CN107042527B - 一种基于三维力传感器的工业机器人标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于三维力传感器的工业机器人标定装置及标定方法，装置有标定测量组件安装在机器人末端法兰上，标定球组件固定在机器人工作空间内，标定测量组件有连接底板，固定安装在连接底板一端的三维力传感器，通过螺栓固定安装在三维力传感器上端的测量球结构，连接底板的另一端形成有法兰安装结构；标定球组件有固定底座，固定安装在固定底座上端的连接件，通过螺栓固定安装在连接件上端且与测量球结构相对应的标定球结构。方法：安装标定测量组件和标定球组件；多次操作工业机器人使标定测量组件和标定球组件接触，记录每一次的接触力，根据记录建立标定约束方程，求得工业机器人运动学参数误差向量。本发明结构简单、标定方法操作步骤简单、标定精度高。

Description

一种基于三维力传感器的工业机器人标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及一种工业机器人标定装置。特别是涉及一种基于三维力传感器的工业机器人标定装置及标定方法。

背景技术

随着机器人技术在各行各业中的广泛应用，业界对工业机器人的重复定位精度和绝对定位精度要求也越来越高。特别是离线编程技术的发展要求机器人必须具备很高的绝对定位精度。目前的工业机器人重复定位精度都比较高，一般在0.1mm以下，然而，绝对定位精度却很低，并且每台机器人的差别较大，严重制约了工业机器人的应用范围。研究表明，对于具有较高重复定位精度的机器人，可以通过运动学参数标定有效提高机器人的绝对定位精度，因此运动学参数标定已经成为机器人领域的研究热点。

运动学参数标定是指应用先进的测量设备和基于模型的参数辨识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的过程，它包括：建模、测量、参数辨识和补偿四个步骤。传统的标定方法所建立的标定模型复杂，数据测量一般要借助激光跟踪仪、三坐标测量机、球杆仪等昂贵的精密测量仪器，并且涉及机器人基础坐标系与测量系统坐标系间的变换，容易引入外来误差，标定精度不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、制造成本低、标定精度高的基于三维力传感器的工业机器人标定装置及标定方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于三维力传感器的工业机器人标定装置，包括标定测量组件和标定球组件，所述的标定测量组件安装在机器人末端法兰上，所述的标定球组件固定在机器人工作空间内，其中，所述的标定测量组件包括有连接底板，固定安装在所述连接底板一端的三维力传感器，以及通过螺栓固定安装在所述三维力传感器上端的测量球结构，所述连接底板的另一端形成有用于与所述机器人末端法兰相连接的法兰安装结构；所述的标定球组件包括有固定底座，固定安装在所述固定底座上端的连接件，以及通过螺栓固定安装在所述连接件上端且与所述的测量球结构相对应的标定球结构。

所述的法兰安装结构包括有一体连接在所述连接底板的与所述机器人末端法兰相对应处的凸起，所述的凸起处向内凹进的形成有用于嵌入所述机器人末端法兰的凹槽，所述凹槽的底面上形成有用于与所述末端法兰固定连接的且贯穿连接底板的连接孔。

所述的测量球结构和标定球结构结构相同，包括有构成测量球结构中的测量球或构成标定球结构中的标定球的球体，固定连接在所述球体下端的连接杆，以及固定连接在所述连接杆下端的用于通过螺栓与所述的三维力传感器或所述的连接件固定连接的连接板，所述连接板上形成有用于插入螺栓的贯通孔。

所述的三维力传感器的量程为0-5Kg，输出灵敏度为1.0±10％mV/V。

一种基于三维力传感器的工业机器人标定装置的标定方法，包括以下步骤：

1)将所述标定测量组件安装在工业机器人末端法兰上；

2)将所述标定球组件固定在工业机器人的工作空间内；

3)操作所述工业机器人，通过所述连接底板和三维力传感器将标定测量组件中所述的测量球结构中的测量球从两个以上的方向与标定球组件中所述的标定球结构中的标定球接触，所述三维力传感器记录每次测量球和标定球接触的接触力f_i＝(f_xi,f_yi,f_zi)，对应记录每次接触时所述工业机器人的关节转角数据θ_i；

4)多次改变所述标定球组件在所述工业机器人工作空间的位置，重复步骤3)m次，其中3m大于要标定的工业机器人运动学参数的个数；

5)根据步骤3)中所述三维力传感器记录的接触力f_i＝(f_xi,f_yi,f_zi)和对应记录的工业机器人关节转角数据θ_i，计算所述标定球球心位置p_i＝p_ni+J_idω，根据所述标定球球心位置在所述工业机器人工作空间是固定的，建立m个标定约束方程，并得到矩阵形式的标定方程B＝Adω；当系数矩阵A列满秩时，根据最小二乘法求得所述工业机器人运动学参数误差向量dω＝(A^ΤA)^-1A^ΤB。

