CN108527441B - 一种用于检测工业机器人轨迹误差的装置 - Google Patents

一种用于检测工业机器人轨迹误差的装置 Download PDF

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    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Abstract

本发明公开了一种用于检测工业机器人轨迹误差的装置，包括底座；移动机构，设置在底座上；旋转平台，设置在移动机构上；第一旋转机构，设置在旋转平台上；第二旋转机构，设置在第一旋转机构上；检测柱，设置在第二旋转机构上；三维检测头，设置在待检工业机器人的末端法兰盘上。本发明装置设计了一种简便的工业机器人轨迹误差检测的装置，代替了原有的利用激光追踪仪来检测轨迹误差的方法。装置的检测柱能呈现各种高度，展现出各种姿态变化，有利于工业机器人轨迹检定中对于点的选取，完成对工业机器人的位置和姿态的检测。研制的装置在保证能在完成检测要求的情况下，大大地降低了成本，适合推广。

Description

一种用于检测工业机器人轨迹误差的装置
技术领域
本发明涉及一种检测装置，尤其涉及一种用于检测工业机器人轨迹误差的装置。
背景技术
随着科技不断的发展，在工业上，自动化程度不断地在提高。工业机器人在自动化时代发挥着越来越重要的作用，而工业机器人的工作方式也向高度自动化离线编程方式发展。为保证工业机器人在脱离人工操作下，工作的准确性，需要确保工业机器人必备较高的控制精度以及运动轨迹的准确。因此需要对工业机器人的轨迹误差的检测。
申请号为201610144262.4的专利公开了一种工业机器人轨迹检测装置。装置包括标准轨迹样板及装在工业机器人末端的执行器，其标准轨迹样板包括样板基座、长方体及大圆柱、小圆柱，执行器包括负载安装器及激光测距传感器，并与工业机器人法兰盘相连接。该方法沿着轨迹样板运动，通过建模得出实际轨迹与标准轨迹的误差。该方案只能研究工业机器人的位置偏差，无法研究姿态误差。常用的方法为利用激光跟踪仪法，该方法需要购置激光跟踪仪，但是激光跟踪仪价格昂贵，无法普遍推广。
发明内容
针对现有检测方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种方便简单，符合检测要求，但价格低廉的检测装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种用于检测工业机器人轨迹误差的装置，其特征在于，包括：
一种用于检测工业机器人轨迹误差的装置，其特征在于，包括：
底座；
移动机构，设置在底座上，所述的移动机构的下表面与底座的上表面接触，用于在垂直方向上的移动；
旋转平台，设置在移动机构上，所述的旋转平台下表面与移动机构(2)的上表面接触，用于在水平面上的旋转；
第一旋转机构，设置在旋转平台上，用于旋转，所述的第一旋转机构的旋转面垂直于水平面；
第二旋转机构，设置在第一旋转机构上，用于旋转，所述的第二旋转机构的旋转面垂直于水平面，也垂直于第一旋转机构的旋转面；
检测柱，设置在第二旋转机构上，所述的检测柱下表面与第二旋转机构的上表面接触；
三维检测头，设置在待检的工业机器人的末端法兰盘上，用于检测检测柱的位置。
