CN107081787B - 基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，数据采集板卡采集工业机器人各个关节伺服电机编码器的信号，读取工业机器人关节伺服电机发给机器人控制柜的位置反馈脉冲数；计算处理单元根据机器人运动学D‑H模型，将工业机器人各关节的运动信息经D‑H模型中的关节转换矩阵的坐标变换运算，得出工业机器人末端实时点位在工业机器人的基坐标系下的坐标值和运动轨迹；计算处理单元将坐标值和运动轨迹通过显示屏进行三维空间实时显示；通过工业机器人末端理论点位与所得坐标值进行比较，给出位置精度信息。本发明的检测原理简单，实现容易，具有便捷、快速、实时检测的优点，不用在机器人末端加装测量的装置，大大降低了成本。

Description

基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法。

背景技术

工业机器人是典型的机电一体化装备，随着工业机器人应用领域的不断扩大以及现代工业的快速发展，人们对工业机器人性能的要求越来越高，因此高速、高精度、智能和模块化成为目前工业机器人发展的主要趋势。由于工业机器人在制造业的地位日益凸显，作为高科技、高精度的生产制造业装备，故其的性能、精度以及智能化程度都要求更高，尤其是精度问题，学者为了提高机器人精度做了很多努力和工作。工业机器人的精度分为定位精度和重复定位精度。研究表明，工业机器人的重复定位精度很高(um级)，而定位精度则较差(mm级)。这些不足，使机器人还难以发挥更大的作用。

运动精度是衡量机器人性能的一个重要指标，因此无论在理论上还是在实际应用中都受到了专家学者们的广泛关注。由于工业机器人存在制造、装配误差以及磨损等，会造成末端精度不够。目前对工业机器人的动态特性和运动精度检测手段有限，且成本很高，操作相对复杂(例如激光跟踪仪，激光干涉仪)；对工业机器人在线实时检测方法更是没有；而在工业机器人上加装检测装置的方法，受到工作空间、成本、复杂程度等因素影响，难以实现。

不过也有人将球杆仪用来对工业机器人的运动进行检测和分析。通过离线编程，使机器人末端在小范围内以空间圆轨迹运动，与理论圆对比，从而评价机器人误差和动态特性。这种方法的优点是简便易行，测量精度较高；缺点是由于球杆长度有限，限制在小范围内对机器人的圆轨迹进行测量、评估和分析，测量模式固定，不能满足机器人运动特性的研究。

激光跟踪仪是一种高精度的工业测量装置，由于激光为单色光，发散小，测量精确。激光跟踪仪和激光干涉仪基本原理一样，结合了干涉仪、续光再续和高精度角度编码器，使其功能得到增强。激光跟踪仪能对工业机器人进行高精度、实时跟踪测量。其缺点是操作复杂，价格昂贵，暂无法大范围应用。

目前，鲜有对工业机器人在工作状态中进行运动检测，工作状态机器人因为负载，工作环境不同与空载运行的情况下肯定有所差别。在工作状态下，对机器人的运动特性检测才更接近真实情况。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，能实现工业机器人末端位置的轨迹与精度的实时检测，可用于机器人运动轨迹与精度的监测与优化。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，包括以下操作：

1)当工业机器人根据机器人控制柜发来的控制指令运动时，数据采集板卡采集工业机器人各个关节伺服电机的编码器的信号，读取关节伺服电机发给机器人控制柜的位置反馈脉冲数；数据采集板卡将采集的信号发送给计算处理单元对其进行处理，通过位置反馈脉冲数获取电机转角，再通过电机转角与关节转角的减速比，获得各关节转动角度及关节运动信息，还原出工业机器人各关节包括位置、速度在内的运动信息；

2)计算处理单元根据机器人运动学D-H模型，将工业机器人各关节的运动信息经D-H模型中的关节转换矩阵的坐标变换运算，得出工业机器人末端实时点位在工业机器人的基坐标系下的坐标值和运动轨迹；

3)计算处理单元将坐标值和运动轨迹通过显示屏进行三维空间实时显示，从而得到工业机器人末端实时运动轨迹；通过工业机器人末端理论点位与所得坐标值进行比较，给出位置精度信息。

