CN107717993A - 一种高效便捷的简易机器人标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效便捷的简易机器人标定方法，涉及机器人零位标定领域；其包括如下步骤：1)安装完毕后始终保持测量工具尖点相对，手动示教机器人，记录N点对应的关节数据和关节轴数据；2)根据关节轴数据构造各轴齐次矩阵后顺次相乘得到整体齐次矩阵；3)给定基础数据，构造基于整体齐次矩阵的正运动齐次矩阵；4)将给定误差参数加上关节数据得到关节角度矩阵，将其代入正运动齐次矩阵寻优后得到误差，将其补偿到机器人零位完成标定；本发明解决了现有零位标定采用标定仪器和软件结合方法过程繁杂、成本高昂导致两者零位标定实用性差，从而导致机器人控制精度不高的问题，达到了纯软件实现零位标定，提高实用性从而实现精确控制的效果。
Description
技术领域
本发明涉及机器人零位标定领域，尤其是一种高效便捷的简易机器人标定方法。
背景技术
由于关节机器人各轴运动都是旋转运动，要使末端执行直线运动或者在某坐标系下运行特定轨迹，必须要进行旋转关节和直线运动的坐标转换；其中旋转运动转换为直线运动为机器人正运动学求解，直线运动转换为关节运动为机器人逆运动学求解；当控制算法设计完成，即可实时得到机器人当前关节下的末端值以及当前末端值下的关节值；如需要理论算法对实际本体进行控制，需要确保影响机器人末端位置正确度的三个参数，三个参数分别是连杆长度、旋转角度和控制器里虚拟机器人模型即控制算法和机器人本体的模型即实际本体算法匹配度；前两个参数可以在生产、加工环节保证，而控制器里虚拟机器人模型和机器人本体的模型匹配度需要使用标定仪器结合软件进行验证，但是标定仪器比如激光传感器等，一方面仪器测量不简便，另一方面标定仪器成本高，导致整个标定流程繁杂、实用性差，所以需要一种标定算法简便操作即可实现零位标定，通过得到实际本体关节位置和理论位置的差异值，补偿差异值，实现控制器用实际本体关节值对机械进行精确控制。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供了一种高效便捷的简易机器人标定方法，解决了现有零位标定采用标定仪器和软件结合方法过程繁杂、成本高昂导致零位标定的实用性和便利性差，从而导致机器人控制精度不高的问题，达到了纯软件实现零位标定，提高实用性从而实现精确控制的效果。
本发明采用的技术方案如下：
一种高效便捷的简易机器人标定方法，包括如下步骤：
步骤1：在机器人末端和固定点安装测量工具后，保持两个测量工具尖点相对状态手动示教机器人，记录机器人零位和不同姿态下N点对应的旋转角度、关节数据和关节轴数据；
步骤2：根据关节轴数据构造各轴齐次矩阵后将其顺次相乘得到保证N点在同一个大地坐标系的整体齐次矩阵；
步骤3：给定已知的基础数据，构造基于整体齐次矩阵的表征具体坐标和姿态的正运动齐次矩阵；
步骤4：将误差参数加上关节数据得到关节角度矩阵，将其代入正运动齐次矩阵寻优后得到误差，将其补偿到机器人零位完成标定。
优选地，所述基础数据包括机械各轴减速比和连杆参数。
优选地，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1：在机器人末端法兰安装测量工具一，在机器人运动范围内的固定点安装测量工具二；
步骤1.2：始终保持测量工具一的尖点和测量工具二的尖点相对，手动示教机器人，记录机器人零位和不同姿态下N点对应的旋转角度、关节数据和关节轴数据。
优选地，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：根据各轴的关节轴数据构造表示关节旋转相应角度后相对大地坐标系的各轴齐次矩阵；
步骤2.2：将各轴齐次矩阵顺次相乘得到保证N点在同一个大地坐标系的整体齐次矩阵。
优选地，所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：给定机器人的各轴减速比和连杆长度，基于旋转角度，将步骤2.1所得的各轴齐次矩阵在大地坐标系下的坐标位置具体化后得到表征具体坐标和姿态的姿态齐次矩阵；
步骤3.2：基于姿态齐次矩阵进行正运动算法得到表征具体坐标和姿态的正运动齐次矩阵。
优选地，所述步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：将关节数据和误差参数相加得到关节角度矩阵；
步骤4.2：将关节角度矩阵代入正运动齐次矩阵进行寻优得到误差；
步骤4.3：将误差补偿到机器零位完成标定。