优选的，所述的移动机构包括：移动机构外壳，呈五面封闭的长方体状，所述的驱动外壳的下表面设置在底座的上表面；移动电机，所述的移动电机设置在移动机构外壳内部，移动电机的下表面与移动机构外壳接触；移动丝杠，所述的移动丝杠的一端设置在移动电机上表面；移动平台，设置在移动丝杠上，移动丝杠的转动带动所述的移动平台在垂直方向上的移动；推动杆，所述的推动杆的一端设置在移动平台下表面上，随着移动平台一起运动；光栅读数头，设置在推动杆的另一端，随着推动杆一起运动；标尺光栅，所述的标尺光栅与光栅读数头相连，并固定在移动机构外壳上；
优选的，所述的旋转平台包括：旋转平台电机，所述的旋转平台电机的下表面设置在底移动平台上；旋转平台丝杠，所述的旋转平台丝杠的一端设置在旋转平台电机的上表面；旋转台，所述的旋转台下表面设置在旋转平台丝杠的另一端；旋转平台光栅头，设置在移动平台的上表面左侧；旋转平台光栅盘，所述的旋转平台光栅盘的下表面设置在旋转平台光栅头，其上表面与旋转台接触；
优选的，所述的第一旋转机构包括：第一旋转机构底座，设置在旋转台上；第一旋转机构电机，设置在第一旋转机构底座的上表面左侧；第一旋转机构旋转轴，所述的第一旋转机构旋转轴一端设置在第一旋转机构电机上；第一旋转机构旋转球，所述的第一旋转机构旋转球的一端设置在第一旋转机构旋转轴的另一端；第一旋转机构光栅盘，所述的第一旋转机构光栅盘设置在第一旋转机构旋转球上；第一旋转机构光栅头，所述的第一旋转机构光栅头一端设置在第一旋转机构底座上，其另一端与第一旋转机构光栅盘接触；
优选的，所述的第二旋转机构包括：第二旋转机构底座，设置在第一旋转机构旋转球上；第二旋转机构电机，设置在第二旋转机构底座的上表面左侧；第二旋转机构旋转轴，所述的第二旋转机构旋转轴一端设置在第二旋转机构电机上；第二旋转机构旋转球，所述的第二旋转机构旋转球的一端设置在第二旋转机构旋转轴的另一端；第二旋转机构光栅盘，所述的第二旋转机构光栅盘设置在第二旋转机构旋转球上；第二旋转机构光栅头，所述的第二旋转机构光栅头一端设置在第二旋转机构底座上，其另一端与第二旋转机构光栅盘接触；
优选的，所述的三维检测头包括：检测底座，设置在待检工业机器人末端的法兰盘上；X测头，为测距仪，设置在检测底座上，用于检测X方向上的距离；Y测头，为测距仪，设置在检测底座上，用于检测Y方向上的距离；Z测头，为测距仪，设置在检测底座上，用于检测Z方向上的距离；
优选的，一种使用该装置的方法，其特征在于，
①将检测柱置于初始状态，即检测柱垂直于底座，选取初始状态下的检测柱顶点为初始原点，顶点为三个两两垂直面的交点，清零光栅读数头、旋转平台光栅头、第一旋转机构光栅头和第二旋转机构光栅头的数值；
②移动待检工业机器人到选取的初始原点附近，X测头、Y测头、Z测头分别对准三个垂直面，初始原点置于X测头、Y测头、Z测头延长线的交点处，记录X测头、Y测头、Z测头的数值为Δx0，Δy0，Δz0，读取此时待检工业机器人末端在机器人坐标下的绝对位置坐标为(x0,y0,z0)，计算出初始原点在机器人基坐标下的绝对位置坐标为(x0+Δx0,y0+Δy0,z0+Δz0)，同时记录下各个关节的角度值。
③转动移动电机、旋转平台电机、第一旋转机构电机、第二旋转机构电机，达到第一个检测位置，此状态下的检测柱顶点为第一检测点。光栅读数头、旋转平台光栅头、第一旋转机构光栅头和第二旋转机构光栅头记录了变化的数值，经过换算到X、Y、Z的方向上，得到了相对于初始原点的坐标位置(a1,b1,c1)，将第一检测点坐标转换到机器人基坐标下，其理论的位置坐标为(x0+Δx0+a1,y0+Δy0+b1,z0+Δz0+c1)；
④操作待检工业机器人，移动三维检测头到第一检测点附近，以检测初始原点的方法计算出距离数值为Δx1，Δy1，Δz1，以及该状态下的待检工业机器人末端在机器人基坐标下的绝对位置坐标为(x1,y1,z1)，计算出第一检测点的实际坐标为(x1+Δx1,y1+Δy1,z1+Δz1)；
