CN107053216A - 机器人和末端执行器的自动标定方法及系统 - Google Patents

机器人和末端执行器的自动标定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机器人和末端执行器的自动化标定方法，用于自动校准工业机器人及其末端执行器的工具中心点(TCP)，其通过使用一种校准系统识别机器人和TCP错误，并补偿所识别的错误，以提高机器人的准确性。本发明还公开了一种工业机器人校准系统。

Description

机器人和末端执行器的自动标定方法及系统
技术领域
本发明具体涉及一种机器人和末端执行器的自动标定方法及系统，属于自动化技术领域。
背景技术
工业机器人被设计和制造，用于提供非常高的可重复性来执行预义的任务。他们通常有良好的可重复性，但准确性差，而且准确度通常比重复性差一个数量级。机器人的准确性尚未发展到可以满足生产过程的成熟度水平。这是因为每个工业机器人都是在一定的公差范围内制造的。不会存在两个相同的机械单元。然而，每个机器人控制器使用得都是具有理想参数的相同控制模型，它默认所有的机械单元是相同的。因此，机器人模型中的理想位置与机器人的实际位置之间总是存在一定的误差。
机器人校准是一种经过验证的能够大大提高机器人定位精度的方法。该过程识别机器人运动学结构中的真实几何参数。这些运动参数描述了机器人链节和关节的相对位置和方向。机器人校准领域的研究揭示了不同的校准方法和算法。大量的方法为工业机器人动态模型的发展而存在。Denavit-Hartenberg开发了一种基于齐次变换矩阵的方法[1]。Stone开发了S模型，它为每个机器人关节使用六个参数[2]。Mooring和Tang开发了零参考模型，它不使用公垂线作为链接参数来避免模型奇异性[3]。有广泛的测量系统可用于不同的精度水平。这些系统实现了接触式和非接触式方式，如经纬仪[4]、激光束投影[5]、2D机器视觉[6]、便携式坐标测量机[7]等。但现有的这些机器人校准技术还或多或少存在一些缺陷，例如，需要复杂的校准系统，成本高且难以操作，以及校准的精度不是很立项等。
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发明内容
本发明的主要目的在于提供一种机器人和末端执行器的自动标定方法及系统，更确切的讲，是在于提供一种用于自动校准工业机器人(机器人)及其末端执行器的工具中心点(Tool Center Point，TCP)的方法和系统，其使用一种校准系统，所述校准系统识别机器人和TCP错误，并补偿所识别的错误，以提高机器人的准确性，从而克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例首先提供了一种工业机器人校准系统，其包括：
机器人，包括多个运动轴并携带有末端执行器，所述机器人能将其工具中心点(TCP)在工作域内移动；
一个或多个温度传感器；
校准工具，包括安装在机器人末端执行器上的三维方向传感器，至少用于提供在固定参考三维坐标系中的三维角度；
机器人控制器，至少用于控制所述机器人运动；以及
计算装置，至少用于通过所述校准工具进行测量以及在校准过程期间采取机器人位置，并由此计算和更新所述机器人参数和所述TCP位置。
本发明实施例还提供了一种机器人和末端执行器的自动标定方法，其包括：
a)提供机器人校准系统，包括：
机器人，包括多个运动轴并携带有末端执行器，所述机器人能将其工具中心点(TCP)在工作域内移动，
一个或多个温度传感器，
校准工具，包括安装在机器人末端执行器上的三维方向传感器，至少用于提供在固定参考三维坐标系中的三维角度，
机器人控制器，至少用于控制所述机器人运动，以及
计算装置，至少用于通过所述校准工具进行测量以及在校准过程中采取机器人位置，并由此计算和更新所述机器人参数和所述TCP位置；
b)编程包含多个位置和配置的机器人校准程序，使所述的机器人轴被充分的运行，以实现可接受的机器人参数识别；
c)以与所述校准工具互连的所述计算装置运行所述机器人校准程序，并在下一姿势停止；
d)从所述校准工具读取和存储三维角位置；
e)直接从所述机器人控制器或离线文件读取和存储由所述机器人控制器提供的实际的机器人位置；
f)重复步骤c)、步骤d)和步骤e)多次；
g)通过将步骤d)中存储的所述校准工具三维角位置与步骤e)中存储的机器人角位置进行比较来计算机器人参数和TCP位置；以及
h)使用步骤g)中获得的结果在后续生产任务中纠正机器人参数和TCP，纠正机器人姿势和TCP或补偿任何离线使用机器人姿势和TCP位置的错误。