步骤5)包括：

采用D-H法建立所述工业机器人的运动学模型，将连杆坐标系i-1到连杆坐标系i的齐次变换矩阵记作A_i，则机器人末端的法兰坐标系N相对机器人基础坐标系0的齐次变换矩阵为：

对测量球球心建立测量球坐标系E，所述测量球相对机器人末端法兰固定安装，法兰坐标系N到测量球坐标系E的齐次变换矩阵记作

则测量球坐标系E相对机器人基础坐标系0的齐次变换矩阵为：

当操作所述工业机器人使所述测量球和标定球接触时，对所述标定球球心建立标定球坐标系B，通过所述三维力传感器记录的接触力f_i＝(f_xi,f_yi,f_zi)求得所述标定球球心到测量球球心的位置向量：

其中

为所述标定球球心到测量球球心的单位方向向量；r₁,r₂，分别为测量球和标定球的半径，则标定球坐标系B相对机器人基础坐标系0的齐次变换矩阵为：

提取标定球球心在所述机器人基础坐标系的位置分量为：p_ni＝f(θ_i,f_i)，考虑所述机器人运动学参数误差，所述标定球球心在机器人基础坐标系的实际位置向量为：p_i＝p_ni+J_idω，其中J_i为标定雅克比矩阵，dω为机器人运动学参数误差向量，当操作机器人使所述测量球以两个不同方向接触标定球时，可以得到两个位置方程为：

p₁＝p_n1+J₁dω

p₂＝p_n2+J₂dω

两式相减得：p₂-p₁＝p_n2-p_n1+(J₂-J₁)dω，根据两次接触时标定球球心在机器人基础坐标系的位置相同，建立标定约束方程：p_n2-p_n1＝(J₁-J₂)dω，多次改变所述标定球组件在所述工业机器人工作空间的位置，根据所建立的m个标定约束方程，得到矩阵形式的标定方程：

B＝Adω

其中B＝[(p_n2-p_n1)₁；(p_n2-p_n1)₂；…(p_n2-p_n1)_m]，A＝[(J₁-J₂)₁；(J₁-J₂)₂；…(J₁-J₂)_m]，m为改变所述标定球组件位置的次数；

当系数矩阵A列满秩时，根据最小二乘法求得所述工业机器人运动学参数误差向量dω＝(A^ΤA)^-1A^ΤB。

本发明的一种基于三维力传感器的工业机器人标定装置及标定方法，结构简单、制造成本低、安装方便，标定方法操作步骤简单、标定精度高。具有的优点和积极效果是：

1、相比于激光跟踪仪、三坐标测量机、球杆仪等昂贵的精密测量仪器，本发明成本低，安装方便，操作简单；

2、标定球组件可以固定在工业机器人工作空间内任意位置，可以对工业机器人整个工作空间进行标定；

3、标定算法不需要测量绝对位置，不涉及机器人基础坐标系与测量系统坐标系间的变换，标定精度高。

附图说明

图1是本发明基于三维力传感器的工业机器人标定装置中机器人和标定测量组件示意图；

图2是本发明基于三维力传感器的工业机器人标定装置中标定测量组件结构示意图；

图3是本发明基于三维力传感器的工业机器人标定装置中标定球组件结构示意图；

图4是本发明标定测量组件和标定球组件中的测量球结构或标定球结构的结构示意图；

图5是本发明中标定球球心到测量球球心的位置向量示意图。

图中

1：机器人 2：标定测量组件

21：连接底板 22：三维力传感器

23：测量球结构 24：法兰安装结构

241：凸起 242：底面

243：连接孔 3：标定球组件

31：固定底座 32：连接件

33：标定球结构 101：球体

102：连接杆 103：贯通孔

104：连接板

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于三维力传感器的工业机器人标定装置及标定方法做出详细说明。

如图1、图2、图3所示，本发明的一种基于三维力传感器的工业机器人标定装置，包括标定测量组件2和标定球组件3，所述的标定测量组件2安装在机器人1末端法兰上，所述的标定球组件3固定在机器人1工作空间内，其中，所述的标定测量组件2包括有连接底板21，固定安装在所述连接底板21一端的三维力传感器22，以及通过螺栓固定安装在所述三维力传感器22上端的测量球结构23，所述的三维力传感器22的量程为0-5Kg，输出灵敏度为1.0±10％mV/V。所述连接底板21的另一端形成有用于与所述机器人1末端法兰相连接的法兰安装结构24；所述的标定球组件3包括有固定底座31，固定安装在所述固定底座31上端的连接件32，以及通过螺栓固定安装在所述连接件32上端且与所述的测量球结构23相对应的标定球结构33。