⑤比较理论坐标数值和实际坐标数值，得到待检工业机器人的第一检测点的位置误差数值；
⑥通过旋转平台光栅头、第一旋转机构光栅头和第二旋转机构光栅头记录的数值，经过转换，得到第一检测点的X,Y和Z方向上的角度值，为待检工业机器人的理论角度值；
⑦记录待检工业机器人的各个关节角度数值，经过转换，得到实际角度数值，通过比较角度的理论值和实际数值，得到待检工业机器人的姿态误差值；
⑧依次选取不同的检测点，得到各个检测点的实际值和理论值，进行比较，得到误差数值；
⑨将坐标位置误差和角度误差经过一系列的算法，补偿到机器人各个关节上。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为本发明移动机构和旋转平台内部结构示意图；
图3为第一旋转机构内部结构示意图；
图4为第二旋转机构内部结构示意图；
图5为三维检测头结构示意图；
附图标记：1.底座；2.移动机构；21.移动机构外壳；22.移动电机；23.移动丝杠；24.移动平台；25.推动杆；26.光栅读数头；27.标尺光栅；3.旋转平台；31.旋转平台电机；32.旋转平台丝杠；33.旋转台；34旋转平台光栅头；35旋转平台光栅盘；4.第一旋转机构；41.第一旋转机构底座；42.第一旋转机构电机；43.第一旋转机构旋转轴；44.第一旋转机构旋转球；45.第一旋转机构光栅盘；46.第一旋转机构光栅头；5.第二旋转机构；51.第二旋转机构底座；52.第二旋转机构电机；53.第二旋转机构旋转轴；54.第二旋转机构旋转球；55.第二旋转机构光栅盘；56.第二旋转机构光栅头；6.检测柱；7.三维检测头；71.检测头底座；72.X测头；73.Y测头；74.Z测头；8.待检工业机器人。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种用于检测工业机器人轨迹误差的装置，包括：底座1、移动机构2、旋转平台3、第一旋转机构4、第二旋转机构5、检测柱6、三维检测头7。移动机构2，设置在底座1上，其下表面与底座1的上表面接触，用于在垂直方向上的移动，所述的移动机构2中移动机构外壳21，呈五面封闭的长方体状，其下表面设置在底座1的上表面，移动电机22，设置在移动机构外壳21内部，下表面与移动机构外壳21接触，移动丝杠23，设置在移动电机22上表面，移动平台24，设置在移动丝杠23上，移动丝杠23的转动带动移动平台24在垂直方向上的移动，推动杆25，其一端设置在移动平台24下表面上，随着移动平台24一起运动，光栅读数头26，设置在推动杆25的另一端，随着推动杆25一起运动，标尺光栅27，与光栅读数头26相连，并固定在移动机构外壳21上；旋转平台3，设置在移动机构2上，其下表面与移动机构2的上表面接触，用于在水平面上的旋转，所述的旋转平台3中旋转平台电机31，其下表面设置在底移动平台24上，旋转平台丝杠32，其一端设置在旋转平台电机31的上表面，旋转台33，其下表面设置在旋转平台丝杠32的另一端，旋转平台光栅头34，设置在移动平台24的上表面左侧，旋转平台光栅盘35，其下表面设置在旋转平台光栅头34，上表面与旋转台33接触；第一旋转机构4，设置在旋转平台3上，用于旋转，其旋转面垂直于水平面，所述的第一旋转机构4中第一旋转机构底座41，设置在旋转台33上，第一旋转机构电机42，设置在第一旋转机构底座41的上表面左侧，第一旋转机构旋转轴43，其一端设置在第一旋转机