CN107243897A - 一种工业机器人的标定系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种工业机器人的标定系统及方法，本发明中计算机含有数据采集软件；其中工业机器人通过工业机器人电缆与计算机连接通讯，关节臂式测量机通过关节臂式测量机电缆与计算机连接通讯；通过计算机控制数据采集软件采集工业机器人的末端位置和和关节臂式测量机的关节转角；连接板通过螺栓Ⅰ与需要标定的工业机器人的第六个关节末端的法兰盘连接；锥孔通过螺栓Ⅱ与连接板连接。本发明采用关节臂式测量机进行测量，发挥了关节臂式测量机运动灵活、空间大的特点，从而在采集数据时机器人末端的运动空间大，机器人各关节的运动更加充分，为结构参数解算提供了鲁棒性更强的数据支持。

Description

一种工业机器人的标定系统及方法
技术领域
本发明涉及一种工业机器人的标定系统及方法，属于机器人标定领域。
背景技术
工业机器人是一种能够自动控制、可编程、具有三个或更多轴的多功能机械手，在工业自动化应用中使用时，工业机器人可以安装在某一固定位置或者安装在移动导轨上。末端位置精度是工业机器人一个重要的性能指标，随着工业机器人在各个行业中的应用范围越来越广，人们对末端位置精度提出了更高的要求。然而由于各种误差因素的影响，机器人末端实际位置和往往与控制器的期望位置之间存在着一定的误差，这种误差是机器人精度的最重要指标之一。
提高机器人位置精度通常有两种方法。一种是通过选用更高的精度标准的元器件，并尽可能的减少机器人的装配误差，但这种方法有时在经济上不合理上、在生产上不可行。另一种方法是通过采用标定技术实现末端位置的误差补偿，整体上提高机器人末端的位置精度，通常，该方法可以取得明显效果，是提高末端位置精度的重要途径。
发明内容
本发明提供了一种工业机器人的标定系统及方法，通过增大标定操作时各关节的运动空间，使采集到的数据广泛而无死角，从而提高结构参数解算的鲁棒性和精度，并提高工业机器人的精度。
本发明的技术方案是：一种工业机器人的标定系统，包括计算机1、关节臂式测量机电缆2、工业机器人电缆3、关节臂式测量机4、工业机器人5、锥孔7和连接板8；
所述计算机1含有数据采集软件；其中工业机器人5通过工业机器人电缆3与计算机1连接通讯，关节臂式测量机4通过关节臂式测量机电缆2与计算机1连接通讯；通过计算机1控制数据采集软件采集工业机器人5的末端位置和和关节臂式测量机4的关节转角；连接板8通过螺栓Ⅰ9与需要标定的工业机器人5的第六个关节末端的法兰盘连接；锥孔7通过螺栓Ⅱ10与连接板8连接。
一种工业机器人的标定方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、上电，打开关节臂式测量机4和工业机器人5的控制软件；
Step2、将工业机器人5与关节臂式测量机4回零；
Step3、让工业机器人5运动到任意位置，并牵引关节臂式测量机4，使测量机测头6与工业机器人5末端锥孔7贴合；
Step4、在计算机1上利用数据采集软件记录此时关节臂式测量机4的末端位置与工业机器人5的关节转角，设置此初始化计数变量i＝1；
Step5、判断是否完成了标定数据采集操作：
若尚未完成则转至步骤Step6；若已完成标定数据采集操作则转至步骤Step8；
Step6、继续让工业机器人5运动到任意位置，原则为：移动的位置尽量覆盖工业机器人5的工作空间；牵引关节臂式测量机4，使测量机测头6与工业机器人5末端锥孔7贴合；
Step7、在计算机1上利用数据采集软件记录此时关节臂式测量机4的末端位置与工业机器人5的关节转角；采集计数变量自增1：i＝i+1；
Step8、完成标定数据采集后，令n＝i；利用采集到的n组数据和工业机器人5的运动学方程计算工业机器人5相应末端位置的理论值P，并将采集的关节臂式测量机4相应末端位置设为Pc；
Step9、操作工业机器人5分别沿工业机器人5坐标系x、y和z方向移动采集若干点，利用记录的点拟合方向向量R；
Step10、旋转工业机器人5第一个关节，并采集若干点，利用软件拟合一个圆，拟合圆的轴线与机器人5安装平面的焦点即为工业机器人5原点在关节臂式测量机4坐标系下的位置T；