为了更清楚地说明本发明的技术要点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明一些典型实施方案中一种校准程序的流程图；
图2是本发明一些典型实施方案中一种优选的校准工具配置图；
图3是本发明一些典型实施方案中一种校准工具安装到具有适配器的机器人工具上的配置图；
图4是本发明一些典型实施方案中一种校准工具直接安装在机器人法兰上的配置图；
图5是本发明一些典型实施方案中在校准期间的机器人位置示意图；
图6是本发明一些典型实施方案中一种校准工具的结构示意图之一；
图7是本发明一些典型实施方案中一种校准工具的结构示意图之二。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
下文将对本发明的技术方案作更为详尽的解释说明。但是，应当理解，在本发明范围内，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
本发明实施例的一个方面提供的一种工业机器人校准系统包括：
机器人，包括多个运动轴并携带有末端执行器，所述机器人能将其工具中心点(TCP)在工作域内移动；
一个或多个温度传感器，至少用以检测工作环境温度变化和/或可能受到温度变化影响的机器人的至少部分组件的温度；
校准工具，包括安装在机器人末端执行器上的三维方向传感器，至少用于提供在固定参考三维坐标系中的三维角度；
机器人控制器，至少用于控制所述机器人运动；以及
计算装置，至少用于通过所述校准工具进行测量以及在校准过程期间采取机器人位置，并由此计算和更新所述机器人参数和所述TCP位置。
其中，所述温度传感器与计算装置连接。
在一些实施方案中，所述温度传感器至少可用于监测可能受到温度变化影响的机器人臂的温度。
在一些实施方案中，所述的工业机器人校准系统还可包括外部三维线性测量装置，所述外部三维线性测量装置安装在机器人工作空间内的支架上，所述机器人末端执行器承载可由外部三维线性测量装置测量的目标。
在一些实施方案中，所述的工业机器人校准系统还可包括外部三维线性测量装置，所述外部三维线性测量装置安装在所述机器人末端执行器上。
前述的末端执行器可以是一些业界已知的工具(tool)。所述的工具可以安装在机器人臂上，特别是机器人臂的末端位置。
前述的机器人控制器实际上也是一种计算装置。
本发明实施例的一个方面提供的一种机器人和末端执行器的自动标定方法包括：
a)提供机器人校准系统，包括：
机器人，包括多个运动轴并携带有末端执行器，所述机器人能将其工具中心点(TCP)在工作域内移动，
一个或多个温度传感器，至少用以检测工作环境温度变化和/或可能受到温度变化影响的机器人的至少部分组件的温度，
校准工具，包括安装在机器人末端执行器上的三维方向传感器，至少用于提供在固定参考三维坐标系中的三维角度，
机器人控制器，至少用于控制所述机器人运动，以及
计算装置，至少用于通过所述校准工具进行测量以及在校准过程中采取机器人位置，并由此计算和更新所述机器人参数和所述TCP位置；
b)编程包含多个位置和配置的机器人校准程序，使机器人轴被充分的运行，以实现可接受的机器人参数识别；
c)以与所述校准工具互连的所述计算装置运行所述机器人校准程序，并在下一姿势停止；
d)从所述校准工具读取和存储三维角位置；
e)直接从所述机器人控制器或离线文件读取和存储由所述机器人控制器提供的实际的机器人位置；
f)重复步骤c)、步骤d)和步骤e)多次；
g)通过将步骤d)中存储的所述校准工具三维角位置与步骤e)中存储的机器人角位置进行比较来计算机器人参数和TCP位置；以及
h)使用步骤g)中获得的结果在后续生产任务中纠正机器人参数和TCP，纠正机器人姿势和TCP或补偿任何离线使用机器人姿势和TCP位置的错误。
在一些实施方案中，所述校准工具直接安装在末端执行器上和/或通过适配器安装在末端执行器上。
进一步的，所述温度传感器与计算装置连接。
在一些实施方案中，所述温度传感器可至少用于监测可能受到温度变化影响的机器人臂的温度。
在一些较佳实施方案中，所述的自动标定方法包括：在步骤f)中，步骤c)、步骤d)和步骤e)的重复次数至少等于校准参数的数量。
进一步的，用于确定所述校准参数的初始条件包括：
机器人的运动学方程，
所述校准工具与TCP之间的关系的模型，
来自3D定向传感器的读取和存储的角度位置，以及
来自机器人控制器的读取和存储的实际的机器人位置。
在一些实施方案中，所述的自动标定方法包括：通过比较所述机器人角位置和由所述校准工具提供的多个角度测量值来校准所述机器人和TCP的位置。
