CN107421442B - 一种外部测量辅助的机器人定位误差在线补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外部测量辅助的机器人定位误差在线补偿方法，包括步骤：采用激光跟踪仪作为测量仪器，将激光跟踪仪的反射球固定在机器人末端执行器的刀具末端；分别建立机器人末端执行器坐标系及激光跟踪仪坐标系；初始化，利用机器人控制系统中任意设定的三个基准点的坐标计算机器人末端执行器坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵；实时测量，检测任一位置时机器人末端执行器的位置误差并计算补偿向量；同步控制，在线补偿误差。采用本方法通过激光跟踪仪直接测量末端执行器的三维位置信息，进而对其定位信息进行补偿。

Description

一种外部测量辅助的机器人定位误差在线补偿方法

技术领域

本发明涉及机器人，尤其涉及制造装备的定位误差补偿方法，利用外部测量仪器实现机器人末端执行器定位误差在线补偿。

背景技术

几何精度是工业机器人的重要性能指标，机器人出厂前或安装调试阶级，制造商可以提供标定服务保障机器人精度。然而，在使用过程中受到负载、重力、热效应、机械间隙、以及加工过程中的振颤等因素影响，机器人末端执行器精度逐渐降低，无法满足加工精度要求。将机器人返厂标定或请生产商现场标定，无疑会增加生产成本。因此通常采用以误差补偿的方式来提高机器人的末端精度。

当前主要有两类补偿方法：一类是离线方式，即在机器人使用之前通过标定或者建立误差补偿映射模型提高精度，这类方式建立的标定或补偿模型提前做好(通常是几个月之前)，现场使用时无法改变；另一类是在线方式，即在机器人使用过程中监控误差，并实时对误差进行补偿。后一类在线对末端刀具位置进行补偿的方式显然比前一类方式的刀具定位精度高。

在线补偿的研究多数面向最小化(或补偿)导致末端刀具定位误差的各种内部机构参数和外部环境误差源。为了补偿所有可能的误差源，如几何误差、运动学误差、热误差、切削力误差等，不仅需要针对各种误差源建立对应的补偿模型，而且需要在机构内部或外部设置大量传感器监控实时状态，如温度传感器、压力传感器、激光干涉仪等。这些复杂的监控装置必然造成安装调试的耗时以及传感器之间的位置和信号干扰。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种简单有效的、便于工业现场应用的机器人定位误差在线补偿方法，该方法通过激光跟踪仪直接测量末端执行器的三维位置信息，进而对其定位信息进行补偿。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

本发明的一种外部测量辅助的机器人定位误差在线补偿方法，包括以下步骤：

(1)采用激光跟踪仪作为测量仪器，将激光跟踪仪的反射球固定在机器人末端执行器的刀具末端；

(2)分别建立机器人末端执行器坐标系及激光跟踪仪坐标系；

(3)初始化，利用机器人控制系统中任意设定的三个基准点的坐标计算机器人末端执行器坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵；

(4)实时测量，检测任一位置时机器人末端执行器的位置误差并计算补偿向量，步骤如下：

(a)机器人控制器读取输入点位运动信息G代码并根据输入点位运动信息控制机器人末端运动到理论位置P_C；

(b)激光跟踪仪实时测量机器人末端运动到输入点的位置信息为P_L；

(c)在激光跟踪仪坐标系下计算机器人末端运动位置误差，具体过程为：利用初始化时得到的末端执行器坐标系和激光跟踪仪坐标系间变换关系，将在机器人末端执行器坐标系下的末端运动点的理论位置P_C变换到激光跟踪仪坐标系下，并与该末端运动点的实际位置P_L比较，计算得到机器人末端运动位置误差Δ_L，如果误差大于提前设定的阈值，则记录误差值作为补偿向量，Δ_L＝P_L-(R×P_C+t)，式中R为机器人末端执行器坐标系到跟踪仪坐标系变换的旋转矩阵，t为机器人末端执行器坐标系到激光跟踪仪坐标系变换的平移向量；

(d)在机器人末端执行器坐标系下补偿机器人末端运动位置误差，具体过程为：利用初始化所得的机器人末端执行器与激光跟踪仪之间的空间姿态变换关系的逆矩阵,将所得补偿向量变换回机器人末端执行器坐标系下，表示为Δ_C，并补偿给机器人末端执行器的理论位置，得到该末端运动点补偿后的实际位置P′_C，P′_C＝P_C+Δ_C，其中Δ_C＝R^-1×Δ_L。