Step11、建立关节臂式测量机4与工业机器人5的坐标转换方程，计算工业机器人5末端位置真实值Pj＝R-1×(Pc-T)；
Step12、利用工业机器人5末端位置的理论值P和工业机器人5末端位置真实值Pj列出n个方程，方程以工业机器人5的结构参数为未知量；
Step13、联立n个方程，组成方程组；
Step14、求解方程组得到工业机器人5的结构参数误差ΔX；
Step15、将参数误差ΔX代入工业机器人5的运动学方程中，验证标定结果的有效性，完成工业机器人5的标定。
本发明的有益效果是：
1、采用关节臂式测量机进行测量，发挥了关节臂式测量机运动灵活、空间大的特点，从而在采集数据时机器人末端的运动空间大，机器人各关节的运动更加充分，为结构参数解算提供了鲁棒性更强的数据支持。
2、关节臂式测量机精度较高，提高了结构参数解算的可靠性和精度。
3、标定时测量机测头可以在锥孔里自由转动，因此增加了关节臂式测量机标定时的自由度，标定操作更加灵活轻便。
附图说明
图1是本发明中标定装置的示意图；
图2是本发明中连接板与螺栓示意图；
图3是本发明中锥孔与螺栓示意图；
图4是本发明标定方法的具体流程图；
图中：1-计算机、2-关节臂式测量机电缆、3-工业机器人电缆、4-关节臂式测量机、5-工业机器人、6-关节臂式测量机测头、7-锥孔、8-连接板、9-螺栓Ⅰ、10-螺栓Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-4所示，一种工业机器人的标定系统，包括计算机1、关节臂式测量机电缆2、工业机器人电缆3、关节臂式测量机4、工业机器人5、锥孔7和连接板8，
所述计算机1含有数据采集软件；其中工业机器人5通过工业机器人电缆3与计算机1连接通讯，关节臂式测量机4通过关节臂式测量机电缆2与计算机1连接通讯；通过计算机1控制数据采集软件采集工业机器人5的末端位置和和关节臂式测量机4的关节转角(6个转角θ1,i,θ2,i,θ3,i,θ4,i,θ5,i,θ6,i)；连接板8通过M6螺栓Ⅰ9与需要标定的工业机器人5的第六个关节末端的法兰盘连接；锥孔7通过M5螺栓Ⅱ10与连接板8连接。
一种工业机器人的标定方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、上电，打开关节臂式测量机4和工业机器人5的控制软件；
Step2、将工业机器人5与关节臂式测量机4回零；
Step3、让工业机器人5运动到任意位置，并牵引关节臂式测量机4，使测量机测头6与工业机器人5末端锥孔7贴合；
Step4、在计算机1上利用数据采集软件记录此时关节臂式测量机4的末端位置与工业机器人5的关节转角，设置此初始化计数变量i＝1；
Step5、判断是否完成了标定数据采集操作：
若尚未完成则转至步骤Step6；若已完成标定数据采集操作则转至步骤Step8；
Step6、继续让工业机器人5运动到任意位置，原则为：移动的位置尽量覆盖工业机器人5的工作空间；牵引关节臂式测量机4，使测量机测头6与工业机器人5末端锥孔7贴合；
Step7、在计算机1上利用数据采集软件记录此时关节臂式测量机4的末端位置与工业机器人5的关节转角；采集计数变量自增1：i＝i+1；六个关节转角分别为：(θ1,1＝0°,θ2,1＝120°,θ3,1＝0°,θ4,1＝120°,θ5,1＝0°,θ6,1＝120°)，经过仿真实验得到当n＝40时标定效果最好。
Step8、完成标定数据采集后，令n＝i＝40；利用采集到的n组数据和工业机器人5的运动学方程计算工业机器人5相应末端位置的理论值P，并将采集的关节臂式测量机4相应末端位置设为Pc；
Step9、操作工业机器人5分别沿工业机器人5坐标系x、y和z方向移动采集若干点，利用记录的点拟合方向向量R；
Step10、旋转工业机器人5第一个关节，并采集若干点，利用软件拟合一个圆，拟合圆的轴线与机器人5安装平面的焦点即为工业机器人5原点在关节臂式测量机4坐标系下的位置T；
Step11、建立关节臂式测量机4与工业机器人5的坐标转换方程，计算工业机器人5末端位置真实值Pj＝R-1×(Pc-T)；