如图2所示，所述的法兰安装结构24包括有一体连接在所述连接底板21的与所述机器人1末端法兰相对应处的凸起241，所述的凸起241处向内凹进的形成有用于嵌入所述机器人1末端法兰的凹槽，所述凹槽的底面242上形成有用于与所述末端法兰固定连接的且贯穿连接底板21的连接孔243。

如图1、图2、图3、图4所示，所述的测量球结构23和标定球结构33结构相同，包括有构成测量球结构23中的测量球或构成标定球结构33中的标定球的球体101，固定连接在所述球体101下端的连接杆102，以及固定连接在所述连接杆102下端的用于通过螺栓与所述的三维力传感器22或所述的连接件32固定连接的连接板104，所述连接板104上形成有用于插入螺栓的贯通孔103。所述球体101最好具有一定的球面度、粗糙度，以保证标定精度。

下面结合图1～图5说明本发明的基于三维力传感器的工业机器人标定装置的标定方法，包括以下步骤：

1)将所述标定测量组件安装在工业机器人末端法兰上；

2)将所述标定球组件固定在工业机器人的工作空间内；

3)操作所述工业机器人，通过所述连接底板和三维力传感器将标定测量组件中所述的测量球结构中的测量球从两个以上的方向与标定球组件中所述的标定球结构中的标定球接触，所述三维力传感器记录每次测量球和标定球接触的接触力f_i＝(f_xi,f_yi,f_zi)，对应记录每次接触时所述工业机器人的关节转角数据θ_i；

4)多次改变所述标定球组件在所述工业机器人工作空间的位置，重复步骤3)m次，其中3m大于要标定的工业机器人运动学参数的个数；

5)根据步骤3)中所述三维力传感器记录的接触力f_i＝(f_xi,f_yi,f_zi)和对应记录的工业机器人关节转角数据θ_i，计算所述标定球球心位置p_i＝p_ni+J_idω，根据所述标定球球心位置在所述工业机器人工作空间是固定的，建立m个标定约束方程，并得到矩阵形式的标定方程B＝Adω；当系数矩阵A列满秩时，根据最小二乘法求得所述工业机器人运动学参数误差向量dω＝(A^ΤA)^-1A^ΤB。具体包括：

采用D-H法建立所述工业机器人的运动学模型，将连杆坐标系i-1到连杆坐标系i的齐次变换矩阵记作A_i，则机器人末端的法兰坐标系N相对机器人基础坐标系0的齐次变换矩阵为：

对测量球球心建立测量球坐标系E，所述测量球相对机器人末端法兰固定安装，法兰坐标系N到测量球坐标系E的齐次变换矩阵记作

则测量球坐标系E相对机器人基础坐标系0的齐次变换矩阵为：

当操作所述工业机器人使所述测量球和标定球接触时，对所述标定球球心建立标定球坐标系B，通过所述三维力传感器记录的接触力f_i＝(f_xi,f_yi,f_zi)求得所述标定球球心到测量球球心的位置向量：

其中

为所述标定球球心到测量球球心的单位方向向量；r₁,r₂，分别为测量球和标定球的半径，则标定球坐标系B相对机器人基础坐标系0的齐次变换矩阵为：

提取标定球球心在所述机器人基础坐标系的位置分量为：p_ni＝f(θ_i,f_i)，考虑所述机器人运动学参数误差，所述标定球球心在机器人基础坐标系的实际位置向量为：p_i＝p_ni+J_idω，其中J_i为标定雅克比矩阵，dω为机器人运动学参数误差向量，当操作机器人使所述测量球以两个不同方向接触标定球时，可以得到两个位置方程为：

p₁＝p_n1+J₁dω

p₂＝p_n2+J₂dω

两式相减得：p₂-p₁＝p_n2-p_n1+(J₂-J₁)dω，根据两次接触时标定球球心在机器人基础坐标系的位置相同，建立标定约束方程：p_n2-p_n1＝(J₁-J₂)dω，多次改变所述标定球组件在所述工业机器人工作空间的位置，根据所建立的m个标定约束方程，得到矩阵形式的标定方程：

B＝Adω

其中B＝[(p_n2-p_n1)₁；(p_n2-p_n1)₂；…(p_n2-p_n1)_m]，A＝[(J₁-J₂)₁；(J₁-J₂)₂；…(J₁-J₂)_m]，m为改变所述标定球组件位置的次数；

当系数矩阵A列满秩时，根据最小二乘法求得所述工业机器人运动学参数误差向量：

dω＝(A^ΤA)^-1A^ΤB。

Claims (2)