在一些实施方案中，所述的自动标定方法包括：在省略所述末端执行器的情况下，TCP在固定参考三维坐标系中的坐标为(0,0,0)，并且所述自动标定方法用于校准的仅是所述机器人。
在一些较佳实施方案中，所述校准工具安装在靠近TCP的位置。
在一些较佳实施方案中，所述的自动标定方法包括：若能够收集足够的信息用于校准且机器人轴在生产任务期间被充分地运行，则所述自动标定方法可以使用生产程序而不需编写单独的机器人校准程序。
在一些实施方案中，所述的自动标定方法包括：通过求解一个数量至少是要识别的机器人参数数量的两倍的非线性方程组的系统，以识别机器人参数，特别是机器人扩展的Denavit-Hartenberg参数和顺应性值及合规值。该过程可参阅文献1等。
进一步的，所述非线性方程组的系统是通过使用(1)机器人运动参数、(2)传感器的读数和(3)机器人笛卡尔位置建模(可参阅文献1)，其可以自动读取或手动设置到系统中。一旦识别出机器人参数，就会创建补偿过滤器，以便随后补偿机器人的错误。
在本发明的一些更为具体的实施方案中，提供的一种用于自动校准工业机器人(机器人)及其末端执行器TCP的方法使用一种包含温度传感器、三维方向传感器和外部三维线性测量装置的校准系统。所述校准系统识别机器人和TCP错误，并补偿所识别的错误，以提高机器人的准确性。
参阅图2所示，在本发明的一个优选实施例中，温度传感器被安装到可能受到温度变化影响的机器人臂上，三维方向传感器安装到主要受角度误差影响的机器人臂上，其中至少一个三维方向传感器安装在工具中心点(TCP)附近，以及，外部三维线性测量装置也安装在工具上。
参阅图3所示，在本发明的另一个实施例中，外部三维线性测量装置安装在机器人工作空间内的支架上，机器人末端执行器承载可由外部三维线性测量装置测量的目标，外部三维线性测量装置能报告所述目标的位置，进而报告机器人末端执行器的位置。
本发明允许识别和验证机器人的TCP，如果其相对于外部三维线性测量装置的位置是已知常数或是可以测量的。这可以通过设计包括由坐标测量机认证的目标的机器人工具来实现，例如可以参阅图7。
在应用如二维(2D)或三维(3D)摄像机等视觉传感器的领域，可以使用视觉传感器替代外部三维线性测量装置，并且其测量值可用于校准过程。
本发明可以应用于几乎所有的机器人应用领域，包括焊接、涂装、组装、拾取和放置、包装和码垛，产品检验和测试，等等。
在本发明的一较为典型的具体实施例中，一种自动校准工业机器人及其末端执行器的TCP的方法可以基于前述的本发明的校准系统实施，并可以包括以下步骤：
a)将三维方向传感器安设于机器人臂上并最终放在工具上(靠近TCP)；
b)在一些实施例中，将外部三维线性测量装置放置在机器人工作区和外部三维线性测量装置视场内的支架上，外部三维线性测量装置有助于报告机器人臂的位置；
c)教导包含使机器人轴充分移动的位置(姿势)的机器人程序，以实现机器人参数识别。机器人校准程序必须包括至少与机器人位置(在所述机器人位置记录测量值，所述的机器人位置可以是机器人笛卡尔位置等)数量一样多的机器人参数及TCP(如果适用)以进行识别，其中可以依据需要校准的机器人参数的数量确定需要测量的机器人位置点的数量，并定义其为i；
d)将三维方向传感器、外部三维线性测量装置与运行采集软件的计算机连接；
e)运行图1中详述的校准程序。
当然，在一些实施例中，前述的步骤b)是可以省略的，并且前述步骤d)中的外部三维线性测量装置也是可以省略的。
与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：
(1)提供了一种高精度校准方法，该方法易于设置和操作，并且不需要大量额外的校准设备。
(2)提供了一种自动校准(即，没有操作者干预)的方法，其可以被编程为在设定的时间运行，例如在生产转移期间。
(3)提供了一种在机器人操作期间(即，生产任务)也可以在后台运行的方法，如果可以收集足够的用于校准的信息，并且在生产任务期间机器人轴被足够地运行。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种机器人和末端执行器的自动标定方法，其特征在于包括：
a)提供机器人校准系统，包括：
机器人，包括多个运动轴并携带有末端执行器，所述机器人能将其工具中心点(TCP)在工作域内移动，
一个或多个温度传感器，至少用以检测工作环境温度变化和/或可能受到温度变化影响的机器人的至少部分组件的温度，
校准工具，包括安装在机器人末端执行器上的三维方向传感器，至少用于提供在固定参考三维坐标系中的三维角度，
机器人控制器，至少用于控制所述机器人运动，以及
计算装置，至少用于通过所述校准工具进行测量以及在校准过程中采取机器人位置，并由此计算和更新所述机器人参数和所述TCP位置；
