CN108548510B - 基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法，包括：在工业机器人的关节末端上安装标定设备，其中，所述标定设备包括：力传感器和负载；调整所述工业机器人末端的位姿，以使得所述力传感器处在多组预设测量姿态，用于后续测量负载重力；在所述多组预设测量姿态下，同时采集所述力传感器测量到的负载重力数据，并对所述负载力数据进行平均处理，得到重力测量数据的均值，将所述重力测量数据的均值投影到基座标系，标定出基座标系的位姿及世界坐标系到基座标系的转换矩阵。本发明具有简单、易用、快速的特点。

Description

基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法。
背景技术
工业机器人是一种对生产条件和生产环境适应性和灵活性很强的柔性自动化设备，其在工业制造领域的应用大大提高了生产效率和产品质量。随着机器人应用场景越来越多样化，为节约生产现场空间或方便机器人的操作，工业制造现场有时会采取斜装或吊装的形式固定机器人。此时，与地面安装不同的是机器人基坐标系与世界坐标系姿态不一致。基座标系的方位决定了机器人的位姿及动力学模型中的重力项，前者对离线编程意义重大；后者是基于模型控制的基础之一，若斜装或吊装下采用地面安装时的动力学模型，会导致重力项估计错误，从而影响运动控制性能和基于重力补偿的拖动示教功能。因此，为实现离线编程功能和获得良好的控制系统性能，必须先准确标定出斜装或吊装情况下的机器人基座标系方位。
现有的确定机器人基座标系方位可以采用激光测距仪等测距/角系统直接测量安装基座的倾斜角，然后手动计算世界坐标系到基座标系的转换矩阵。这些测量技术存在着设备成本高、不易现场实施、测试方法繁琐、对操作人员技术要求程度高等突出问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法，包括如下步骤：
步骤S1，在工业机器人的关节末端上安装标定设备，其中，所述标定设备包括：力传感器和负载；
步骤S2，调整所述工业机器人末端的位姿，以使得所述力传感器处在多组预设测量姿态，用于后续测量负载重力；
步骤S3，在所述多组预设测量姿态下，同时采集所述力传感器测量到的负载重力数据，并对所述负载重力数据进行平均处理，得到重力测量数据的均值，将所述重力测量数据的均值投影到基座标系，标定出基座标系的位姿及世界坐标系到基座标系的转换矩阵。
进一步，在所述步骤S1中，转动所述工业机器人的关节，在所述工业机器人的关节末端上，依次安装力传感器和负载。
进一步，在所述步骤S3中，
所述力传感器测量得到的重力测量数据表达式为
Figure BDA0001656464540000021
Figure BDA0001656464540000022
为从世界坐标系到力传感器坐标系的转换矩阵，FG为重力测量数据在力传感器坐标系下的表达式，WG为重力测量数据在世界坐标系下的表达式，FG投影到基座标系为
Figure BDA0001656464540000023
其中，BG为重力测量数据在基坐标系下的表达式，
Figure BDA0001656464540000024
为从力传感器坐标系到基坐标系的转换矩阵，
Figure BDA0001656464540000025
为从世界坐标系到基坐标系的转换矩阵，其中，
Figure BDA0001656464540000026
由标定姿态下的机器人关节角信息计算得到，
Figure BDA0001656464540000027
为待求的基座标系位姿标定结果，m为负载质量，通过上式计算
Figure BDA0001656464540000028
中的各个参数，从而标定出基座标系的位姿及世界坐标系到基座标系的转换矩阵。
根据本发明实施例的基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法，利用力传感器测量负载重力，然后投影到基座标系，由力传感器测量数据计算基座标系的位姿及世界坐标系到基座标系的转换矩阵，从而标定基座标系位姿，是一种简单、易用、快速的斜装机器人基座标系标定方法。
本发明实施例的基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法，具有以下有益效果：
1)原理简单，易于操作，可快速标定。
2)成本低廉，无需激光测距仪等昂贵设备，代价小便于应用。
3)对空间约束不敏感，适用场景广泛。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例的基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法，包括如下步骤：
步骤S1，在工业机器人的关节末端上安装标定设备，其中，标定设备包括：力传感器和负载。
在本步骤中，如图2所示，转动工业机器人的关节，调整机器人到方便在末端安装负载的合适位姿，在工业机器人的关节末端上，依次安装力传感器和标准重量负载。
步骤S2，调整工业机器人末端的位姿，以使得力传感器处在多组预设测量姿态，用于后续测量负载重力，从而实现标定运动的设计。
在本步骤中，调整机器人末端的位姿，使传感器处在特定的测量姿态来测量负载重力。选定姿态差别较大的几组测量位姿，为下一步骤的平均处理做准备。
步骤S3，实现数据采集和处理：在多组预设测量姿态下，同时采集力传感器测量到的负载重力数据，并对负载重力数据进行平均处理，得到重力测量数据的均值，将重力测量数据的均值投影到基座标系，标定出基座标系的位姿及世界坐标系到基座标系的转换矩阵。
具体的，在步骤S2选定的几组位姿下，分别保持静止一段时间，同时采集力传感器测量到的负载重力数据，然后做平均处理得到重力测量数据的均值。
力传感器测量得到的重力测量数据表达式为
Figure BDA0001656464540000031
Figure BDA0001656464540000032
为从世界坐标系到力传感器坐标系的转换矩阵，FG为重力测量数据在力传感器坐标系下的表达式，WG为重力测量数据在世界坐标系下的表达式，FG投影到基座标系为
Figure BDA0001656464540000041
其中，BG为重力测量数据在基坐标系下的表达式，
Figure BDA0001656464540000042
为从力传感器坐标系到基坐标系的转换矩阵，
Figure BDA0001656464540000043
为从世界坐标系到基坐标系的转换矩阵，m为负载质量，其中，
Figure BDA0001656464540000044
由标定姿态下的机器人关节角信息计算得到，
Figure BDA0001656464540000045
为待求的基座标系位姿标定结果，通过上式(2)计算
Figure BDA0001656464540000046
中的各个参数，从而标定出基座标系的位姿及世界坐标系到基座标系的转换矩阵。
根据本发明实施例的基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法，利用力传感器测量负载重力，然后投影到基座标系，由力传感器测量数据计算基座标系的位姿及世界坐标系到基座标系的转换矩阵，从而标定基座标系位姿，是一种简单、易用、快速的斜装机器人基座标系标定方法。
本发明实施例的基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法，具有以下有益效果：
1)原理简单，易于操作，可快速标定。
2)成本低廉，无需激光测距仪等昂贵设备，代价小便于应用。
3)对空间约束不敏感，适用场景广泛。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (2)

