CN107340788A - 基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法，包括以下步骤：(1)在工业机器人基座附近安装固定视觉传感器；(2)在机器人冷态下，通过示教编程，示教并保存一条机器人温度补偿轨迹；(3)冷态下机器人自动运行温度补偿轨迹，并保存校准点冷态坐标；(4)热态下机器人再次运行补偿轨迹，并保存校准点热态坐标；(5)解算温度效应引起的机器人运动学模型参数误差；(6)更新机器人运动学模型参数，并解算机器人工作轨迹中各关节旋转角修正值；(7)机器人进入下一个工作循环，重复步骤(4)至步骤(6)；本方法能够修正温度引起的机器人运动轨迹变化，真正实现机器人温度误差补偿的效果。

Description

基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，特别涉及一种基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法。

背景技术

工业机器人是现代制造的重要组成部分，随着现代制造精度的提升，对工业机器人运动精度要求也越来越高。而工业机器人在连续高速运动过程中会产生非常明显的温度误差，即机器人经过一段时间连续的高速运动之后，机器人末端TCP(Tool Center Point，工具末端中心点)会产生非常明显的位置漂移。以臂展为3m的工业机器人为例，以100％速度连续运动1小时后，对于同一个目标点，机器人末端TCP达到的位置变化最大可达0.5mm，即机器人运动轨迹将存在较大的位置或姿态误差。

机器人温度误差是由于机械臂温度变化引起杆件和关节膨胀变形，使模型参数改变从而导致定位误差增大，它既与机器人所处姿态有关又与温度变化有关。温度变化主要包括两个方面：一方面，机器人自身的往复运动会主动发热，如电机散热、齿轮和驱动带等机械构件相对运动摩擦生热；另一方面，环境温度的变化也会影响到机器人自身的热平衡状态，如四季交替带来的气候温差等。

机器人温度误差是一种动态产生的误差，与机器人自身的热效应有关，在未到达热平衡状态之前是不断变化的。环境温度变化或机器人在连续高速运动过程中自身热胀冷缩，引起机器人内部结构参数发生变化，最终反应到机器人末端发生位置变化。由于机器人是多关节串联铰接结构，内部结构极其复杂，温度变化对其内部结构的作用机理及影响过程也非常复杂，最终反应到机器人末端TCP上的位置漂移的方向及大小也是不确定的。因此，机器人温度误差在线实时补偿对于保证机器人运动轨迹精度、提高机器人工作轨迹稳定性，进一步拓宽工业机器人在高端精密制造行业中的应用具有重要的意义。

现有的在线动态温度误差补偿技术是通过在工业机器人基座附近安装温度较准球，同时机器人工作工程中带动末端视觉传感器对温度较准球上的基准孔进行测量。该方法可以计算出机器人温度误差，并根据这个温度误差对机器人测量特征的测量值进行补偿，即本方法只是对机器人的测量特征的测量值进行误差修正，并没有真正去补偿机器人温度误差导致的机器人末端TCP位置漂移，机器人运动轨迹仍然存在误差。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提出了一种基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法，可以解决由于环境温度变化或机器人连续高速运动中自身产热导致的机器人运动轨迹发生偏差的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法，包括以下步骤：

(1)在工业机器人基座附近安装视觉传感器，满足传感器工作距离及测量景深，即传感器安装高度要满足传感器内相机的工作范围将覆盖温度补偿过程中机器人TCP运动范围；

(2)在机器人冷态下，示教一条机器人温度补偿轨迹，并在机器人控制器中记录该轨迹，补偿轨迹包括较准测量点和轨迹过渡点，较准测量点是指机器人运动至该位置时，视觉传感器可以对机器人末端TCP进行清晰的成像并实现对TCP点的定位测量，部分较准测量点之间通过轨迹过渡点衔接；

(3)冷态下机器人运行补偿轨迹，保存校准点冷态坐标，机器人运行温度补偿轨迹时，运动至校准测量点机器人控制器的IO端口会向触发视觉传感器输出一个电平信号，视觉传感器收到该电平信号后通过视觉测量模型对末端工具TCP点进行测量，运动至轨迹过渡点时，不触发传感器进行测量；

(4)控制工业机器人在冷态下以慢速运行温度补偿轨迹，在轨迹中的校准测量点处触发视觉传感器对工具末端TCP点进行测量，并保存各个位置处末端TCP点在视觉传感器坐标系下的坐标，记为冷态坐标Psc_i；

