CN107796276A - 一种估算工业机器人绝对定位精度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种估算工业机器人绝对定位精度的装置，包括固定在机器人工作空间中的某一个位置的标准工件以及标准工具，所述标准工件包括工件尖点，所述标准工具包括安装在机器人末端法兰盘上的工具底座以及与工具底座为一体成型结构的工具尖点，通过机器人示教器来示教机器人使工具尖点能以不同的姿态与标准工件的工件尖点接触，并获取工具尖点在机器人基坐标系下的位置坐标，通过不断获取的位置坐标值来实现对机器人的绝对定位精度的估算，所述装置结构简单，操作简单，操作人员能够快速完成工业机器人绝对定位精度的估算，并且成本低，适用于各大厂家，能够对不同厂家不同型号的机器人进行个性化定制。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人应用技术领域，尤其是涉及一种估算工业机器人绝对定位精度的装置及方法。
背景技术
工业机器人广泛应用于装配、搬运、焊接、喷涂、激光切割等复杂作业中，一方面可以提高工作质量和效率，另一方面可以对人体安全起保障作用，同时，工业机器人对加工环境的改善以及生产成本的降低也有着重要的意义。随着工业机器人作业方式的多样化和复杂化，工业领域对机器人的精度要求变得越来越高。机器人的精度主要包括重复定位精度和绝对定位精度，重复定位精度是指对同一指令位姿从同一方向重复若干次之后实到位置的一致性程度，绝对定位精度是指机器人末端执行器上某一点的指令位置与实到位置集群的重心之差。在装配、搬运等作业中，机器人在示教模式作业时，对机器人的重复定位精度要求较高；而在焊接、喷涂或激光切割等作业中，机器人采用离线编程生成的自动轨迹作业时，对机器人的绝对定位精度要求会较高。目前，机器人厂家在机器人出厂时能够保证很高的重复定位精度，该重复定位精度已到达0.1mm量级，但却无法保证很高的绝对定位精度，大部分机器人的绝对定位精度只在cm量级。
目前国内外对机器人绝对定位精度估算的方法主是激光跟踪仪法，由于激光跟踪仪具有精度高、结构精巧的特点，在机器人精度估算和标定中得到很多应用，例如德国徕卡公司的AT-901激光跟踪仪精度在0.011mm左右。采用激光跟踪仪进行测量，虽然测量精度高，但是目前激光跟踪仪价格很昂贵，不具有普适性，并且激光跟踪仪法对操作人员的技术要求也很高，操作复杂，操作人员在测量时速度慢，效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单、成本低，并且具有普适性的估算工业机器人绝对定位精度的装置及方法。
本发明所采用的技术方案是，一种估算工业机器人绝对定位精度的装置，包括：
标准工件，所述标准工件包括工件尖点，所述标准工件固定在机器人工作空间中的某一个位置；
标准工具：所述标准工具包括安装在机器人末端法兰盘上的工具底座以及与工具底座为一体成型结构的工具尖点，所述工具尖点能够以不同的姿态与标准工件的工件尖点接触；
本发明的有益效果是：通过机器人示教器来示教机器人，使固定在机器人上的标准工具的工具尖点以不同的姿态与固定在机器人工作空间中的标准工件的工件尖点接触，在不断接触的过程中，通过机器人示教器来记录下工具尖点的位置坐标，通过不断获取的位置坐标值来实现对机器人的绝对定位精度的估算，所述装置结构简单，操作简单，操作人员能够快速完成工业机器人绝对定位精度的估算，并且成本低，适用于各大厂家，能够对不同厂家不同型号的机器人进行个性化定制。
一种估算工业机器人绝对定位精度的方法，所述方法为：通过上述一种估算工业机器人绝对定位精度的装置来获取不同姿态下的工具尖点在机器人基坐标系中的位置坐标，然后根据获取的位置坐标来估算机器人绝对定位精度。
上述一种估算工业机器人绝对定位精度的装置获取不同姿态下的工具尖点在机器人基坐标系中的位置坐标的具体步骤为：
(1)、将标准工具安装在机器人末端的机器人法兰盘上，同时将标准工件固定在机器人工作空间中的某一个具体位置；
(2)、以机器人末端的机器人法兰盘为基准，建立法兰坐标系，以机器人的底座中心为原点，建立基坐标系，将工具尖点在法兰坐标系中的位置输入到机器人示教器中；
(3)、通过示教器示教机器人，使标准工具的工具尖点与标准工件的工件尖点接触，并记录当前工具尖点在基坐标系下的位置P1(x1,y1,z1)；