构电机42上，第一旋转机构旋转球44，其一端设置在第一旋转机构旋转轴43的另一端，第一旋转机构光栅盘45，设置在第一旋转机构旋转球44上，第一旋转机构光栅头46，设置在第一旋转机构底座41上，其另一端与第一旋转机构光栅盘45接触；第二旋转机构5，设置在第一旋转机构4上，用于旋转，其旋转面垂直于水平面，也垂直于第一旋转机构的旋转面，所述的第二旋转机构5中第二旋转机构底座51，设置在第一旋转机构旋转球44上，第二旋转机构电机52，设置在第二旋转机构底座51的上表面左侧，第二旋转机构旋转轴53，其一端设置在第二旋转机构电机52上，第二旋转机构旋转球54，其一端设置在第二旋转机构旋转轴53的另一端，第二旋转机构光栅盘55，设置在第二旋转机构旋转球54上，第二旋转机构光栅头56，其一端设置在第二旋转机构底座51上，其另一端与第二旋转机构光栅盘(55)接触；检测柱6，设置在第二旋转机构5上，其下表面与第二旋转机构5的上表面接触；三维检测头7，设置在待检的工业机器人8的末端法兰盘上，用于检测检测柱6的位置，所述的三维检测头7中检测底座71，设置在待检工业机器人(8)末端的法兰盘上，X测头72，为测距仪，设置在检测底座71上，用于检测X方向上的距离，Y测头73，为测距仪，设置在检测底座71上，用于检测Y方向上的距离，Z测头74，为测距仪，设置在检测底座71上，用于检测Z方向上的距离。
工作原理：将检测柱置于初始状态，即检测柱垂直于底座，选取初始状态下的检测柱顶点为初始原点，顶点为三个两两垂直面的交点，清零光栅读数头、旋转平台光栅头、第一旋转机构光栅头和第二旋转机构光栅头的数值，完成初始化。开始检测时，移动待检工业机器人到选取的初始原点附近，X测头、Y测头、Z测头分别对准三个垂直面，初始原点置于X测头、Y测头、Z测头延长线的交点处，记录X测头、Y测头、Z测头的数值为Δx0，Δy0，Δz0，读取此时待检工业机器人末端在机器人坐标下的绝对位置坐标为(x0,y0,z0)，计算出初始原点在机器人基坐标下的绝对位置坐标为(x0+Δx0,y0+Δy0,z0+Δz0)，同时记录下各个关节的角度值。依次转动移动电机、旋转平台电机、第一旋转机构电机、第二旋转机构电机，达到第一个检测位置，此状态下的检测柱顶点为第一检测点。光栅读数头、旋转平台光栅头、第一旋转机构光栅头和第二旋转机构光栅头记录了变化的数值，经过换算到X、Y、Z的方向上，得到了相对于初始原点的坐标位置(a1,b1,c1)，将第一检测点坐标转换到机器人基坐标下，其理论的位置坐标为(x0+Δx0+a1,y0+Δy0+b1,z0+Δz0+c1)。操作待检工业机器人，移动三维检测头到第一检测点附近，以检测初始原点的方法计算出距离数值为Δx1，Δy1，Δz1，以及该状态下的待检工业机器人末端在机器人基坐标下的绝对位置坐标为(x1,y1,z1)，计算出第一检测点的实际坐标为(x1+Δx1,y1+Δy1,z1+Δz1)。比较理论坐标数值和实际坐标数值，得到待检工业机器人的第一检测点的位置误差数值。通过旋转平台光栅头、第一旋转机构光栅头和第二旋转机构光栅头记录的数值，经过转换，得到第一检测点的X,Y和Z方向上的角度值，为待检工业机器人的理论角度值。记录待检工业机器人的各个关节角度数值，经过转换，得到实际角度数值，通过比较角度的理论值和实际数值，得到待检工业机器人的姿态误差值。依次选取不同的检测点，得到各个检测点的实际值和理论值，进行比较，得到误差数值。将坐标位置误差和角度误差经过一系列的算法，补偿到机器人各个关节上。
