CN109732600B - 一种全自动顺序多站式测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于工业机器人标定的全自动顺序多站式测量系统，该系统主要包含工业机器人、主动式靶球、激光跟踪仪、AGV车、固定靶球以及磁性基座。主动式靶球安装在工业机器人的末端，激光跟踪仪能够测量主动式靶球的空间坐标。激光跟踪仪固定在AGV车升降板上，可以通过AGV车调节激光跟踪仪的空间位置。本发明仅采用单台激光跟踪仪构建多边测量系统，较大程度地降低了系统的造价，并且在坐标值计算过程中，仅采用激光跟踪仪精确的距离值，有效地提高了目标点的测量精度，依据激光跟踪仪测量数据作为AGV车的位置调整反馈，无需添加额外定位设备，进一步降低系统成本，同时实现了顺序多站式测量系统中基站位置的高精度、自动化布局。

Description

一种全自动顺序多站式测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及工业机器人标定技术领域，尤其涉及一种应用于工业机器人标定的全自动顺序多站式测量系统。

背景技术

随着高端制造业的持续发展，提高了对工业机器人的绝对定位精度要求，尤其在激光焊接、激光切割以及航空航天等应用领域，要求工业机器人末端绝对定位精度达到±0.05mm，研究发现通过机器人标定技术能够有效地提高工业机器人的绝对定位精度。

目前，机器人标定技术中常用立体视觉测量、激光干涉仪、球杆仪、激光跟踪仪等设备实现工业机器人末端位置或位姿数据的测量。其中激光跟踪仪作为工业测量系统中的一种高精度大尺寸测量仪器，是目前工业机器人标定的主要测量设备之一。该测量设备将靶球安装在工业机器人末端，通过激光跟踪仪测量靶球的空间位置。目前基于激光跟踪仪的机器人标定系统存在以下两个主要问题：(1)需要人为干预，如调整靶球位置，保证工业机器人末端位置能够被激光跟踪仪测量，人为干预将引入较大的测量不确定度；(2)激光跟踪仪采用极坐标系系统，其距离测量精度较高，其测量不确定度主要来源于两个旋转轴的编码器。因此，如何进一步提高激光跟踪仪的测量精度是亟待解决的问题之一。目前改善单站式激光跟踪仪测量系统的方法主要是采用多边测量方法，但该系统需采用多台激光跟踪仪，大大提高了测量系统的造价。这是又一亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术在基于单个激光跟踪仪测量技术的缺陷和不足，提供一种全自动顺序多站式测量系统，该系统能够有效地降低测量系统成本，同时提供了一种应用全自动顺序多站式测量系统高精度测量工业机器人末端位置的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种全自动顺序多站式测量系统，其特征是：包括工业机器人、主动式靶球、激光跟踪仪、AGV车、固定靶球以及磁性基座，所述的主动式靶球安装在工业机器人的末端，所述的激光跟踪仪能够测量主动式靶球的空间坐标，激光跟踪仪固定在AGV车的升降板上，通过AGV车的移动调节激光跟踪仪的空间位置，所述的固定靶球通过磁性基座固定在激光跟踪仪可测空间内的某一固定位置。

本发明还提供了一种应用全自动顺序多站式测量系统高精度测量工业机器人末端位置的方法，其特征是：包括以下几个步骤：

步骤1：将工业机器人恢复至初始零位状态，所述初始零位状态是指工业机器人的各个关节角度均为0°，并通过工具坐标系标定方法获得主动式靶球在工业机器人的默认工具坐标系下的坐标表示；

步骤2：控制AGV车搭载激光跟踪仪运动到第一个基站位置，该基站位置记为A(x₁,y₁,z₁)，并测量固定靶球的空间坐标为Q(x_q1,y_q1,z_q1)；

步骤3：控制工业机器人的末端到达制定的自标定测量点P_j(j＝1,…,N＝100)，该点在工业机器人基坐标系内的坐标为P_j＝(x_Rj,y_Rj,z_Rj)，其中R表示工业机器人基坐标系，自标定测量点沿圆的径向均匀分布，并用激光跟踪仪测量自标定测量点在该基站位置A上的激光跟踪仪(3)测量坐标系内的测量点坐标为P_Aj＝(x_MAj,y_MAj,z_MAj)(j＝1,…,N＝100)，其中M表示激光跟踪仪测量坐标系，A表示第一个基站位置；