(4)、重复步骤(3)N-1次，每一次都使工具尖点以不同的姿态来完成与标准工件的工件尖点接触，并记第i次工具尖点在基坐标系下的位置坐标为Pi(xi,yi,zi)(i＞1)；
(5)、将步骤(3)和(4)中每一次获取的位置坐标设定为样本数据，将得到的所有样本数据设定为样本数据集合，并记为：其中N>10。
上述根据获取的位置坐标来估算机器人绝对定位精度的具体步骤为：
(1)、根据样本数据集合从中任意选取两个样本数据，并计算两个样本数据的差异向量其中i表示其中一个样本数据的索引，j表示另一个样本数据索引，整理后记为其中k表示差异向量的索引；
(2)、分别计算的x,y,z分量的方差，x,y,z分量的方差为：
(3)、计算差异向量的总方差，其总方差为：
(4)、计算样本数据集合的方差从而计算标准差并将该标准差作为机器人绝对定位精度的估计量。
所述一种估算工业机器人绝对定位精度的方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：第一、所述方法操作简单，仅需用户能够示教机器人即可完成数据采集，采集的数据只需记录标准工具的工具尖点在基坐标系下的位置信息，简单方便，格式简单；第二、本专利提出的机器人绝对定位精度估算方法是采用基于高斯分布的统计分析方法对样本数据进行估算，计算简单，实用性强，样本数据的标准差能够很好的反映机器人的绝对定位精度。
附图说明
图1为本发明一种估算工业机器人绝对定位精度的装置的标准工具4的结构示意图；
图2为本发明一种估算工业机器人绝对定位精度的装置的标准工件的结构示意图；
图3为本发明一种估算工业机器人绝对定位精度的装置在使用时的结构示意图；
如图所示：1、工具尖点；2、工具底座；3、工件尖点；4、标准工具；5、标准工件；6、机器人底座；7、机器人法兰盘；8、机器人；9、工件底座。
具体实施方式
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
本发明涉及一种估算工业机器人绝对定位精度的装置，包括：
标准工件5，所述标准工件5包括工件尖点3，所述标准工件5固定在机器人8工作空间中的某一个位置；
标准工具4：所述标准工具4包括安装在机器人8末端的机器人法兰盘7上的工具底座2以及与工具底座2为一体成型结构的工具尖点1，所述工具尖点1能够以不同的姿态与标准工件5的工件尖点3接触；
为了适用于不同厂家和不同型号的机器人8，标准工具4的工具底座2的直径应根据机器人8末端的机器人法兰盘7的大小来决定，所述标准工件5还包括工件底座9，标准工件5的工件尖点3到工件底座9中心点的长度可以根据机器人8工作空间的大小来决定，标准工具4的工具尖点1到工具底座2中心点的长度也是根据机器人8工作空间的大小来决定，所述工具尖点1和工件尖点3的锥度均建议在30°～60°之间。所述标准工件5和标准工具4均为轴对称结构，因标准工具4为轴对称结构，所以示教器中设置工具坐标系的x坐标轴、y坐标轴、z坐标轴与法兰坐标系的x坐标轴、y坐标轴、z坐标轴方向一致，则工具尖点1相对于法兰坐标系的位置坐标的x坐标和y坐标均为0，而z坐标的大小由工具尖点1距离工具底座2中心点的长度决定，可由游标卡尺测量得到。所述工具坐标系是以标准工具4的工具尖点1作为原点建立的坐标系，所述法兰坐标系是以机器人8末端的机器人法兰盘7的中心点作为原点建立的坐标系。
一种估算工业机器人绝对定位精度的方法，所述方法为：通过上述一种估算工业机器人绝对定位精度的装置来获取不同姿态下的工具尖点1在机器人8基坐标系中的位置坐标，然后根据获取的位置坐标来估算机器人8的绝对定位精度。
上述一种估算工业机器人绝对定位精度的装置获取不同姿态下的工具尖点1在机器人8基坐标系中的位置坐标的具体步骤为：
(1)、将标准工具4安装在机器人8末端的机器人法兰盘7上，同时将标准工件5固定在机器人8工作空间中的某一个位置；
(2)、以机器人8末端的机器人法兰盘7的中心点为原点，建立法兰坐标系，以机器人8的机器人底座6中心为原点，建立基坐标系，将工具尖点1在法兰坐标系中的位置输入到机器人示教器中；
(3)、通过示教器示教机器人8，使标准工具4的尖点与标准工件5的工件尖点3接触，并记录当前工具尖点1在基坐标系下的位置P1(x1,y1,z1)；