所述的数据采集板卡通过三通的信号线、机器人控制柜连接机器人各个关节内置传感器，读取内置传感器的编码器，得到各关节电机位置的反馈增量脉冲数；数据采集板卡与计算处理单元通过数据传输线连接。

所述的机器人运动学D-H模型中，模型的参数名义值通过查看工业机器人说明书获得，参数的实际值可用圆周法或基于距离误差的标定方法求得；在工业机器人运动时，利用激光跟踪仪得到多组工业机器人末端点位值这些点尽量在机器人工作空间均布，通过圆周法或基于距离误差的标定方法解微分运动学方程，得到机器人运动学参数的实际值。

将采集得到的关节位置信息带入D-H模型进行计算，得到工业机器人运动过程中所有的实时末端坐标，在基坐标系下将所有实时末端坐标连接并绘制成实时运动轨迹曲线。

所述将工业机器人的实时运动轨迹曲线与理论运动轨迹曲线进行比较，进行运动精度检测；

将工业机器人的实时运动轨迹曲线分别在x轴、y轴、z轴进行各个方向的运动精度分析。

所述计算处理单元还根据数据采集板卡输送的信号，对机器人单个关节伺服电机的运动动态响应进行分析，并对末端运动误差与关节运动精度的关联性进行分析，用于对单个关节伺服电机与工业机器人末端精度进行优化：

(1)通过机器人控制柜控制机器人一个关节单独运动，得到各个关节的动态响应等信息；

(2)通过调整机器人运动速度、负载，得到机器人在不同工况下运动特性；

(3)通过调整机器人运动的插补模式分析机器人运动特性，对于关节伺服驱动进行优化。

所述的插补模式包括点位运动、直线插补和圆弧插补。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，通过采集内置传感器信号，进而获取运动轨迹，并进行运动轨迹精度和动态响应的检测，从而为机器人整体运动特性进行评估、补偿、优化提供了基础；进一步的，本发明的检测原理简单，实现容易，具有便捷、快速、实时检测的优点，不用在机器人末端加装测量的装置，大大降低了成本；尤为更重要的可以在机器人作业时对机器人运动进行实时检测，既可以作离线测量，也可在线测量；在如今互联网+、大数据的时代背景下，本发明更方便接入大数据的云平台，便于用大数据分析、智能算法对工业机器人进行检测。

本发明提供的基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，各个关节运动速度和末端运动速度等较快，为了得到实时信息，本发明对各个关节传感器采样频率为1000Hz，保证得到真实的运动特性和实时精度信息；实验结果表明对工业机器人运动轨迹精度的检测达到0.1mm，检测精度得到了显著的提升。

本发明提供的基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，在进行检测时工业机器人是按照机器人控制柜指令来运动，其各个关节的转动最终转变为末端在工作空间内的直线、圆弧和复杂曲线运动，在工业机器人运动的同时，通过内置传感器和数据采集板卡完成信息的采集，对运动轨迹没有特别的限制和要求；克服了要求限制在小范围内对机器人的圆轨迹进行测量时对运动轨迹限制的技术缺陷。

附图说明

图1为本发明的检测系统结构示意图。

图2为关节位移与速度曲线(设定行程500mm、速度200mm/s)。

图3为工业机器人执行直线运动时的轨迹精度(采集卡采集频率1000Hz，速度80，直线为理论值，曲线为实际值)。

图4为按照检测标准运动时本发明检测的工业机器人末端实时运动轨迹。

图5为按照检测标准运动的工业机器人末端轨迹在X方向的精度。

图6为按照检测标准运动的工业机器人末端轨迹在Y方向的精度。

图7为按照检测标准运动的工业机器人末端轨迹在Z方向的精度。

具体实施方式

一种基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，包括以下操作：

1)当工业机器人根据机器人控制柜发来的控制指令运动时，数据采集板卡采集工业机器人各个关节伺服电机的编码器的信号，读取关节伺服电机发给机器人控制柜的位置反馈脉冲数；数据采集板卡将采集的信号发送给计算处理单元对其进行处理，通过位置反馈脉冲数获取电机转角，再通过电机转角与关节转角的减速比，获得各关节转动角度及关节运动信息，还原出工业机器人各关节包括位置、速度在内的运动信息；