本实例设计了一种方便简单的工业机器人检测装置。装置设计了一种三维检测头，测量检测点的三维位置坐标，检测机器人的位置误差。设计的检测座可以呈现多种姿态，有利于检测机器人的姿态。本发明可以有效地代替利用追踪仪来检测机器人轨迹误差的方法，而且大大降低了检测成本，具有很大的应用前景。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种用于检测工业机器人轨迹误差的装置，其特征在于，包括：
底座(1)；
移动机构(2)，设置在底座(1)上，所述的移动机构(2)的下表面与底座(1)的上表面接触，用于在垂直方向上的移动；
旋转平台(3)，设置在移动机构(2)上，所述的旋转平台(3)下表面与移动机构(2)的上表面接触，用于在水平面上的旋转；
第一旋转机构(4)，设置在旋转平台(3)上，用于旋转，所述的第一旋转机构(4)的旋转面垂直于水平面；
第二旋转机构(5)，设置在第一旋转机构(4)上，用于旋转，所述的第二旋转机构(5)的旋转面垂直于水平面，也垂直于第一旋转机构(4)的旋转面；
检测柱(6)，设置在第二旋转机构(5)上，所述的检测柱(6)下表面与第二旋转机构(5)的上表面接触；
三维检测头(7)，设置在待检的工业机器人(8)的末端法兰盘上，用于检测检测柱(6)的位置；
所述的移动机构(2)包括：
移动机构外壳(21)，呈五面封闭的长方体状，所述的移动机构外壳(21)的下表面设置在底座(1)的上表面；
移动电机(22)，所述的移动电机(22)设置在移动机构外壳(21)内部，移动电机(22)的下表面与移动机构外壳(21)接触；
移动丝杠(23)，所述的移动丝杠(23)的一端设置在移动电机(22)上表面；
移动平台(24)，设置在移动丝杠(23)上，移动丝杠(23)的转动带动所述的移动平台(24)在垂直方向上的移动；
推动杆(25)，所述的推动杆(25)的一端设置在移动平台(24)下表面上，随着移动平台(24)一起运动；
光栅读数头(26)，设置在推动杆(25)的另一端，随着推动杆(25)一起运动；
标尺光栅(27)，所述的标尺光栅(27)与光栅读数头(26)相连，并固定在移动机构外壳(21)上；
所述的旋转平台(3)包括：
旋转平台电机(31)，所述的旋转平台电机(31)的下表面设置在底移动平台(24)上；
旋转平台丝杠(32)，所述的旋转平台丝杠(32)的一端设置在旋转平台电机(31)的上表面；
旋转台(33)，所述的旋转台(33)下表面设置在旋转平台丝杠(32)的另一端；
旋转平台光栅头(34)，设置在移动平台(24)的上表面左侧；
旋转平台光栅盘(35)，所述的旋转平台光栅盘(35)的下表面设置在旋转平台光栅头(34)，其上表面与旋转台(33)接触；
所述的第一旋转机构(4)包括：
第一旋转机构底座(41)，设置在旋转台(33)上；
第一旋转机构电机(42)，设置在第一旋转机构底座(41)的上表面左侧；
第一旋转机构旋转轴(43)，所述的第一旋转机构旋转轴(43)一端设置在第一旋转机构电机(42)上；
第一旋转机构旋转球(44)，所述的第一旋转机构旋转球(44)的一端设置在第一旋转机构旋转轴(43)的另一端；
第一旋转机构光栅盘(45)，所述的第一旋转机构光栅盘(45)设置在第一旋转机构旋转球(44)上；
第一旋转机构光栅头(46)，所述的第一旋转机构光栅头(46)一端设置在第一旋转机构底座(41)上，其另一端与第一旋转机构光栅盘(45)接触；
所述的第二旋转机构(5)包括：
第二旋转机构底座(51)，设置在第一旋转机构旋转球(44)上；
第二旋转机构电机(52)，设置在第二旋转机构底座(51)的上表面左侧；