(4)、重复步骤(3)N-1次，每一次都使标准工具4的工具尖点1以不同的姿态来完成与标准工件5的工件尖点3接触，并记第i次工具尖点1在基坐标系下的位置坐标为Pi(xi,yi,zi)(i＞1)；
(5)、将步骤(3)和步骤(4)中每一次获取的位置坐标设定为样本数据，将得到的所有样本数据设定为样本数据集合，并记为：其中N表示工具尖点1的N个不同姿态，N个不同的姿态之间应变化越大越好。为保证统计数据的准确性，N的取值范围为N>10，即取值越大越好。
已知上述步骤(5)获得的样本数据为从概率论角度出发，假设标准工具4的工具尖点1和标准工件5的工件尖点3接触时，工具尖点1在基坐标系中的的x坐标、y坐标以及z坐标是符合高斯分布的三个随机变量,即: 其中 其中μx，μy，μz是高斯分布的均值，为高斯分布的方差。为了计算假设x1，x2分别为任意两次接触实验中所得到的工具尖点1的x坐标，且x1，x2两者相互独立，根据以上假设，x1，x2可看做两个符合高斯分布的随机变量，可以表示为： 则x1-x2符合以下高斯分布：同理假设y1，y2分别为任意两次接触实验所得到的工具尖点1的y坐标,z1，z2分别为任意两次接触实验所得到的工具尖点1的z坐标,则
上述根据获取的位置坐标来估算机器人绝对定位精度的具体步骤为：
(1)、根据样本数据集合从中任意选取两个样本数据，并计算两个样本数据的差异向量整理后记为
(2)、分别计算的x,y,z分量的方差:
(3)、计算差异向量的总方差，其总方差为：
(4)、计算出样本数据集合的方差从而计算标准差并将该标准差作为机器人8的绝对定位精度的估计量。
在机器人绝对定位精度估算中，因系统性误差可以通过工件坐标系的标定来消除，本专利忽略系统性误差的影响。
Claims (4)
1.一种估算工业机器人绝对定位精度的装置，其特征在于：所述装置包括：
标准工件(5)，所述标准工件(5)包括工件尖点(3)，所述标准工件(5)固定在机器人(8)的工作空间中的某一个位置；
标准工具(4)，所述标准工具(4)包括安装在机器人(8)末端的机器人法兰盘(7)上的工具法兰盘(2)以及与工具底座(2)为一体成型结构的工具尖点(1)，所述工具尖点(1)能够以不同的姿态与标准工件(5)的工件尖点(3)接触。
2.一种估算工业机器人绝对定位精度的方法，其特征在于：所述方法为：通过上述一种估算工业机器人绝对定位精度的装置来获取不同姿态下的工具尖点(1)在机器人(8)基坐标系中的位置坐标，然后根据获取的位置坐标来估算机器人(8)的绝对定位精度。
3.根据权利要求2所述的一种估算工业机器人绝对定位精度的方法，其特征在于：一种估算工业机器人绝对定位精度的装置获取不同姿态下的工具尖点(1)在机器人(8)基坐标系中的位置坐标的具体步骤为：
第一、将标准工具(4)安装在机器人(8)末端的机器人法兰盘(7)上，同时将标准工件(5)固定在机器人工作空间中的某一个具体位置；
第二、以机器人(8)末端的机器人法兰盘(7)为基准，建立法兰坐标系，以机器人底座(6)的中心为原点，建立基坐标系，将工具尖点(1)在法兰坐标系中的位置输入到机器人示教器中；
第三、通过示教器示教机器人，使标准工具(4)的工具尖点(1)与标准工件(5)的工件尖点(3)接触，并记录当前工具尖点(1)在基坐标系下的位置P1(x1,y1,z1)；
第四、重复步骤三N-1次，每一次都使标准工具(4)的工具尖点(1)以不同的姿态来完成与标准工件(5)的工件尖点(3)接触，并记第i次工具尖点(1)在基坐标系下的位置坐标为Pi(xi,yi,zi)(i＞1)；
第五、将步骤三和步骤四中每一次获取的位置坐标设定为样本数据，将得到的所有样本数据设定为样本数据集合，并记为：其中N>10。
4.根据权利要求3所述的一种估算工业机器人绝对定位精度的方法，其特征在于：根据获取的位置坐标来估算机器人绝对定位精度的具体步骤为：
第一、根据样本数据集合从中任意选取两个样本数据，并计算两个样本数据的差异向量其中i表示其中一个样本数据的索引，j表示另一个样本数据的索引，整理后记为其中k表示差异向量的索引；
第二、分别计算的x,y,z分量的方差，x,y,z分量的方差为：
第三、计算差异向量的总方差，其总方差为：
第四、计算样本数据集合的方差从而计算标准差并将该标准差作为机器人(8)的绝对定位精度的估计量。
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