CN109813218B - 一种用于激光跟踪仪的三自由度靶标的精度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光跟踪仪的三自由度靶标装置的精度补偿方法，三自由度靶标装置由X轴伺服电机，Y轴伺服电机，Z轴伺服电机，惯性测量单元，靶球组成。三个轴向的伺服电机分别能够控制靶球绕各自的旋转轴线进行旋转，实现对靶球的空间姿态进行调整，使得靶球始终朝向激光跟踪仪，保证任意工业机器人末端位置能够被激光跟踪仪测量。部件的机加工会引入较大的测量误差，本发明针对该误差进行了补偿，本发明能够实现工业机器人大运动范围内的高精度位置数据测量，同时该装置具有测量过程连续、操作简单、成本低等优点。

Description

一种用于激光跟踪仪的三自由度靶标的精度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种精度补偿方法，尤其涉及一种用于激光跟踪仪的三自由度靶标的精度补偿方法。

背景技术

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，研究发现通过机器人标定技术能够实现工业机器人绝对定位精度的提升。

工业机器人末端位置测量是机器人标定过程中的基本步骤之一，目前主要是通过外部测量设备对工业机器人末端的位置进行测量。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外部测量设备之一，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。所测量的工业机器人末端位置需要尽可能地覆盖机器人的工作空间，但因靶球的激光接收范围仅为±30°，无法保证工业机器人的任意位置测量。人为地改变靶球的姿态虽能够一定程度的改善以上情况，但这也将引入较大的测量不确定度。

专利CN 206683651U中利用轴线相交于靶球中心的X轴电机、Y轴电机和 Z轴电机调整靶球的空间位置姿态，保证靶球中心始终朝向激光跟踪仪，且不改变该靶球中心的位置。但由于装置的机加工、装配存在一定误差，电机的轴线可能并未交于靶球中心，因此，当电机角度改变后，会导致靶球中心位置发生改变，进而利用激光跟踪仪测量该靶球的空间坐标时，将引入较大的测量误差。

发明内容

本发明针对当电机的轴线并未交于靶球球心时，对激光跟踪仪测量靶球的空间坐标时产生误差的问题，提供了一种精度补偿方法。

本发明所采取的技术方案为：一种用于激光跟踪仪的三自由度靶标装置的精度补偿方法，包括以下步骤：

S01首先建立三自由度靶标装置的运动学模型；

S02工业机器人处于零位状态时，读取惯性测量单元的静态位姿数据，控制工业机器人运动到目标位置时，再读取惯性测量单元的静态位姿数据，求得零位状态至目标位置的旋转矩阵R；根据旋转矩阵R获取三个伺服电机的调整角度，使得靶球朝向激光跟踪仪。

S03在工业机器人的TCP坐标系下，根据S01所述的运动学模型计算靶球在S01 所述目标位置时的坐标向量P_TCP；在测量坐标系下，利用激光跟踪仪得到靶球在所述目标位置时的坐标向量P_m；

S04将由工业机器人的TCP坐标系中的靶球球心所在位置点P至原点O的向量 PO_TCP转化为在激光跟踪仪的测量坐标系下的向量PO_m，根据所述向量PO_m与坐标向量P_m的代数和得到工业机器人的TCP坐标系原点O在激光跟踪仪的测量坐标系下的坐标向量O_m；坐标向量P_m是在测量坐标系下，距离原点的坐标向量；

所述运动学模型的建立如下：

(1)将X轴电机、Y轴电机、Z轴电机回至零位，所述零位是电机角度为0°。旋转Z轴电机，利用激光跟踪仪测量靶球的轨迹圆，计算得到Z轴电机的轴线矢量L_Z；

(2)将Z轴电机回至零位，旋转X轴电机，利用激光跟踪仪测量靶球的轨迹圆，计算得到X轴电机的轴线矢量L_X；

(3)将X轴电机回至零位，旋转Y轴电机，利用激光跟踪仪测量靶球的轨迹圆，计算得到Y轴电机的轴线矢量L_Y；

(4)以工业机器人TCP坐标系作为该装置的基坐标系；

(5)根据轴线矢量L_X、L_Y、L_Z，计算得到三自由度靶标装置的DH参数，从而建立三自由度靶标装置的运动学模型。

进一步的，所述三自由度靶标装置包括X轴电机、Y轴电机、Z轴电机和靶球，所述X轴电机、Y轴电机和Z轴电机的电机轴分别设置于X、Y、Z三个轴上，X轴电机、Y轴电机、Z轴电机分别带动所述靶球在三个平面上运动，所述三个平面分别垂直于X轴、Y轴和Z轴。