b)编程包含多个位置和配置的机器人校准程序，使机器人轴被充分的运行，以实现可接受的机器人参数识别；
c)以与所述校准工具互连的所述计算装置运行所述机器人校准程序，并在下一姿势停止；
d)从所述校准工具读取和存储三维角位置；
e)直接从所述机器人控制器或离线文件读取和存储由所述机器人控制器提供的实际的机器人位置；
f)重复步骤c)、步骤d)和步骤e)多次；
g)通过将步骤d)中存储的所述校准工具三维角位置与步骤e)中存储的机器人角位置进行比较来计算机器人参数和TCP位置；以及
h)使用步骤g)中获得的结果在后续生产任务中纠正机器人参数和TCP，纠正机器人姿势和TCP或补偿任何离线使用机器人姿势和TCP位置的错误。
2.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于：所述校准工具直接安装在末端执行器上和/或通过适配器安装在末端执行器上。
3.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于：所述温度传感器与计算装置连接；优选的，所述温度传感器至少用于监测可能受到温度变化影响的机器人臂的温度。
4.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于：所述机器人校准系统还包括外部三维线性测量装置，所述外部三维线性测量装置安装在机器人工作空间内的支架上，所述机器人末端执行器承载可由外部三维线性测量装置测量的目标，或者，所述外部三维线性测量装置安装在所述机器人末端执行器上。
5.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于包括：在步骤f)中，步骤c)、步骤d)和步骤e)的重复次数至少等于校准参数的数量。
6.根据权利要求5所述的自动标定方法，其特征在于，用于确定所述校准参数的初始条件包括：
机器人的运动学方程，
所述校准工具与TCP之间的关系的模型，
来自3D定向传感器的读取和存储的角度位置，以及
来自机器人控制器的读取和存储的实际的机器人位置。
7.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于：所述机器人校准程序包括至少与机器人位置数量相等的机器人参数及TCP以进行识别。
8.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于包括：通过比较所述机器人角位置和由所述校准工具提供的多个角度测量值来校准所述机器人和TCP的位置。
9.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于包括：在省略所述末端执行器的情况下，TCP在固定参考三维坐标系中的坐标为(0,0,0)，并且所述自动标定方法用于校准的仅是所述机器人。
10.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于包括：所述校准工具安装在靠近TCP的位置。
11.根据权利要求1所述的自动标定方法，其特征在于包括：若能够收集足够的信息用于校准且机器人轴在生产任务期间被充分地运行，则所述自动标定方法可以使用生产程序而不需编写单独的机器人校准程序。
12.一种工业机器人校准系统，其特征在于包括：
机器人，包括多个运动轴并携带有末端执行器，所述机器人能将其工具中心点(TCP)在工作域内移动；
一个或多个温度传感器，至少用以检测工作环境温度变化和/或可能受到温度变化影响的机器人的至少部分组件的温度；
校准工具，包括安装在机器人末端执行器上的三维方向传感器，至少用于提供在固定参考三维坐标系中的三维角度；
机器人控制器，至少用于控制所述机器人运动；以及
计算装置，至少用于通过所述校准工具进行测量以及在校准过程期间采取机器人位置，并由此计算和更新所述机器人参数和所述TCP位置。
13.根据权利要求12所述的工业机器人校准系统，其特征在于：所述温度传感器与计算装置连接；优选的，所述温度传感器至少用于监测可能受到温度变化影响的机器人臂的温度。
14.根据权利要求12所述的工业机器人校准系统，其特征在于：所述工业机器人校准系统还包括外部三维线性测量装置，所述外部三维线性测量装置安装在机器人工作空间内的支架上，所述机器人末端执行器承载可由外部三维线性测量装置测量的目标，或者，所述外部三维线性测量装置安装在所述机器人末端执行器上。
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