo′_6-C(机器人6关节原点相对于基坐标系的向量)。同理当O_tool运动到A_i点时坐标记为^baseo_6-Ai，关节转角记为q_C＝(θ_1C,θ_2C,θ_3C,θ_4C,θ_5C,θ_6C)。^baseo′_6-C与^baseo_6-Ai的表达式中包含有待求的机器人结构参数，即D-H参数模型中的连杆长度a、连杆扭角α、关节长度d，记向量^baseo′_6-Co_6-Ai＝^baseo′_6-C-^baseo_6-Ai。

方式二：用户坐标系相对于基坐标系之间的齐次变换矩阵为，其中，分别为用户坐标系相对于基坐标坐标系的x、y、z坐标轴夹角的余弦，为关节坐标系相对于基坐标坐标系各坐标轴的位置，^baseT_uframe中的参数通过示教器中显示的值计算得出，

在空间四面体中，C点坐标为^uframec＝(0,0,0)，A_i点的实际坐标为则可以通过齐次变换矩阵^baseT_uframe将工件坐标系下的C点和点A_i变换到基坐标系下，变换关系为

其中^baseT_uframe可以通过示教器读出(通过示教器中的x、y、z、a、e、r求出^baseT_uframe)，可以在空间四面体中六条棱已知的情况下求出，则^uframec与即为已知量。

为去除安装误差的影响，这里将数据做如下处理：依据途径2中求出空间四面体中C点与A_i的坐标向量，记为(不含未知数)；依据途径1中，求出关节空间中C点与A_i的坐标向量，记为^baseo′_6-Co_6-Ai＝^baseo′_6-C-^baseo_6-Ai(含有待求的结构参数)；由平行四边形规则，则有为方便使用做小二乘求解，这里将表示为统一的函数：

则可以使用得到的多组数据即q_C、 ^baseT_uframe及空间四面体的棱长l₁、l₂、l₃、l₄ ^i*、l₅ ^i*、l₆ ^i*，对F_object进行最小二乘优化求解，求解出机器人D-H参数模型中的连杆长度a、连杆扭角α、关节长度d，此外，可以通过调整标定底板3固定在其他位置，重复整个标定过程来最后机器人结构参数的取均值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用球杆仪标定机器人结构参数的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将标定杆通过螺纹安装在机器人末端，接着将工具杯与所述标定杆连接，然后固定标定底板的位置并将三个中心座安装在该标定底板的三个顶点DCB上；

(b)标定工具坐标系{tool}，利用该工具坐标系标定用户坐标系{uframe}，然后校准球杆仪并测量由所述三个中心座形成的三角形DCB的三条边长，分别记为l₁、l₂、l₃；

(c)预设A点与所述DCB构成空间四面体，且预设A点到所述DCB的棱长分别为l₄ ⁱ、l₅ ⁱ、l₆ ⁱ，其中i＝1,2…7，所述用户坐标系中C点坐标为^uframec＝(0,0,0)，根据所述l₁、l₂、l₃和所述l₄ ⁱ、l₅ ⁱ、l₆ ⁱ确定在所述用户坐标系下A点的坐标

(d)根据所述{tool}、所述{uframe}和所述用户坐标系下A点的坐标编写程序，使得所述机器人末端带动所述工具杯的末端顶点O_tool运动到所述C点再到所述A点的，所述机器人末端从初始位置相应地运动到o′_6-C再到o_6-Ai，在所述机器人的示教器上读取并记录所述O_tool到达所述C点和A点时对应的各关节转角，即所述C点和A点的关节坐标q_C＝(θ_1C,θ_2C,θ_3C,θ_4C,θ_5C,θ_6C)，所述o′_6-C与o_6-Ai分别与所述C点和A点关节坐标相同，通过含有待求解的机器人结构参数的转化矩阵将该o′_6-C与o_6-Ai关节坐标转换为基坐标，同时求得向量^baseo′_6-Co_6-Ai＝^baseo′_6-C-^baseo_6-Ai；

(e)校准球杆仪测量所述空间四面体的ABCD的实际侧棱长l₄ ^i*、l₅ ^i*、l₆ ^i*，根据该实际棱长和所述l₁、l₂、l₃确定在所述用户坐标系下A点的实际坐标然后通过用户坐标与基坐标的转换矩阵将所述用户坐标系下的C点坐标^uframec＝(0,0,0)和该A点实际坐标转换为基坐标系下的坐标，同时求出向量

(f)根据平行四边形原理，所述向量由此计算得到待求解的机器人结构参数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，采用机器人内部的四点法工具坐标系标定方法标定工具坐标系。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，采用机器人内部的三点法用户坐标系标定方法标定用户坐标系。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述含有待求解的机器人结构参数的转化矩阵T如下，其中，n_x、n_y、n_z、o_x、o_y、o_z、a_x、a_y、a_z分别为关节坐标系相对于基坐标坐标系的x、y、z坐标轴夹角的余弦，该夹角在所述机器人的示教器上显示，^basep_x、^basep_y、^basep_z为关节坐标系相对于基坐标坐标系各坐标轴的位置：

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(e)中，所述用户坐标与基坐标的转换矩阵^baseT_uframe如下，其中，分别为用户坐标系相对于基坐标坐标系的x、y、z坐标轴夹角的余弦，为关节坐标系相对于基坐标坐标系各坐标轴的位置，^baseT_uframe中的参数通过所述示教器中显示的值计算得出，

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(f)中，采用按照下列表达式，通过最小二乘法使得目标函数F_object最小化计算机器人结构参数，