(5)同步控制，在线补偿误差，控制流程如下：

(a)在机器人控制器内的实轴上，将末端运动点位的理想位置带入运动学逆解模型，求解实轴的转动参数；

(b)在机器人控制器内建立设定一个虚拟存储，作为与实轴同步的虚拟轴，将补偿向量Δ_C带入运动学逆解模型，求解虚拟轴的转动参数；

(c)机器人控制器执行同步运动命令，然后将虚拟轴的运动叠加到实轴上，作为运动控制的实际输入变量，完成在线补偿。

(6)检测机器人在工作空间内的末端执行器位置误差，若不满足机器人精度需求，则重复步骤(1)至步骤(5)，直至精度满足需求。

本发明的有益效果是简单有效、便于工业现场应用，该方法通过激光跟踪仪直接测量末端执行器的三维位置信息，进而对其定位信息进行补偿。因为末端执行器从测量系统得到的是绝对位置信息，所以末端执行器的定位精度是被一种可追溯的测量设备控制。

附图说明

图1是一台五自由度混联机器人的结构示意图；

图2是利用激光跟踪仪测量机器人末端位置误差示意图；

图3是本发明的在线补偿控制流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

下面结合公开号为CN104985596A的中国专利公开的一种含转动支架的五自由度混联机器人详细说明本发明的定位误差在线补偿方法。

本发明的一种外部测量辅助的机器人定位误差在线补偿方法，包括以下步骤：

(1)采用激光跟踪仪作为测量仪器，将激光跟踪仪的反射球固定在机器人末端执行器的刀具末端；

(2)分别建立机器人末端执行器坐标系及激光跟踪仪坐标系；

所述的激光跟踪仪坐标系为设备内置坐标系；

所述的机器人末端执行器坐标系建立包括以下步骤：

在机器人控制系统中任意设定三个基准点,三个基准点的坐标分别为：P₁＝(x₁,0,0)^T，P₂＝(0,0,0)^T，P₃＝(0,y₃,0)^T，则末端执行器坐标系以P₂为原点，向量V_x＝P₁-P₂的方向为X轴方向，向量V_y＝P₃-P₂的方向为Y轴方向，向量的方向为Z轴方向。

(3)初始化，利用机器人控制系统中设定的任意三个基准点的坐标计算机器人末端执行器坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵，矩阵公式为：[R t]，其中R为旋转矩阵，t为平移向量；其中矩阵公式中的平移向量t和旋转矩阵R的计算方法如下：

(a)控制机器人末端刀尖点分别运行到设定的三个基准点，并用激光跟踪仪测量每个基准点在跟踪仪坐标系下的位置，分别得到设定的三个基准点在激光跟踪仪坐标系下对应的点位信息为L₁，L₂，L₃；

(b)计算平移向量：机器人末端执行器坐标系原点P₂在激光跟踪仪坐标系下的坐标L₂为机器人末端执行器坐标系到激光跟踪仪坐标系变换的平移向量t；

(c)计算旋转矩阵：首先，基于设定的三个基准点在激光跟踪仪坐标系下的点位信息计算三个坐标轴在激光跟踪仪坐标系下的方向向量；

其中，N_x表示X轴的方向向量，N_y表示Y轴的方向向量，N_z表示Z轴的方向向量。

然后，根据3个方向向量计算末端执行器坐标系和激光跟踪仪坐标系间坐标轴的欧拉角(θ_x,θ_y,θ_z)，定义表示向量N_m的第i个分量，其中m＝{x,y,z}，i＝{1,2,3}，则

其中，Atan2表示反正切函数，sin^-1表示反正弦函数；

最后，计算机器人末端执行器坐标系到跟踪仪坐标系变换的旋转矩阵R；

(4)实时测量，检测任一位置时机器人末端执行器的位置误差并计算补偿向量，步骤如下：

(a)机器人控制器读取输入点位运动信息G代码并根据输入点位运动信息控制机器人末端运动到理论位置P_C；

(b)激光跟踪仪实时测量机器人末端运动到输入点的位置信息为P_L；

(c)在激光跟踪仪坐标系下计算机器人末端运动位置误差，具体过程为：利用初始化时得到的末端执行器坐标系和激光跟踪仪坐标系间变换关系，将在机器人末端执行器坐标系下的末端运动点的理论位置P_C变换到激光跟踪仪坐标系下，并与该末端运动点的实际位置P_L比较，计算得到机器人末端运动位置误差Δ_L，Δ_L＝P_L-(R×P_C+t)，如果误差大于提前设定的阈值，则记录误差值作为补偿向量；