(5)解算温度误差引起的机器人运动学模型参数误差

机器人每完成一个工作循环后，都以正常运动速度运行一遍温度补偿轨迹，并保存各个位置处末端TCP点在视觉传感器坐标系下的坐标，记为热态坐标Psw_i；

冷态下，机器人运动学模型参数X为理论值，机器人在第i个较准测量点处各关节的旋转角度为θ，则机器人末端TCP在机器人基坐标系下的坐标为：

Pbc_i＝T(X,θ)×TCP

其中T(X,θ)为机器人运动学模型，TCP为机器人末端TCP点的理论坐标；

热态下，机器人运动学模型X参数为X+ΔX，机器人同样以关节旋转角θ运动至第i个较准测量点，则该轨迹点处末端TCP在机器人基坐标系下的坐标为：

Pbw_i＝T(X+ΔX,θ)×TCP；

(6)更新机器人运动学模型参数，并修正机器人工作轨迹中各关节旋转角：

根据步骤(5)解算出的机器人运动学模型参数实际值，将机器人运动轨迹的末端点调整至冷台下的位置T(X+ΔX,θ+Δθ)，即

T(X+ΔX,θ+Δθ)＝T(X,θ)；

(7)机器人进入下一个工作循环，机器人以(θ+Δθ)关节旋转角进行运动，重复步骤(4)至步骤(6)。

作为优选，上述步骤(1)中安装的固定视觉传感器为双目立体视觉传感器，包括传感器安装支架、两个相机及照明光源，传感器安装支架为工字型，传感器安装支架的下端固定在工业机器人基座附近，满足传感器工作距离及测量景深的要求；传感器安装支架的顶部两端各安装一个相机，传感器安装支架的顶部中点处安装有照明光源。

作为优选，上述步骤(2)中所述的轨迹包含5～20个较准测量点。

作为优选，上述步骤(4)中的冷态是指工业机器人停止运行2个小时后。

作为优选，上述步骤(4)中的单个较准测量点处的测量过程如下：

a.机器人运行至某一校准测量点；

b.触发视觉传感器光源点亮；

c.视觉传感器左右相机同时对末端TCP进行拍照；

d.进行图像处理，提取TCP点在左右图像中的像素坐标；

e.建立双目立体视觉模型，即：解算TCP点在视觉传感器坐标系下的三维坐标；

f.传感器光源关闭，机器人运行至下一点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的方法适用于工业生产中从事一般工作的工业机器人，既可以保证机器人工作轨迹的重复定位精度，也可以使工业机器人满足高端精密制造中的精度要求；对从事一般工作的工业机器人进行温度补偿，修正环境温度变化或机器人自身热胀冷缩引起的机器人运动轨迹变化，真正实现机器人温度误差补偿的效果；本方法系统结构简单，机器人轨迹调试工作量较小，较准过程简单方便。

附图说明

图1是工业机器人及视觉传感器的位置关系图；

图2是本发明中双目视觉传感器的结构示意图；

图3是本发明中以左右相机建立的坐标系示意图；

图4是本发明所公开的温度补偿方法的流程图；

图5是本发明所公开的温度补偿方法的步骤(4)的流程图；

图6是本发明中一条补偿轨迹的坐标示意图。

1-机器人基座；2-工业机器人；3-工具；4-底座；5-左相机；6-右相机；7-支撑柱；8-横梁；9-照明光源；10-加强筋。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图与具体实施例对本发明作详细说明。

本实施例公开一种基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法，该温度补偿方法是通过双目立体视觉传感器来实现测量定位机器人末端TCP点的：

如图1所示，在满足传感器工作距离及测量景深的前提下，在机器人基座1的附近安装双目立体视觉传感器，机器人基座1的顶部中央为工业机器人2，工业机器人2的末端连接工具3；以机器人基座1的底部中心点建立坐标系。

如图2所示，双目立体视觉传感器包括两个相机、照明光源9和传感器支架，传感器支架包括底座4、支撑柱7、横梁8和加强筋10，底座4的顶部中央垂直焊接支撑柱7，支撑柱7的顶部与横梁8的底部中心处焊接，为了提高支撑柱7的稳定性，在支撑柱7的中部偏下处焊接两个加强筋10，加强筋10的另一端焊接在底座4上；横梁8的两端处分别安装左相机5和右相机6，左相机5和右相机6都向横梁8的上方中垂线方向倾斜，左相机5和右相机6与横梁的夹角为60°，横梁8的顶部中心处安装有照明光源9，分别以左相机5和右相机6的镜头中心点为原点，建立三维坐标系。