优选地，所述测量工具一包括焊枪或者带尖头的夹具。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明通过采集关节数据，根据肉眼示教固定点得到关节轴等数据，运用数学算法构建符合条件的矩阵进行优化得到偏差值，将偏差值补偿到机器人零位完成标定，加上基础数据保证控制器算法和机器人本体算法重合，从而实现控制器用实际本体关节值对机械进行精确控制，大大简化了测量手段，加快测量效率，降低测量设备成本，解决了现有零位标定采用标定仪器和软件结合方法过程繁杂、成本高昂导致零位标定的实用性和便利性差，从而导致机器人控制精度不高的问题，达到了纯软件实现零位标定，降低成本、简化过程的同时实现精确控制的效果；
2.本发明通过机器人末端尖点与测量工具尖点始终保持相对，测量这种情况下各轴不同点的关节轴数据，在旋转角度、连杆长度已知的情况下进行数学算法下的优化求得误差，从而实现简易地零位标定，提高了本方法的便利性和实用性，避免现有零位标定采用机器和算法结合导致的成本高、过程繁杂的缺点；
3.本发明的测量工具包括焊枪和带尖头的夹具，测量简单，测量工具成本低，降低测量成本，进一步提高本方法的实用性和便利性；
4.本发明对任何机器人均适用，只需改变其中的轴数或者自由度和对应的变量，进一步提高本标定方法的实用性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的流程图；
图2是本发明安装测量示意图；
图3是本发明的机器人结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1-3对本发明作详细说明。
实施例1
一种高效便捷的简易机器人标定方法，包括如下步骤：
步骤1：在机器人末端和固定点安装测量工具后，保持两个测量工具尖点相对状态手动示教机器人，记录机器人零位和不同姿态下N点对应的旋转角度、关节数据和关节轴数据；
步骤1包括如下步骤：
步骤1.1：在机器人末端法兰安装测量工具一，在机器人运动范围内的固定点安装测量工具二；
步骤1.2：始终保持测量工具一的尖点和测量工具二的尖点相对，手动示教机器人，记录机器人零位和不同姿态下N点对应的旋转角度、关节数据和关节轴数据。
步骤2：根据关节轴数据构造各轴齐次矩阵后将其顺次相乘得到保证N点在同一个大地坐标系的整体齐次矩阵；
步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：根据各轴的关节轴数据构造表示关节旋转相应角度后相对大地坐标系的各轴齐次矩阵；
步骤2.2：将各轴齐次矩阵顺次相乘得到保证N点在同一个大地坐标系的整体齐次矩阵。
步骤3：给定已知的基础数据，构造基于整体齐次矩阵的表征具体坐标和姿态的正运动齐次矩阵；
步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：给定机器人的各轴减速比和连杆长度，基于旋转角度，将步骤2.1所得的各轴齐次矩阵在大地坐标系下的坐标位置具体化后得到表征具体坐标和姿态的姿态齐次矩阵；
步骤3.2：基于姿态齐次矩阵进行正运动算法得到表征具体坐标和姿态的正运动齐次矩阵。
步骤4：将误差参数加上关节数据得到关节角度矩阵，将其代入正运动齐次矩阵寻优后得到误差，将其补偿到机器人零位完成标定。
步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：将关节数据和误差参数相加得到关节角度矩阵；
步骤4.2：将关节角度矩阵代入正运动齐次矩阵进行寻优得到误差；
步骤4.3：将误差补偿到机器零位完成标定。
基础数据包括机械各轴减速比和连杆参数。
测量工具一包括焊枪或者带尖头的夹具。
实施例2
以自由度为六的机器人为例：
步骤1：在机器人末端法兰安装测量工具一，在机器人运动范围内的固定点安装测量工具二；始终保持测量工具一的尖点和测量工具二的尖点相对，手动示教机器人得到不同姿态下20个点对应的旋转角度θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6、关节数据和关节轴数据f(θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6)并记录零位值；
步骤2：构造各轴齐次矩阵，比如1轴 为的缩写，表示关节J1坐标系旋转θ1度后相对笛卡尔坐标系的齐次坐标系矩阵，其中[r11 r12 r13]表示坐标系x轴相对大地坐标系的向量，[r21 r22 r23]表示坐标系y轴相对大地坐标系的向量，[r31r32 r33]表示坐标系z轴相对大地坐标系的向量，[px py pz]表示坐标系原点相对大地坐标系的位置；将各轴齐次矩阵相乘得到保证N点相对同一个大地坐标系的整体齐次矩阵