1.一种基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，在工业机器人的关节末端上安装标定设备，其中，所述标定设备包括：力传感器和负载；
步骤S2，调整所述工业机器人末端的位姿，以使得所述力传感器处在多组预设测量姿态，用于后续测量负载重力；
步骤S3，在所述多组预设测量姿态下，同时采集所述力传感器测量到的负载重力数据，并对所述负载重力数据进行平均处理，得到重力测量数据的均值，将所述重力测量数据的均值投影到基座标系，标定出基座标系的位姿及世界坐标系到基座标系的转换矩阵；
所述力传感器测量得到的重力测量数据表达式为
Figure FDA0002390553320000011
Figure FDA0002390553320000012
为从世界坐标系到力传感器坐标系的转换矩阵，FG为重力测量数据在力传感器坐标系下的表达式，WG为重力测量数据在世界坐标系下的表达式，FG投影到基座标系为
Figure FDA0002390553320000013
其中，BG为重力测量数据在基坐标系下的表达式，
Figure FDA0002390553320000014
为从力传感器坐标系到基坐标系的转换矩阵，
Figure FDA0002390553320000015
为从世界坐标系到基坐标系的转换矩阵，其中，
Figure FDA0002390553320000016
由标定姿态下的机器人关节角信息计算得到，
Figure FDA0002390553320000017
为待求的基座标系位姿标定结果，m为负载质量，通过上式计算
Figure FDA0002390553320000018
中的各个参数，从而标定出基座标系的位姿及世界坐标系到基座标系的转换矩阵。
2.如权利要求1所述的基于力传感器的斜装机器人基座标系标定方法，其特征在于，在所述步骤S1中，转动所述工业机器人的关节，在所述工业机器人的关节末端上，依次安装力传感器和负载。
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