如图3所示，O-x_ly_lz_l为左相机坐标系，O-x_ry_rz_r为右相机坐标系，以左相机坐标系作为传感器测量坐标系，即视觉传感器测量对空间点测量结果为该点在左相机坐标系O-x_ly_lz_l下的三维坐标。机器人末端TCP点运动至双目视觉传感器的测量范围内，如图3中P点所示，左右相机同时对该点进行拍照。经过图像处理，可以提取该点在左相机图像平面I_l上的像素坐标为p_l＝(u_l,v_l)，及在右相机图像平面I_r上的像素坐标为p_r＝(u_r,v_r)，结合左右相机的相机镜头焦距，相机CCD像元尺寸，相机镜头畸变参数及右相机坐标系到左相机坐标系之间的转换关系，两个坐标系之间的转换关系就是一个表示两个坐标系之间位置和方向关系的4*4矩阵，可以计算出该点在传感器坐标系下的三维坐标P＝(X_s,Y_s,Z_s)。

如图4所示，本实施例公开一种基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法，包括如下步骤：

(1)在工业机器人基座附近安装固定视觉传感器；

(2)在机器人冷态下，示教机器人运行补偿轨迹；

(3)冷态下机器人运行补偿轨迹，保存校准点冷态坐标；

(4)热态下机器人再次运行补偿轨迹，保存校准点热态坐标；

(5)解算温度效应引起的机器人运动学模型参数误差；

(6)更新机器人运动学模型参数，并解算机器人工作轨迹中各关节旋转角修正值；

(7)机器人进入下一个工作循环，重复步骤(4)至步骤(6)；

具体的步骤如下：

(1)在工业机器人基座附近安装视觉传感器，满足传感器工作距离及测量景深的要求，即传感器安装高度要满足传感器内相机的工作范围将覆盖温度补偿过程中机器人TCP运动范围；；

(2)在机器人冷态下，示教一条机器人温度补偿轨迹，并在机器人控制器中记录该轨迹，补偿轨迹包括较准测量点和轨迹过渡点，较准测量点是指机器人运动至该位置时，视觉传感器可以对机器人末端TCP进行清晰的成像并实现对TCP点的定位测量，部分较准测量点之间通过轨迹过渡点衔接；

(3)冷态下机器人运行补偿轨迹，保存校准点冷态坐标，机器人运行温度补偿轨迹时，运动至校准测量点机器人控制器的IO端口会向触发视觉传感器输出一个电平信号，视觉传感器收到该电平信号后通过视觉测量模型对末端工具TCP点进行测量，运动至轨迹过渡点时，不触发传感器进行测量；

(4)控制工业机器人在冷态下以慢速运行温度补偿轨迹，在轨迹中的校准测量点处触发视觉传感器对工具末端TCP点进行测量，并保存各个位置处末端TCP点在视觉传感器坐标系下的坐标，记为冷态坐标Psc_i；

