CN108519081A - 一种工业机器人高精度检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业机器人高精度检测装置，若干检测装置分别环绕设置在待检测工业机器人末端周围。惯性测量装置用于检测的工业机器人为串联六轴机器人。惯性测量装置由三个单轴加速度计传感器和三个单轴光纤陀螺仪传感器组成；三个单轴加速度计传感器分别获取工业机器人末端x轴、y轴、z轴三个方向上的加速度分量；三个单轴光纤陀螺仪分别获取工业机器人末端x轴、y轴、z轴三个方向上的角加速度分量。采用惯性测量系统，而非传统的激光跟踪测量系统，受环境因素影响较小，可靠性和稳定性更高；采用惯性测量系统可以随意变换工业机器人姿态，避免了激光跟踪测量系统需要规划工业机器人姿态轨迹去防止激光断光从而不能进行实时测量的弊端。

Description

一种工业机器人高精度检测装置
技术领域
本发明涉及机器人性能评估技术领域，尤其涉及一种工业机器人姿态检测仪器。
背景技术
机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能法的机器装置。它的任务是协助或取代人类工作的工作。工业机器人参与工业生产能够极大地保证产品质量、缩短产品生产周期、提高生产效率和适应各种复杂劳动条件。它作为一种自动化装备在工业生产的各领域中被广泛使用，随着工业机器人的应用越来越广泛航天、航空、军工、民用等，对工业机器人的姿态精度要求越来越高。但是在中国，近年来工业生产中的装配自动化发展却相对比较缓慢，究其根源还在于目前生产的大部分工业机器人还不能满足高精度尤其是姿态的精度，不能满足这些要求，机器人就不能顺利的完成装配作业，因为在工业生产部门应用机器人的主要目的就是提高劳动效率、削减人员编制和提高产品质量。因此提高工业机器人的姿态精度，也就成为现代机器人技术发展中的一个重要课题。
然而，我国目前还缺少工业机器人高精度姿态检测产品，限制了我国高精度工业机器人的发展，国外现有的工业机器人姿态检测仪器主要有莱卡激光跟踪仪AT960和美国Dynalog公司的单元校正系统Dynacal，具有测量精度较高，速度较快等优点，但同时这两种仪器体积较大、测量所需要场地和空间也有限制，不利于对工业机器人现场操作测量，同时仪器价格较高。目前缺少高精度的六轴工业机器人姿态检测发明，由此可见本发明的重要之处。
针对上述这些问题，本专利提出一种新的工业机器人高精度检测装置，所需测量空间较小，装置大小仅140毫米边长立方体；便于安装，可直接安装在工业机器人末端法兰盘上，价格也相对低一些。
发明内容
本发明的目的是为了克服激光跟踪仪等现有设备的检测设备大，所需测试空间要求高等不足，提供了一种工业机器人高精度姿态检测装置，可以便捷安装、实时读取数据。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种高精度姿态检测装置，该装置包括惯性测量装置、惯性测量装置安装机构和姿态解算装置；
所述若干检测装置分别环绕设置在待检测工业机器人末端周围。
所述惯性测量装置用于检测的工业机器人为串联六轴机器人。
所述惯性测量装置由三个单轴加速度计传感器和三个单轴光纤陀螺仪传感器组成；三个单轴加速度计传感器分别获取工业机器人末端x轴、y轴、z轴三个方向上的加速度分量；三个单轴光纤陀螺仪分别获取工业机器人末端x轴、y轴、z轴三个方向上的角加速度分量。
所述惯性测量装置安装机构由六个带有安装孔和定位孔的铝合金正方形板材组成，板材体积大小为140mm*140mm*8mm的铝合金薄板，材料型号为6061。
所述惯性测量装置安装机构，其特征在于：六个板材安装组成一个正方体，相互平行，相互正交。安装机构用于将三个单轴加速度计和三个单轴光纤陀螺仪安装固定，使其灵敏轴相互正交。若不能保证其相互正交，需要对传感器进行安装姿态标定。