第二旋转机构旋转轴(53)，所述的第二旋转机构旋转轴(53)一端设置在第二旋转机构电机(52)上；
第二旋转机构旋转球(54)，所述的第二旋转机构旋转球(54)的一端设置在第二旋转机构旋转轴(53)的另一端；
第二旋转机构光栅盘(55)，所述的第二旋转机构光栅盘(55)设置在第二旋转机构旋转球(54)上；
第二旋转机构光栅头(56)，所述的第二旋转机构光栅头(56)一端设置在第二旋转机构底座(51)上，其另一端与第二旋转机构光栅盘(55)接触；
所述的三维检测头(7)包括：
检测底座(71)，设置在待检工业机器人(8)末端的法兰盘上；
X测头(72)，为测距仪，设置在检测底座(71)上，用于检测X方向上的距离；
Y测头(73)，为测距仪，设置在检测底座(71)上，用于检测Y方向上的距离；
Z测头(74)，为测距仪，设置在检测底座(71)上，用于检测Z方向上的距离；
所述的一种用于检测工业机器人轨迹误差的装置的检测方法如下：
①将检测柱(6)置于初始状态，即检测柱(6)垂直于底座(1)，选取初始状态下的检测柱(6)顶点为初始原点，顶点为三个两两垂直面的交点，清零光栅读数头(26)、旋转平台光栅头(34)、第一旋转机构光栅头(46)和第二旋转机构光栅头(56)的数值；
②操作待检工业机器人(8)，移动三维检测头(7)到选取的初始原点附近，X测头(72)、Y测头(73)、Z测头(74)分别对准三个垂直面，初始原点置于X测头(72)、Y测头(73)、Z测头(74)延长线的交点处，记录X测头(72)、Y测头(73)、Z测头(74)的数值为Δx0，Δy0，Δz0，读取此时待检工业机器人(8)末端在机器人坐标下的绝对位置坐标为(x0,y0,z0)，计算出初始原点在机器人基坐标下的绝对位置坐标为(x0+Δx0,y0+Δy0,z0+Δz0)，同时记录下各个关节的角度值；
③转动移动电机(22)、旋转平台电机(31)、第一旋转机构电机(42)、第二旋转机构电机(52)，达到第一个检测位置，此状态下的检测柱顶点为第一检测点，光栅读数头(26)、旋转平台光栅头(34)、第一旋转机构光栅头(46)和第二旋转机构光栅头(56)记录了变化的数值，经过换算到X、Y、Z的方向上，得到了相对于初始原点的坐标位置(a1,b1,c1)，将第一检测点坐标转换到机器人基坐标下，其理论的位置坐标为(x0+Δx0+a1,y0+Δy0+b1,z0+Δz0+c1)；
④操作待检工业机器人(8)，移动三维检测头(7)到第一检测点附近，以检测初始原点的方法计算出距离数值为Δx1，Δy1，Δz1，以及该状态下的待检工业机器人(8)末端在机器人基坐标下的绝对位置坐标为(x1,y1,z1)，计算出第一检测点的实际坐标为(x1+Δx1,y1+Δy1,z1+Δz1)；
⑤比较理论坐标数值和实际坐标数值，得到待检工业机器人(8)的第一检测点的位置误差数值；
⑥通过旋转平台光栅头(34)、第一旋转机构光栅头(46)和第二旋转机构光栅头(56)记录的数值，经过转换，得到第一检测点的X,Y和Z方向上的角度值，为待检工业机器人(8)的理论角度值；
⑦记录待检工业机器人(8)的各个关节角度数值，经过转换，得到实际角度数值，通过比较角度的理论值和实际数值，得到待检工业机器人(8)的姿态误差值；
⑧依次选取不同的检测点，得到各个检测点的实际值和理论值，进行比较，得到误差数值；
⑨将坐标位置误差和角度误差经过一系列的算法，补偿到机器人各个关节上。
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