2)计算处理单元根据机器人运动学D-H模型，将工业机器人各关节的运动信息经D-H模型中的关节转换矩阵的坐标变换运算，得出工业机器人末端实时点位在工业机器人的基坐标系下的坐标值和运动轨迹；

3)计算处理单元将坐标值和运动轨迹通过显示屏进行三维空间实时显示，从而得到工业机器人末端实时运动轨迹；通过工业机器人末端理论点位与所得坐标值进行比较，给出位置精度信息。

所述的数据采集板卡通过三通的信号线、机器人控制柜连接机器人各个关节内置传感器，读取内置传感器的编码器，得到各关节电机位置的反馈增量脉冲数；数据采集板卡与计算处理单元通过数据传输线连接。

具体的，如图1所示，基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法的实现包含以下设备：一台六自由度工业机器人、机器人控制柜、PCI扩展坞、数据采集板卡(根据所要采集的信号通道数确定板卡个数)，一台计算机(作为计算处理单元)，信号采集线。将采集板卡插入PCI扩展坞，PCI扩展坞通过信号采集线连机器人控制柜，采集板卡将采集的反馈信号传输给计算机处理。工业机器人控制器输出指令控制机器人，伺服电机的反馈信号返回机器人控制柜，再通过采集板卡采集伺服电机反馈信号，输入计算处理，得到运动轨迹信息和精度。

所述的机器人运动学D-H模型中，模型的参数名义值通过查看工业机器人说明书获得，参数的实际值用圆周法或基于距离误差的标定方法求得；

将采集得到的关节位置信息带入D-H模型进行计算，得到工业机器人运动过程中所有的实时末端坐标，在基坐标系下将所有实时末端坐标连接并绘制成实时运动轨迹曲线。

所述在工业机器人运动时，利用激光跟踪仪得到多组工业机器人末端点位值这些点尽量在机器人工作空间均布，通过圆周法或基于距离误差的标定方法解微分运动学方程，得到机器人运动学参数的实际值。

下面给出具体的实施例，基于工业机器人内置传感器的机器人动态特性检测方法，实验对象为固高六自由度工业机器人。包括以下步骤：

(1)根据工业机器人驱动器信号模式选择合适的电机编码器信号采集卡(如TTL的编码器信号可采用CNT32的采集卡)；将采集卡与各关节电机编码器的信号并联，同时采集各关节电机编码器的信号并联输出；采集的信号经过处理还原出各关节角度等信息。在采集信号时，特别地要使各个采集通道对传感器同步采集，另外采集频率过高，应对采集模块的优先级最高，再对采集数据处理。

(2)根据机器人运动学原理，建立工业机器人运动学的D-H模型；根据工业机器人微分运动学，利用轴线法或距离误差法求得D-H矩阵中参数的实际值；然后将传回的各关节角度信息在计算处理单元上进行数据处理，通过机器人的正运动解算法求出机器人末端位置，与工业机器人控制程序中的理论末端位置信息进行对比、分析，得到工业机器人的精度。

(3)在(2)步骤进行完毕后，通过图形编程，将得到的机器人末端位置及生成的末端轨迹进行实时的三维显示。

计算处理单元还根据数据采集板卡输送的信号，对机器人单个关节伺服电机的运动动态响应进行分析，并对末端运动误差与关节运动精度的关联性进行分析，用于对单个关节伺服电机与工业机器人末端精度进行优化：

(1)通过机器人控制柜控制机器人一个关节单独运动，得到各个关节的动态响应等信息；

(2)通过调整机器人运动速度、负载，得到机器人在不同工况下运动特性；

(3)通过调整机器人运动的插补模式分析机器人运动特性，对于关节伺服驱动进行优化。

具体的通过示教器控制工业机器人单个关节运动，或在世界坐标下控制工业机器人以直线插补(或者点位运动或者圆弧插补)的形式运动，分析末端动态响应及主要误差关联关节，用于对关节伺服驱动进行优化。