所述惯性测量装置安装机构，其特征在于：将六个传感安装其中一端存在安装孔，安装孔的尺寸和规格视工业机器人型号而定，通过螺钉连接安装在工业机器人末端。
所述姿态解算机构，其特征在于：六个传感器将所采集到的模拟和数字信号通过信号采集卡采集传输到上位机。
所述姿态解算机构，其特征在于：通过上位机软件进行处理获取的数据求解出工业机器人末端姿态。
本发明用于工业机器人高精度姿态性能检测。本发明相对于已有的仪器设备的优点在于：
(1)采用了惯性测量系统，而非传统的激光跟踪测量系统，受环境因素影响较小，可靠性和稳定性更高；
(2)采用惯性测量系统可以随意变换工业机器人姿态，避免了激光跟踪测量系统需要规划工业机器人姿态轨迹去防止激光断光从而不能进行实时测量的弊端；
(3)采用了六个惯性传感器集成了惯性测量装置，相对于激光跟踪仪和Dynacal测试系统测量仪器的体积较小，且利于快速安装到工业机器人上，适合于实际工厂中对工业机器人姿态在线进行检测。
附图说明
图1为惯性测量装置整体斜视图
图2为惯性测量装置安装图
图3为惯性测量装置安装机构安装图(以Staubli RX200型号机器人设计的安装孔)
图4为工业机器人高精度检测装置安装示意图
图5为工业机器人姿态旋转关系图
图中：1、光纤陀螺仪，2、惯性测量装置安装孔，3、加速度传感器，4、惯性测量装置安装机构与工业机器人安装端，5、工业机器人，6、工业机器人高精度检测装置。
具体实施方式
1)、如图1所示将所述惯性测量装置安装在惯性测量装置安装机构，同类传感器相互正交安装，即将三个加速度传感器3分别安装到三个正交的平面上，光纤陀螺仪1分别安装到另外三个正交的平面上；如不能保证其相互正交安装，通过传感器安装姿态标定方法对其进行姿态标定，标定方法具体如下：
通过工业机器人5的示教器控制工业机器人5沿自身的坐标轴运动，由于运动中存在的惯性力，致使惯性测量传感器的各轴读数发生变化，从而由对应的传感器读数标定出工业机器人相应坐标轴在惯性测量传感器坐标系中的方向，最终得到工业机器人工具坐标系到惯性测量传感器坐标系的旋转转换矩阵，从而实现对传感器安装姿态的标定。
2)、如图3所示将所述惯性测量装置安装机构通过装置安装孔2和螺钉固连到工业机器人5末端的法兰盘上，最终将所述工业机器人高精度检测装置6固连到工业机器人5上，安装结果如图4所示；
3)、通过工业机器人5示教器控制工业机器人5运动，利用所述惯性测量装置实时采集工业机器人末端加速度和角加速度增量数据；
4)、如图5所示工业机器人姿态旋转关系，通过姿态解算装置处理采集卡获取惯性测量装置的数据，解算出工业机器人末端实时姿态信息，具体如下：
①采用定时采样增量毕卡算法求解四元数微分方程得到求解结果为
其中Q为四元数变量，t为时间常数，ω为角速度，Δθ为角增量，I为单位矩阵，表示轴向角速度；ΔΘ为系数矩阵。
②求解得出上式中变量；
其中Δθx、Δθy、Δθz分别为定时采样时工业机器人5三个轴向的角增量，即光纤陀螺仪1获取的数据；ωb pbx、ωb pby、ωb pbz为工业机器人5三个轴向角速度，通过角增量计算得到。因此由时刻光纤陀螺仪陀螺仪1定时采样的角增量，即可求出时刻的四元数变量Q。
③根据时刻四元数变量Q计算便能够求解得出下式捷联矩阵；
式中：q0为常数，通常选取1；q1,q2,q3为三个加速度计传感器3采集得到加速度值计算得到的四元数；
④最终求解出工业机器人5机器人末端姿态角；
其中T12、T22、T31、T32、T33为捷联矩阵中的各个向量。
如图5所示角度关系，角度C对应于工业机器人5的横滚角，角度B对应于工业机器人5的俯仰角，角度A对应于工业机器人5的偏转角。

Claims (7)

1.一种工业机器人高精度检测装置，其特征在于：该装置包括惯性测量装置、惯性测量装置安装机构和姿态解算装置；
所述若干检测装置分别环绕设置在待检测工业机器人末端周围；
所述惯性测量装置用于检测的工业机器人为串联六轴机器人；