步骤3：根据6自由度的机器人的D-H模型得到表征具体坐标和姿态的正运动齐次矩阵；其中C1表示Cos(θ1)，S1表示Sin(θ1)，同理有 其中a2表示关节J1与J2的连杆长度，a3表示关节J2与J3的连杆长度，a4表示关节J3与J4的连杆长度，见图3，图中虚线表示各轴的旋转中心线，比如关节5旋转中心线呈纵向，关节4旋转中心线呈横向，关节5与4之间无连杆长度；关节3旋转中心线呈横向，关节4与3之间的旋转中心线平行连杆长度为a4；利用结合关系得到三角函数关系式：
因此得到正运动齐次矩阵
步骤4：给定误差参数[ε1ε2ε3ε4ε5ε6]加上关节数据得到关节角度矩阵将其代入正运动齐次矩阵得到方程：寻优即(六维空间曲线在各个关节范围内找到特定区间内的最小值，既能满足目标点最小，也满足20次测量一致性的结果即为方程的解)，优化得到最优值后求出未知变量-误差，将误差补偿到机器人零位完成标定。简单来说：比如机器人零位是(0 90 0，0 90 0)，通过优化得到的误差为(1 1 1，0 0 0)，完成标定的零位是(1 91 1，0 90 0)，再未知机器人的实际零位的情况下通过算法得到机器人零位的实际值完成标定；通过简单的采集关节数据，仅仅根据肉眼示教固定点，运用单纯的数学算法即可得到空间六自由度的零点偏差值，经过补偿能够恢复机器人大地坐标系的线性精度；加上基础数据保证控制器算法和机器人本体算法重合，从而实现控制器用实际本体关节值对机械进行精确控制，大大简化了测量手段，加快测量效率，降低测量设备成本，解决了现有零位标定采用标定仪器和软件结合方法过程繁杂、成本高昂导致零位标定的实用性和便利性差，从而导致机器人控制精度不高的问题，达到了纯软件实现零位标定，降低成本、简化过程的同时实现精确控制的效果。
Claims (7)
1.一种高效便捷的简易机器人标定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：在机器人末端和固定点安装测量工具后，保持两个测量工具尖点相对状态手动示教机器人，记录机器人零位和不同姿态下N点对应的旋转角度、关节数据和关节轴数据；
步骤2：根据关节轴数据构造各轴齐次矩阵后将其顺次相乘得到保证N点在同一个大地坐标系的整体齐次矩阵；
步骤3：给定已知的基础数据，构造基于整体齐次矩阵的表征具体坐标和姿态的正运动齐次矩阵；
步骤4：将误差参数加上关节数据得到关节角度矩阵，将其代入正运动齐次矩阵寻优后得到误差，将其补偿到机器人零位完成标定。
2.根据权利要求1所述的一种高效便捷的简易机器人标定方法，其特征在于：所述基础数据包括机械各轴减速比和连杆参数。
3.根据权利要求2所述的一种高效便捷的简易机器人标定方法，其特征在于：所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1：在机器人末端法兰安装测量工具一，在机器人运动范围内的固定点安装测量工具二；
步骤1.2：始终保持测量工具一的尖点和测量工具二的尖点相对，手动示教机器人，记录机器人零位和不同姿态下N点对应的旋转角度、关节数据和关节轴数据。
4.根据权利要求3所述的一种高效便捷的简易机器人标定方法，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：根据各轴的关节轴数据构造表示关节旋转相应角度后相对大地坐标系的各轴齐次矩阵；
步骤2.2：将各轴齐次矩阵顺次相乘得到保证N点在同一个大地坐标系的整体齐次矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种高效便捷的简易机器人标定方法，其特征在于：所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：给定机器人的各轴减速比和连杆长度，基于旋转角度，将步骤2.1所得的各轴齐次矩阵在大地坐标系下的坐标位置具体化后得到表征具体坐标和姿态的姿态齐次矩阵；
步骤3.2：基于姿态齐次矩阵进行正运动算法得到表征具体坐标和姿态的正运动齐次矩阵。
6.根据权利要求5所述的一种高效便捷的简易机器人标定方法，其特征在于：所述步骤4包括如下步骤：
步骤4.1：将关节数据和误差参数相加得到关节角度矩阵；
步骤4.2：将关节角度矩阵代入正运动齐次矩阵进行寻优得到误差；
步骤4.3：将误差补偿到机器零位完成标定。
7.根据权利要求3所述的一种高效便捷的简易机器人标定方法，其特征在于：所述测量工具一包括焊枪或者带尖头的夹具。
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