将工业机器人的实时运动轨迹曲线与理论运动轨迹曲线进行比较，进行运动特性检测；

将工业机器人的实时运动轨迹曲线分别在x轴、y轴、z轴进行各个方向的运动精度分析。

图2所示为单个关节位移与速度曲线(设定行程500mm、速度200mm/s)，横坐标均为时间，上图的纵坐标为位移(mm)，下图的纵坐标为瞬时速度(mm/s)；可以看到关节在500mm行程内往复运动，同时可以看到关节速度响应特性，可以用来分析各个关节的动态响应特性。

图3为工业机器人的实时运动轨迹曲线与理论运动轨迹曲线(直线轨迹)比较结果，可以工业机器人在运动过程中运动精度的变化，对于待检测的机器人来说，其在运动轨迹的初始其运动精度较好，在运动轨迹的末端出现轨迹偏差，其运动精度降低。

图4为工业机器人的实时运动轨迹曲线(标准检测轨迹)，x轴、y轴、z轴分别坐标轴；图5、图6、图7分别为在x轴、y轴、z轴进行各个方向的运动精度分析(横坐标为时间，纵坐标为坐标值)，可以看到在x方向、y方向、z方向上运动轨迹波动状况，所检测运动轨迹精度可达0.1mm以下，满足机器人运动状态下高精度运动轨迹的检测，从而为机器人整体运动特性进行评估、补偿、优化提供了基础。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，其特征在于，包括以下操作：

1)当工业机器人根据机器人控制柜发来的控制指令运动时，数据采集板卡采集工业机器人各个关节伺服电机编码器的信号，读取工业机器人关节伺服电机发给机器人控制柜的位置反馈脉冲数；数据采集板卡将采集的信号发送给计算处理单元对其进行处理，通过位置反馈脉冲数获取电机转角，再通过电机转角与关节转角的减速比，获得各关节转动角度及关节运动信息，还原出工业机器人各关节包括位置、速度在内的运动信息；

2)计算处理单元根据机器人运动学D-H模型，将工业机器人各关节的运动信息经D-H模型中的关节转换矩阵的坐标变换运算，得出工业机器人末端实时点位在工业机器人的基坐标系下的坐标值和运动轨迹；

3)计算处理单元将坐标值和运动轨迹通过显示屏进行三维空间实时显示，从而得到工业机器人末端实时运动轨迹；通过工业机器人末端理论点位与所得坐标值进行比较，给出位置精度信息；

计算处理单元还根据数据采集板卡输送的信号，对机器人单个关节伺服电机的运动动态响应进行分析，并对末端运动误差与关节运动精度的关联性进行分析，用于对单个关节伺服电机与工业机器人末端精度进行优化：

(1)通过机器人控制柜控制机器人一个关节单独运动，得到各个关节的动态响应信息；

(2)通过调整机器人运动速度、负载，得到机器人在不同工况下运动特性；

(3)通过调整机器人运动的插补模式分析机器人运动特性，对于关节伺服驱动进行优化。

2.如权利要求1所述的基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，其特征在于，所述的数据采集板卡通过三通的信号线、机器人控制柜连接机器人各个关节内置传感器，读取内置传感器的编码器，得到各关节电机位置的反馈增量脉冲数；数据采集板卡与计算处理单元通过数据传输线连接。

3.如权利要求1所述的基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，其特征在于，所述的机器人运动学D-H模型中，模型的参数名义值通过查看工业机器人说明书获得，参数的实际值用圆周法或基于距离误差的标定方法求得；

将采集得到的关节位置信息带入D-H模型进行计算，得到工业机器人运动过程中所有的实时末端坐标，在基坐标系下将所有实时末端坐标连接并绘制成实时运动轨迹曲线。

4.如权利要求3所述的基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，其特征在于，在工业机器人运动时，利用激光跟踪仪得到多组工业机器人末端点位值这些点尽量在机器人工作空间均布，通过圆周法或基于距离误差的标定方法解微分运动学方程，得到机器人运动学参数的实际值。

5.如权利要求1所述的基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，其特征在于，将工业机器人的实时运动轨迹曲线与理论运动轨迹曲线进行比较，进行运动特性检测；

将工业机器人的实时运动轨迹曲线分别在x轴、y轴、z轴进行各个方向的运动精度分析。

6.如权利要求1所述的基于工业机器人内置传感器信号的运动特性检测方法，其特征在于，所述的插补模式包括点位运动、直线插补和圆弧插补。