(d)在机器人末端执行器坐标系下补偿机器人末端运动位置误差，具体过程为：利用初始化所得的机器人末端执行器与激光跟踪仪之间的空间姿态变换关系的逆矩阵,将所得补偿向量变换回机器人末端执行器坐标系下，表示为Δ_C，并补偿给机器人末端执行器的理论位置，得到该末端运动点补偿后的实际位置P′_C，P′_C＝P_C+Δ_C，其中Δ_C＝R^-1×Δ_L。

(5)同步控制，在线补偿误差，控制流程如下：

(a)在机器人控制器内的实轴上，将末端运动点位的理想位置带入运动学逆解模型，求解实轴的转动参数；

(b)在机器人控制器内建立设定一个虚拟存储，作为与实轴同步的虚拟轴，将补偿向量Δ_C带入运动学逆解模型，求解虚拟轴的转动参数；

(c)机器人控制器执行同步运动命令，然后将虚拟轴的运动叠加到实轴上，作为运动控制的实际输入变量，完成在线补偿。

(6)检测机器人在工作空间内的末端执行器位置误差，若不满足机器人精度需求，则重复步骤(1)至步骤(5)，直至精度满足需求。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种外部测量辅助的机器人定位误差在线补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)采用激光跟踪仪作为测量仪器，将激光跟踪仪的反射球固定在机器人末端执行器的刀具末端；

(2)分别建立机器人末端执行器坐标系及激光跟踪仪坐标系；

(3)初始化，利用机器人控制系统中任意设定的三个基准点的坐标计算机器人末端执行器坐标系到激光跟踪仪坐标系的变换矩阵；

(4)实时测量，检测任一位置时机器人末端执行器的位置误差并计算补偿向量，步骤如下：

(a)机器人控制器读取输入点位运动信息G代码并根据输入点位运动信息控制机器人末端运动到理论位置P_C；

(b)激光跟踪仪实时测量机器人末端运动到输入点的位置信息为P_L；

(c)在激光跟踪仪坐标系下计算机器人末端运动位置误差，具体过程为：利用初始化时得到的末端执行器坐标系和激光跟踪仪坐标系间变换关系，将在机器人末端执行器坐标系下的末端运动点的理论位置P_C变换到激光跟踪仪坐标系下，并与该末端运动点的实际位置P_L比较，计算得到机器人末端运动位置误差Δ_L，如果误差大于提前设定的阈值，则记录误差值作为补偿向量，Δ_L＝P_L-(R×P_C+t)，式中R为机器人末端执行器坐标系到跟踪仪坐

标系变换的旋转矩阵，t为机器人末端执行器坐标系到激光跟踪仪坐标系变换的平移向量；

(d)在机器人末端执行器坐标系下补偿机器人末端运动位置误差，具体过程为：利用初始化所得的机器人末端执行器与激光跟踪仪之间的空间姿态变换关系的逆矩阵,将所得补偿向量变换回机器人末端执行器坐标系下，表示为Δ_C，并补偿给机器人末端执行器的理论位置，得到该末端运动点补偿后的实际位置P′_C，P′_C＝P_C+Δ_C，其中Δ_C＝R^-1×Δ_L。

(5)同步控制，在线补偿误差，控制流程如下：

(a)在机器人控制器内的实轴上，将末端运动点位的理想位置带入运动学逆解模型，求解实轴的转动参数；

(b)在机器人控制器内建立设定一个虚拟存储，作为与实轴同步的虚拟轴，将补偿向量Δ_C带入运动学逆解模型，求解虚拟轴的转动参数；

(c)机器人控制器执行同步运动命令，然后将虚拟轴的运动叠加到实轴上，作为运动控制的实际输入变量，完成在线补偿；

(6)检测机器人在工作空间内的末端执行器位置误差，若不满足机器人精度需求，则重复步骤(1)至步骤(5)，直至精度满足需求。