步骤4：控制工业机器人恢复至初始零位状态，然后分别依次单独旋转工业机器人关节1至关节N，利用激光跟踪仪测量各个关节的旋转轨迹上的测量点，每个关节的各个测量点为在固定角度范围内均匀分布的点，各个测量点在该基站位置上的激光跟踪仪测量坐标系内的测量点坐标为P_ACi＝(x_MACij,y_MACij,z_MACij)，其中i表示第i个关节，i＝1，…，N，A表示第一个基站位置，C_i表示关节i的测量点；

步骤5：控制工业机器人恢复至初始零位状态，然后控制AGV车搭载激光跟踪仪运动到第二个基站位置，该基站位置记为B(x₂,y₂,z₂)，并测量固定靶球的空间坐标为Q(x_q2,y_q2,z_q2)，然后重复步骤3和步骤4，所述的工业机器人基坐标系内的自标定测量点P_j在第二个基站位置B与第一个基站位置A上为相同点，所述的工业机器人各个关节的旋转轨迹上的测量点在第二个基站位置B与第一个基站位置A上为相同点；

步骤6：控制工业机器人恢复至初始零位状态，然后控制AGV车搭载激光跟踪仪运动到第三个基站位置，该基站位置记为C(x₃,y₃,z₃)，并测量固定靶球的空间坐标为Q(x_q3,y_q3,z_q3)，然后重复步骤3和步骤4，所述的工业机器人基坐标系内的自标定测量点P_j在第三个基站位置C与第一个基站位置A和第二个基站位置B上均为相同点，所述的工业机器人各个关节的旋转轨迹上的测量点在第三个基站位置C与第一个基站位置A和第二个基站位置B上均为相同点；

步骤7：控制工业机器人恢复至初始零位状态，然后控制AGV车搭载激光跟踪仪运动到第四个基站位置，该基站位置记为D(x₄,y₄,z₄)，并测量固定靶球的空间坐标为Q(x_q4,y_q4,z_q4)，然后重复步骤3和步骤4，所述的工业机器人基坐标系内的自标定测量点P_j在第四个基站位置D与第一个基站位置A、第二个基站位置B和第三个基站位置C上均为相同点，所述的工业机器人各个关节的旋转轨迹上的测量点在第四个基站位置D与第一个基站位置A、第二个基站位置B和第三个基站位置C上均为相同点；

步骤8：以第一个基站位置A为基准，该位置作为直三棱锥形的一个顶点，根据直角三棱锥形的体积及几何约束，计算其他三个顶点B,C,D的空间位置，在运动过程中，激光跟踪仪始终测量固定靶球的空间位置，将B,C,D与A的空间相对位置转换为固定靶球在激光跟踪仪测量坐标系内的空间相对位置，从而实现高精度的基站位置调整；

步骤9：首先根据工业机器人基坐标系内的自标定测量点P_j的坐标与激光跟踪仪测量坐标系的坐标，实现基坐标系与测量坐标系的转换，获取测量坐标系的原点在基坐标系内位置，分别实现在四个基站位置A，B，C，D上的坐标系转换；

步骤10：根据工业机器人基坐标系内的自标定测量点P_j在四个基站位置A，B，C，D的极坐标中的距离值，记为L_i1、L_i2、L_i3、L_i4，满足以下方程，

根据方程构建优化目标函数J，

以工业机器人控制器内的测量点读取值以及步骤9中获得测量坐标系在基坐标系的位置作为优化目标函数J的初值，该优化算法可采用常规的LM算法或遗传算法，从而得到四个基站位置A，B，C，D在工业机器人基坐标系内的精确坐标值；

步骤11：根据步骤10获取的四个基站位置A，B，C，D的精确坐标值与激光跟踪仪测量各个关节的旋转轨迹上的测量点距离激光跟踪仪的距离，根据方程，

可得各个关节的旋转轨迹上的测量点的精确坐标值。

进一步的，所述的主动式靶球能够保证激光跟踪仪在任意位置都能够测量自标定测量点P_j以及工业机器人各个关节的旋转轨迹上的测量点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、仅采用单台激光跟踪仪设备，构建多边测量系统，较大程度地降低了系统的造价；