所述惯性测量装置由三个单轴加速度计传感器和三个单轴光纤陀螺仪传感器组成；三个单轴加速度计传感器分别获取工业机器人末端x轴、y轴、z轴三个方向上的加速度分量；三个单轴光纤陀螺仪分别获取工业机器人末端x轴、y轴、z轴三个方向上的角加速度分量。
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人高精度检测装置，其特征在于：所述惯性测量装置安装机构由六个带有安装孔和定位孔的铝合金正方形板材组成。
3.根据权利要求1所述的一种工业机器人高精度检测装置，其特征在于：所述惯性测量装置安装机构，其特征在于：六个板材安装组成一个正方体，相互平行，相互正交；安装机构用于将三个单轴加速度计和三个单轴光纤陀螺仪安装固定，使其灵敏轴相互正交；若不能保证其相互正交，需要对传感器进行安装姿态标定。
4.根据权利要求1所述的一种工业机器人高精度检测装置，其特征在于：所述惯性测量装置安装机构，其特征在于：将六个传感安装其中一端存在安装孔，安装孔的尺寸和规格视工业机器人型号而定，通过螺钉连接安装在工业机器人末端。
5.根据权利要求1所述的一种工业机器人高精度检测装置，其特征在于：所述姿态解算机构，其特征在于：六个传感器将所采集到的模拟和数字信号通过信号采集卡采集传输到上位机。
6.根据权利要求1所述的一种工业机器人高精度检测装置，其特征在于：所述姿态解算机构，其特征在于：通过上位机软件进行处理获取的数据求解出工业机器人末端姿态。
7.根据权利要求1所述的一种工业机器人高精度检测装置，其特征在于：1)、将所述惯性测量装置安装在惯性测量装置安装机构，同类传感器相互正交安装，即将三个加速度传感器(3)分别安装到三个正交的平面上，光纤陀螺仪(1)分别安装到另外三个正交的平面上；如不能保证其相互正交安装，通过传感器安装姿态标定方法对其进行姿态标定，标定方法具体如下：
通过工业机器人(5)的示教器控制工业机器人(5)沿自身的坐标轴运动，由于运动中存在的惯性力，致使惯性测量传感器的各轴读数发生变化，从而由对应的传感器读数标定出工业机器人相应坐标轴在惯性测量传感器坐标系中的方向，最终得到工业机器人工具坐标系到惯性测量传感器坐标系的旋转转换矩阵，从而实现对传感器安装姿态的标定；
2)、将所述惯性测量装置安装机构通过装置安装孔(2)和螺钉固连到工业机器人(5)末端的法兰盘上，最终将所述工业机器人高精度检测装置(6)固连到工业机器人(5)上；
3)、通过工业机器人(5)示教器控制工业机器人(5)运动，利用所述惯性测量装置实时采集工业机器人末端加速度和角加速度增量数据；
4)、工业机器人姿态旋转关系，通过姿态解算装置处理采集卡获取惯性测量装置的数据，解算出工业机器人末端实时姿态信息，具体如下：
①采用定时采样增量毕卡算法求解四元数微分方程得到求解结果为
其中Q为四元数变量，t为时间常数，ω为角速度，Δθ为角增量，I为单位矩阵，表示轴向角速度；ΔΘ为系数矩阵；
②求解得出上式中变量；
其中Δθx、Δθy、Δθz分别为定时采样时工业机器人(5)三个轴向的角增量，即光纤陀螺仪(1)获取的数据；ωb pbx、ωb pby、ωb pbz为通过工业机器人(5)三个轴向角速度，通过角增量计算得到；因此由时刻光纤陀螺仪陀螺仪1定时采样的角增量，即可求出时刻的四元数变量Q；
③根据时刻四元数变量Q计算便能够求解得出下式捷联矩阵；
式中：q0为常数，通常选取1；q1,q2,q3为三个加速度计传感器3采集得到加速度值计算得到的四元数；
④最终求解出工业机器人(5)机器人末端姿态角；
T12、T22、T31、T32、T33为捷联矩阵中的各个向量；
角度C对应于工业机器人(5)的横滚角，角度B对应于工业机器人(5)的俯仰角，角度A对应于工业机器人(5)的偏转角。
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