Step12、利用工业机器人5末端位置的理论值P和工业机器人5末端位置真实值Pj列出n个方程，方程以工业机器人5的结构参数为未知量；每个方程的形式为：
其中：Δxi、Δyi、Δzi为工业机器人5末端在x、y、z三个方向上的误差即真实值与理论值之间的差值。F表示工业机器人5运动学方程。a、d、α、θ为工业机器人5的DH参数。
Step13、联立n个方程，组成方程组，整理后得到：
AΔX＝b
其中，
ΔX＝(Δa1 … Δa6 Δd1 … Δd6 Δθ1 … Δθ6 Δα6 … Δα6)T；
b＝(ΔP1x ΔP1y ΔP1z ΔP2x ΔP2y ΔP2z … ΔPnx ΔPny ΔPnz)T；
Step14、求解方程组得到工业机器人5的结构参数误差ΔX＝(ATA)-1ATb；
Step15、将参数误差ΔX代入工业机器人5的运动学方程中，验证标定结果的有效性，完成机器人的标定。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种工业机器人的标定系统，其特征在于：包括计算机(1)、关节臂式测量机电缆(2)、工业机器人电缆(3)、关节臂式测量机(4)、工业机器人(5)、锥孔(7)和连接板(8)；
所述计算机(1)含有数据采集软件；其中工业机器人(5)通过工业机器人电缆(3)与计算机(1)连接通讯，关节臂式测量机(4)通过关节臂式测量机电缆(2)与计算机(1)连接通讯；通过计算机(1)控制数据采集软件采集工业机器人(5)的末端位置和和关节臂式测量机(4)的关节转角；连接板(8)通过螺栓Ⅰ(9)与需要标定的工业机器人(5)的第六个关节末端的法兰盘连接；锥孔(7)通过螺栓Ⅱ(10)与连接板(8)连接。
2.一种工业机器人的标定方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
Step1、上电，打开关节臂式测量机(4)和工业机器人(5)；
Step2、将工业机器人(5)与关节臂式测量机(4)回零；
Step3、让工业机器人(5)运动到任意位置，并牵引关节臂式测量机(4)，使测量机测头(6)与工业机器人(5)末端锥孔(7)贴合；
Step4、在计算机(1)上利用数据采集软件记录此时关节臂式测量机(4)的末端位置与工业机器人(5)的关节转角，设置此初始化计数变量i＝1；
Step5、判断是否完成了标定数据采集操作：
若尚未完成则转至步骤Step6；若已完成标定数据采集操作则转至步骤Step8；
Step6、继续让工业机器人(5)运动到任意位置，原则为：移动的位置尽量覆盖工业机器人(5)的工作空间；牵引关节臂式测量机(4)，使测量机测头(6)与工业机器人(5)末端锥孔(7)贴合；
Step7、在计算机(1)上利用数据采集软件记录此时关节臂式测量机(4)的末端位置与工业机器人(5)的关节转角；采集计数变量自增1：i＝i+1；
Step8、完成标定数据采集后，令n＝i；利用采集到的n组数据和工业机器人(5)的运动学方程计算工业机器人(5)相应末端位置的理论值P，并将采集的关节臂式测量机(4)相应末端位置设为Pc；
Step9、操作工业机器人(5)分别沿工业机器人(5)坐标系x、y和z方向移动采集若干点，利用记录的点拟合方向向量R；
Step10、旋转工业机器人(5)第一个关节，并采集若干点，利用软件拟合一个圆，拟合圆的轴线与机器人(5)安装平面的焦点即为工业机器人(5)原点在关节臂式测量机(4)坐标系下的位置T；
Step11、建立关节臂式测量机(4)与工业机器人(5)的坐标转换方程，计算工业机器人(5)末端位置真实值Pj＝R-1×(Pc-T)；
Step12、利用工业机器人(5)末端位置的理论值P和工业机器人(5)末端位置真实值Pj列出n个方程，方程以工业机器人(5)的结构参数为未知量；
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Step14、求解方程组得到工业机器人(5)的结构参数误差ΔX；
Step15、将参数误差ΔX代入工业机器人(5)的运动学方程中，验证标定结果的有效性，完成工业机器人(5)的标定。
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