二、坐标值计算过程中仅采用激光跟踪仪精确的距离值，有效地提高了目标点的测量精度；

三、利用AGV车搭建了自动化基站位置调整系统，并依据激光跟踪仪测量数据进行调整，不需外部定位设备，实现了激光跟踪仪位置的自动化、高精度、低成本地放置。

附图说明

图1是本发明的全自动顺序多站式测量系统组成结构图；

图2是本发明的AGV车调整激光跟踪仪高度位置的示意图；

图3是本发明的主动式靶球结构示意图；

图4是本发明的全自动顺序多站式测量系统基站位置布局示意图；

图5是本发明的AGV车调整基站位置示意图；

图6是本发明的工业机器人自标定测量点P_j分布示意图；

附图中的标号为：工业机器人1、主动式靶球2、激光跟踪仪3、AGV车4、固定靶球5、磁性基座6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明的全自动顺序多站式测量系统主要包含工业机器人1、主动式靶球2、激光跟踪仪3、AGV车4、固定靶球5以及磁性基座6。主动式靶球2安装在工业机器人1的末端，激光跟踪仪3能够测量主动式靶球2的空间坐标。激光跟踪仪3固定在AGV车4的升降板上，可以通过AGV车4调节激光跟踪仪3的空间位置。固定靶球5通过磁性基座6固定在激光跟踪仪3可测空间内的某一固定位置。

参见图2所示，AGV车4通过平面内的移动或升降板的上升或下降，调整激光跟踪仪3的空间位置。

参见图3所示，主动式靶球2具有三个轴向调整伺服电机，能够调整靶球的空间姿态，保证靶球的朝向始终对着激光跟踪仪3，能够被激光跟踪仪测量到；

参见图4、5、6所示，利用单台激光跟踪仪3实现顺序多站式测量方法的步骤如下：

步骤1：将工业机器人1恢复至初始零位状态，所述初始零位装置是指工业机器人1的各个关节角度均为0°，并通过工具坐标系标定方法获得主动式靶球2在工业机器人1的默认工具坐标系下的坐标表示；

步骤2：控制AGV车4搭载激光跟踪仪3运动到第一个基站位置A，该基站位置记为A(x₁,y₁,z₁)，并测量固定靶球5的空间坐标为Q(x_q1,y_q1,z_q1)；

步骤3：控制工业机器人1的末端到达制定的自标定测量点P_j(j＝1,…,N＝100)，该点在工业机器人1的基坐标系内的坐标为P_j＝(x_Ri,y_Ri,z_Ri)，其中R表示工业机器人1的基坐标系，自标定测量点沿圆的径向均匀分布，并用激光跟踪仪3测量自标定测量点在该基站位置A上的激光跟踪仪3的测量坐标系内的测量点坐标为P_Aj＝(x_MAj,y_MAj,z_MAj)(j＝1,…,N＝100)，其中M表示激光跟踪仪3的测量坐标系，A表示第一个基站位置；

步骤4：控制工业机器人1恢复至初始零位状态，然后分别依次单独旋转工业机器人1的关节1至关节6，利用激光跟踪仪3测量各个关节的旋转轨迹上的测量点，每个关节的各个测量点为在固定角度范围内均匀分布的点，各个测量点在该基站位置上的激光跟踪仪3的测量坐标系内的测量点坐标为P_ACi＝(x_MACij,y_MACij,z_MACij)，其中i表示第i个关节，i＝1，…，6，A表示第一个基站位置，C_i表示关节i的测量点；

步骤5：控制工业机器人1恢复至初始零位状态，然后控制AGV车4搭载激光跟踪仪3运动到第二个基站位置B，该基站位置记为B(x₂,y₂,z₂)，并测量固定靶球5的空间坐标为Q(x_q2,y_q2,z_q2)，然后重复步骤3和步骤4；

步骤6：控制工业机器人1恢复至初始零位状态，然后控制AGV车4搭载激光跟踪仪3运动到第三个基站位置C，该基站位置记为C(x₃,y₃,z₃)，并测量固定靶球5的空间坐标为Q(x_q3,y_q3,z_q3)，然后重复步骤3和步骤4；

步骤7：控制工业机器人1恢复至初始零位状态，然后控制AGV车4搭载激光跟踪仪3运动到第四个基站位置D，该基站位置记为D(x₄,y₄,z₄)，并测量固定靶球5的空间坐标为Q(x_q4,y_q4,z_q4)，然后重复步骤3和步骤4；