1.一种基于三维力传感器的工业机器人标定装置的标定方法，工业机器人标定装置包括标定测量组件(2)和标定球组件(3)，所述的标定测量组件(2)安装在机器人(1)末端法兰上，所述的标定球组件(3)固定在机器人(1)工作空间内，其中，所述的标定测量组件(2)包括有连接底板(21)，固定安装在所述连接底板(21)一端的三维力传感器(22)，以及通过螺栓固定安装在所述三维力传感器(22)上端的测量球结构(23)，所述连接底板(21)的另一端形成有用于与所述机器人(1)末端法兰相连接的法兰安装结构(24)；所述的标定球组件(3)包括有固定底座(31)，固定安装在所述固定底座(31)上端的连接件(32)，以及通过螺栓固定安装在所述连接件(32)上端且与所述的测量球结构(23)相对应的标定球结构(33)；其特征在于，标定方法包括以下步骤：

1)将所述标定测量组件安装在工业机器人末端法兰上；

2)将所述标定球组件固定在工业机器人的工作空间内；

3)操作所述工业机器人，通过所述连接底板和三维力传感器将标定测量组件中所述的测量球结构中的测量球从两个以上的方向与标定球组件中所述的标定球结构中的标定球接触，所述三维力传感器记录每次测量球和标定球接触的接触力f_i＝(f_xi,f_yi,f_zi)，对应记录每次接触时所述工业机器人的关节转角数据θ_i；

4)多次改变所述标定球组件在所述工业机器人工作空间的位置，重复步骤3)m次，其中3m大于要标定的工业机器人运动学参数的个数；

5)根据步骤3)中所述三维力传感器记录的接触力f_i＝(f_xi,f_yi,f_zi)和对应记录的工业机器人关节转角数据θ_i，计算所述标定球球心位置p_i＝p_ni+J_idω，其中，p_ni为标定球球心在所述机器人基础坐标系的位置分量，J_i为标定雅克比矩阵，dω为机器人运动学参数误差向量，根据所述标定球球心位置在所述工业机器人工作空间是固定的，建立m个标定约束方程，并得到矩阵形式的标定方程B＝Adω；当系数矩阵A列满秩时，根据最小二乘法求得所述工业机器人运动学参数误差向量dω＝(A^ΤA)^-1A^ΤB。

2.根据权利要求1所述的基于三维力传感器的工业机器人标定装置的标定方法，其特征在于，步骤5)包括：

采用D-H法建立所述工业机器人的运动学模型，将连杆坐标系i-1到连杆坐标系i的齐次变换矩阵记作A_i，则机器人末端的法兰坐标系N相对机器人基础坐标系0的齐次变换矩阵为：

对测量球球心建立测量球坐标系E，所述测量球相对机器人末端法兰固定安装，法兰坐标系N到测量球坐标系E的齐次变换矩阵记作

则测量球坐标系E相对机器人基础坐标系0的齐次变换矩阵为：

当操作所述工业机器人使所述测量球和标定球接触时，对所述标定球球心建立标定球坐标系B，通过所述三维力传感器记录的接触力f_i＝(f_xi,f_yi,f_zi)求得所述标定球球心到测量球球心的位置向量：

其中

为所述标定球球心到测量球球心的单位方向向量；r₁,r₂，分别为测量球和标定球的半径，则标定球坐标系B相对机器人基础坐标系0的齐次变换矩阵为：

提取标定球球心在所述机器人基础坐标系的位置分量为：p_ni＝f(θ_i,f_i)，考虑所述机器人运动学参数误差，所述标定球球心在机器人基础坐标系的实际位置向量为：p_i＝p_ni+J_idω，其中J_i为标定雅克比矩阵，dω为机器人运动学参数误差向量，当操作机器人使所述测量球以两个不同方向接触标定球时，可以得到两个位置方程为：

p₁＝p_n1+J₁dω

p₂＝p_n2+J₂dω

两式相减得：p₂-p₁＝p_n2-p_n1+(J₂-J₁)dω，根据两次接触时标定球球心在机器人基础坐标系的位置相同，建立标定约束方程：p_n2-p_n1＝(J₁-J₂)dω，多次改变所述标定球组件在所述工业机器人工作空间的位置，根据所建立的m个标定约束方程，得到矩阵形式的标定方程：

B＝Adω

其中B＝[(p_n2-p_n1)₁；(p_n2-p_n1)₂；…(p_n2-p_n1)_m]，A＝[(J₁-J₂)₁；(J₁-J₂)₂；…(J₁-J₂)_m]，m为改变所述标定球组件位置的次数；

当系数矩阵A列满秩时，根据最小二乘法求得所述工业机器人运动学参数误差向量

dω＝(A^ΤA)^-1A^ΤB。

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