(5)解算温度误差引起的机器人运动学模型参数误差

机器人每完成一个工作循环后，都以正常运动速度运行一遍温度补偿轨迹，并保存各个位置处末端TCP点在视觉传感器坐标系下的坐标，记为热态坐标Psw_i；

冷态下，机器人运动学模型参数X为理论值，机器人在第i个较准测量点处各关节的旋转角度为θ，则机器人末端TCP在机器人基坐标系下的坐标为：

Pbc_i＝T(X,θ)×TCP

其中T(X,θ)为机器人运动学模型，TCP为机器人末端TCP点的理论坐标；

热态下，机器人运动学模型X参数为X+ΔX，机器人同样以关节旋转角θ运动至第i个较准测量点，则该轨迹点处末端TCP在机器人基坐标系下的坐标为：

Pbw_i＝T(X+ΔX,θ)×TCP；

(6)更新机器人运动学模型参数，并修正机器人工作轨迹中各关节旋转角：

根据步骤(5)解算出的机器人运动学模型参数实际值，将机器人运动轨迹的末端点调整至冷台下的位置T(X+ΔX,θ+Δθ)，即

T(X+ΔX,θ+Δθ)＝T(X,θ)；

(7)机器人进入下一个工作循环，机器人以(θ+Δθ)关节旋转角进行运动，重复步骤(4)至步骤(6)。

如图5所示，步骤(4)中的单个较准测量点处的测量过程如下：

a.机器人运行至某一校准测量点；

b.触发视觉传感器光源点亮；

c.视觉传感器左右相机同时对末端TCP进行拍照；

d.进行图像处理，提取TCP点在左右图像中的像素坐标；

e.建立双目立体视觉模型，即：解算TCP点在视觉传感器坐标系下的三维坐标；

f.传感器光源关闭，机器人运行至下一点。

如图6所示，图中为一条补偿轨迹的坐标示意图，其中，实心圆为校准测量点，空心圆为过渡点，为了保证机器人运动的柔顺性并防止机器人与传感器碰撞，部分校准测量点之间通过过渡点连接。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在工业机器人基座附近安装视觉传感器，满足传感器工作距离及测量景深，即传感器安装高度要满足传感器内相机的工作范围将覆盖温度补偿过程中机器人TCP的运动范围；

(2)在机器人冷态下，示教一条机器人温度补偿轨迹，补偿轨迹包括较准测量点和轨迹过渡点，较准测量点是指机器人运动至该位置时，视觉传感器可以对机器人末端TCP进行清晰的成像并实现对TCP点的定位测量，部分较准测量点之间通过轨迹过渡点衔接；

(3)冷态下机器人运行补偿轨迹，保存校准点冷态坐标，机器人运行温度补偿轨迹时，运动至校准测量点机器人控制器的IO端口会向触发视觉传感器输出一个电平信号，视觉传感器收到该电平信号后通过视觉测量模型对末端工具TCP点进行测量，运动至轨迹过渡点时，不触发传感器进行测量；

(4)控制工业机器人在冷态下以慢速运行温度补偿轨迹，在轨迹中的校准测量点处触发视觉传感器对工具末端TCP点进行测量，并保存各个位置处末端TCP点在视觉传感器坐标系下的坐标，记为冷态坐标Psc_i；

(5)解算温度误差引起的机器人运动学模型参数误差

机器人每完成一个工作循环后，都以正常运动速度运行一遍温度补偿轨迹，并保存各个位置处末端TCP点在视觉传感器坐标系下的坐标，记为热态坐标Psw_i；

冷态下，机器人运动学模型参数X为理论值，机器人在第i个较准测量点处各关节的旋转角度为θ，则机器人末端TCP在机器人基坐标系下的坐标为：

Pbc_i＝T(X,θ)×TCP

其中T(X,θ)为机器人运动学模型，TCP为机器人末端TCP点的理论坐标；

热态下，机器人运动学模型X参数为X+ΔX，机器人同样以关节旋转角θ运动至第i个较准测量点，则该轨迹点处末端TCP在机器人基坐标系下的坐标为：

Pbw_i＝T(X+ΔX,θ)×TCP；

(6)更新机器人运动学模型参数，并解算机器人工作轨迹中各关节旋转角修正值：

根据步骤(5)解算出的机器人运动学模型参数实际值，将机器人运动轨迹的末端点调整至冷态下的位置T(X+ΔX,θ+Δθ)，即

T(X+ΔX,θ+Δθ)＝T(X,θ)；

(7)机器人进入下一个工作循环，机器人以(θ+Δθ)关节旋转角进行运动，重复步骤(4)至步骤(6)。

2.根据权利要求1所述的基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法，其特征在于，所述步骤(1)至步骤(5)任一步骤中所述的视觉传感器为双目立体视觉传感器，包括传感器安装支架、两个相机及照明光源，传感器安装支架为工字型，传感器安装支架的下端固定在工业机器人基座附近，满足传感器工作距离及测量景深；传感器安装支架的顶部两端各安装一个相机，传感器安装支架的顶部中点处安装有照明光源。

3.根据权利要求1所述的基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述的轨迹包含5～20个较准测量点。

4.根据权利要求1所述的基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法，其特征在于，所述步骤(4)中的冷态是指工业机器人停止运行2个小时后。

5.根据权利要求1所述的基于视觉传感器的工业机器人现场实时温度补偿方法，其特征在于，所述步骤(4)中的单个较准测量点处的测量过程如下：

a.机器人运行至某一校准测量点；

b.触发视觉传感器光源点亮；

c.视觉传感器左右相机同时对末端TCP进行拍照；

d.进行图像处理，提取TCP点在左右图像中的像素坐标；

e.建立双目立体视觉模型，即：解算TCP点在视觉传感器坐标系下的三维坐标；

f.传感器光源关闭，机器人运行至下一点。