所述的工业机器人1的基坐标系内的自标定测量点P_j在四个基站位置A，B，C，D上均为相同点；

所述的工业机器人1的各个关节的旋转轨迹上的测量点在四个基站位置A，B，C，D上均为相同点；

所述的主动式靶球2能够保证激光跟踪仪3在任意位置都能够测量到规划的自标定测量点P_j以及各个关节的旋转轨迹上的测量点；

所述激光跟踪仪3的四个基站位置应满足直三棱锥形，其自标定过程的精度最高。因此，为实现高精度的基站位置调整，应该按照步骤8进行调整；

步骤8：以第一个基站位置A为基准，该位置作为直三棱锥形的一个顶点，根据直角三棱锥形的体积及几何约束，计算其他三个顶点B,C,D的空间位置。在运动过程中，激光跟踪仪3始终测量固定靶球5的空间位置，将B,C,D与A的空间相对位置转换为固定靶球5在激光跟踪仪3的测量坐标系内的空间相对位置，从而实现高精度的基站位置调整；

步骤9：首先根据工业机器人1的基坐标系内的自标定测量点P_j的坐标与激光跟踪仪3的测量坐标系的坐标，实现基坐标系与测量坐标系的转换，获取测量坐标系的原点在基坐标系内位置，分别实现在四个基站位置A，B，C，D上的坐标系转换；

步骤10：根据工业机器人1的基坐标系内的自标定测量点P_j在四个基站位置A，B，C，D的极坐标中的距离值，满足式(1)的方程。根据式(1)构建如式(2)所示的优化目标函数J，以工业机器人1的控制器内的测量点读取值以及步骤9中获得测量坐标系在基坐标系的位置作为优化目标函数J的初值。该优化算法可采用常规的LM算法，遗传算法等，从而得到四个基站位置A，B，C，D在工业机器人基坐标系内的精确坐标值；

步骤11：根据步骤10获取的四个基站位置A，B，C，D的精确坐标值与激光跟踪仪3测量各个关节的旋转轨迹上的测量点距离激光跟踪仪3的距离，根据式(1)可得各个关节的旋转轨迹上的测量点的精确坐标值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种全自动顺序多站式测量方法，应用全自动顺序多站式测量系统，其特征是：全自动顺序多站式测量系统包括工业机器人(1)、主动式靶球(2)、激光跟踪仪(3)、AGV车(4)、固定靶球(5)以及磁性基座(6)，所述的主动式靶球(2)安装在工业机器人(1)的末端，所述的激光跟踪仪(3)能够测量主动式靶球(2)的空间坐标，激光跟踪仪(3)固定在AGV车(4)的升降板上，通过AGV车(4)的移动调节激光跟踪仪(3)的空间位置，所述的固定靶球(5)通过磁性基座(6)固定在激光跟踪仪(3)可测空间内的某一固定位置，具体测量方法，包括以下几个步骤：

步骤1：将工业机器人(1)恢复至初始零位状态，所述初始零位状态是指工业机器人(1)的各个关节角度均为0°，并通过工具坐标系标定方法获得主动式靶球(2)在工业机器人(1)的默认工具坐标系下的坐标表示；

步骤2：控制AGV车(4)搭载激光跟踪仪(3)运动到第一个基站位置，该基站位置记为A(x ₁, y ₁, z ₁)，并测量固定靶球(5)的空间坐标为Q(x _q1, y _q1, z _q1)；

步骤3：控制工业机器人(1)的末端到达制定的自标定测量点P_j（j=1,…, N=100），该点在工业机器人(1)基坐标系内的坐标为P_j=（x _Rj, y _Rj, z _Rj），其中R表示工业机器人(1)基坐标系，自标定测量点沿圆的径向均匀分布，并用激光跟踪仪(3)测量自标定测量点在该基站位置A上的激光跟踪仪(3)测量坐标系内的测量点坐标为P_Aj=（x _MAj, y _MAj, z _MAj）（j=1,…, N=100），其中M表示激光跟踪仪(3)测量坐标系，A表示第一个基站位置；

步骤4：控制工业机器人(1)恢复至初始零位状态，然后分别依次单独旋转工业机器人(1)关节1至关节N，利用激光跟踪仪(3)测量各个关节的旋转轨迹上的测量点，每个关节的各个测量点为在固定角度范围内均匀分布的点，各个测量点在该基站位置上的激光跟踪仪(3)测量坐标系内的测量点坐标为P_ACi=( x _MACij , y _MACij, z _MACij)，其中i表示第i个关节，i=1，…，N，A表示第一个基站位置，C_i表示关节i的测量点；

步骤5：控制工业机器人(1)恢复至初始零位状态，然后控制AGV车(4)搭载激光跟踪仪(3)运动到第二个基站位置，该基站位置记为B(x ₂, y ₂, z ₂)，并测量固定靶球(5)的空间坐标为Q(x _q2, y _q2, z _q2)，然后重复步骤3和步骤4，所述的工业机器人(1)基坐标系内的自标定测量点P_j在第二个基站位置B与第一个基站位置A上为相同点，所述的工业机器人(1)各个关节的旋转轨迹上的测量点在第二个基站位置B与第一个基站位置A上为相同点；

步骤6：控制工业机器人(1)恢复至初始零位状态，然后控制AGV车(4)搭载激光跟踪仪(3)运动到第三个基站位置，该基站位置记为C(x ₃, y ₃, z ₃)，并测量固定靶球(5)的空间坐标为Q(x _q3, y _q3, z _q3)，然后重复步骤3和步骤4，所述的工业机器人(1)基坐标系内的自标定测量点P_j在第三个基站位置C与第一个基站位置A和第二个基站位置B上均为相同点，所述的工业机器人(1)各个关节的旋转轨迹上的测量点在第三个基站位置C与第一个基站位置A和第二个基站位置B上均为相同点；

步骤7：控制工业机器人(1)恢复至初始零位状态，然后控制AGV车(4)搭载激光跟踪仪(3)运动到第四个基站位置，该基站位置记为D(x ₄, y ₄, z ₄)，并测量固定靶球(5)的空间坐标为Q(x _q4, y _q4, z _q4)，然后重复步骤3和步骤4，所述的工业机器人(1)基坐标系内的自标定测量点P_j在第四个基站位置D与第一个基站位置A、第二个基站位置B和第三个基站位置C上均为相同点，所述的工业机器人(1)各个关节的旋转轨迹上的测量点在第四个基站位置D与第一个基站位置A、第二个基站位置B和第三个基站位置C上均为相同点；

步骤8：以第一个基站位置A为基准，该位置作为直三棱锥形的一个顶点，根据直角三棱锥形的体积及几何约束，计算其他三个顶点B,C,D的空间位置，在运动过程中，激光跟踪仪(3)始终测量固定靶球(5)的空间位置，将B,C,D与A的空间相对位置转换为固定靶球(5)在激光跟踪仪(3)测量坐标系内的空间相对位置，从而实现高精度的基站位置调整；

步骤9：首先根据工业机器人(1)基坐标系内的自标定测量点P_j的坐标与激光跟踪仪(3)测量坐标系的坐标，实现基坐标系与测量坐标系的转换，获取测量坐标系的原点在基坐标系内位置，分别实现在四个基站位置A，B，C，D上的坐标系转换；

步骤10：根据工业机器人(1)基坐标系内的自标定测量点P_j在四个基站位置A，B，C，D的极坐标中的距离值，记为

、

、

、

，满足以下方程，

根据方程构建优化目标函数J，

以工业机器人(1)控制器内的测量点读取值以及步骤9中获得测量坐标系在基坐标系的位置作为优化目标函数J的初值，该优化算法可采用常规的LM算法或遗传算法，从而得到四个基站位置A，B，C，D在工业机器人(1)基坐标系内的精确坐标值；

步骤11：根据步骤10获取的四个基站位置A，B，C，D的精确坐标值与激光跟踪仪(3)测量各个关节的旋转轨迹上的测量点距离激光跟踪仪(3)的距离，根据方程，

可得各个关节的旋转轨迹上的测量点的精确坐标值。

2.根据权利要求1所述的全自动顺序多站式测量方法，其特征是：所述的主动式靶球(2)能够保证激光跟踪仪(3)在任意位置都能够测量自标定测量点P_j以及工业机器人(1)各个关节的旋转轨迹上的测量点。

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