进一步的，所述工业机器人的TCP坐标系为工业机器人默认工具坐标系。

进一步的，所述工业机器人的零位状态为工业机器人各关节角度为0°。

进一步的，所述靶标装置零位为X轴电机、Y轴电机、Z轴电机的电机角度均为0时靶标装置的位姿。

进一步的，将所述向量PO_TCP转化为所述向量PO_m的计算方法为：

PO_m＝PO_TCP·R·R_B；

式中R_B为激光跟踪仪测量坐标系位姿到工业机器人TCP坐标系位姿的旋转矩阵。

进一步的，所述O_m的计算方法为：

O_m＝P_m+PO_m。

进一步的，所述靶标装置设置于工业机器人的末端法兰盘上。

本发明所产生的有益效果包括：

1、本发明中的测量装置能够实现工业机器人大运动范围内的高精度位置数据测量；

2、本发明中的测量装置具有测量过程连续、操作简单、成本低等优点；

3、本发明中的精度补偿方法能够对由于加工或安装过程中导致的误差进行补偿，保证装置的测量精度。

附图说明

图1是本发明的三自由度靶标装置结构图；

图2是本发明的三自由度靶标装置的前视图；

图3是本发明的伺服电机安装示意图；

图4是本发明的第一连接件结构图；

图5是本发明的第二连接件的结构图；

图6是本发明的第三连接件的结构图；

图7是本发明的工业机器人末端位置测量系统示意图；

图8是本发明的坐标系转换示意图；

图9是本发明的三自由度靶标装置标定方法流程图。

图10是本发明的精度补偿方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

参见图1、图2所示，本发明为三自由度靶标装置14，应用于工业机器人 13的末端位置测量，三自由度靶标装置14主要包含X轴电机1，Y轴电机3，Z 轴电机6，惯性测量单元5，靶球7；X轴电机1，Y轴电机3和Z轴电机6的电机轴分别沿X轴、Y轴和Z轴设置，设置时三个电机轴的延长线相交于靶球的球心，惯性测量单元5用于测量机器人工具坐标系的位姿。

X轴电机通过第一连接件2连接Y轴电机，第一连接件2包括第一U型板和设置在第一U型板一侧的第一折弯板201，在第一折弯板201上设有有用于连接X轴电机轴的第一轴孔202，在U型板相对的两块板上设置有用于连接Y轴电机轴的第二轴孔203，第一轴孔202和第二轴孔203轴线相互垂直。

Y轴电机通过第二连接件10连接Z轴电机，第二连接件10包括第二U型板和设置在第二U型板一侧的第二折弯板101，在第二折弯板101上设置有用于连接Y轴电机轴的第三轴孔102，在第二U型板两相对的侧板上设有第四轴孔 103，第三轴孔102和第四轴孔103轴线垂直，第四轴孔103用于连接Z轴电机轴。

Z轴电机通过第三连接件4连接惯性测量单元，第三连接件4为两呈直角夹角设置的平板，在其中一平板上设有用于连接Z轴电机轴的第五轴孔401，在另一平板上设有用于连接惯性测量单元的连接机构402。本发明中第三连接件4为 L形法兰4连接件4。

参见图3所示，所述的X轴电机1，Y轴电机3，Z轴电机6为相同的伺服电机，区别在于其安装位置不同，其中Y轴伺服电机3与Z轴伺服电机6均安装主舵盘11和副舵盘12，而X轴伺服电机1仅安装主舵盘11。伺服电机的输出轴为花键，主舵盘/副舵盘一端安装在伺服电机输出轴上，主舵盘/副舵盘的另一端安装连接件，主舵盘/副舵盘用于连接电机轴与连接件。

参见图1、图2、图4、图5以及图6所示，L形法兰连接件4一端的外侧面与工业机器人13末端法兰盘固定连接，该端的内侧面固定有惯性测量单元5， L形法兰连接件4另一端与Z轴伺服电机6的外壳固定连接；第二连接件10的 U型板将Z轴电机6卡在中间，Z轴电机6的主舵盘11和副舵盘12与第二连接件10的U型板的两个内侧面固定连接，通过控制Z轴电机6的使第二连接件10 绕Z轴电机6的输出轴轴线旋转，第二连接件10上的第二折弯板与Y轴伺服电机3的外壳固定连接，从而Y轴电机3可以随第二连接件10联动；

第一连接件2的U型板将Y轴伺服电机3卡在中间，Y轴伺服电机3的主舵盘11和副舵盘12分别与第一连接件2的U型板的两个相对的内侧面固定连接，通过控制Y轴电机3的使第一连接件2绕Y轴电机3的输出轴轴线旋转，第一连接件2通过第一折弯板与X轴电机1的外壳固定连接。X轴电机1通过主舵盘11与连接基座9固定连接，磁性基座8吸附在连接基座9上，靶球7也通过磁力吸附在磁性基座8上，通过控制X轴电机1使靶球7绕X轴伺服电机 1的输出轴轴线旋转。

参见图7所示，三自由度靶标装置14安装于工业机器人13的末端，利用激光跟踪仪15测量靶球7的空间坐标位置，通过控制X轴电机1，Y轴电机3，Z 轴电机6，使靶球7绕伺服电机各自的旋转轴线旋转，因旋转轴线相交于靶球7 的球心，从而不会改变靶球7的空间位置。三自由度靶标装置14内的三个伺服电机通过RS-485总线连接，由微控制器直接控制伺服电机的运动，微控制器通过I2C数据接口读取惯性测量单元5的位姿数据，对靶球7的空间姿态进行调整，使得靶球7始终朝向激光跟踪仪15，保证任意工业机器人13的末端位置能够被激光跟踪仪15所测量。

图8是本发明的坐标系转换示意图；F_base表示工业机器人的基坐标系，F_LT表示激光跟踪仪的测量坐标系，F_TCP1表示工业机器人处于零位状态时的TCP坐标系，F_TCP2表示工业机器人某一目标位姿时的TCP坐标系，F_P1表示在工业机器人处于零位状态时，靶球在三自由度靶标装置中的坐标系，F_P2表示在工业机器人某一目标位姿时，靶球在三自由度靶标装置中的坐标系，其中R矩阵是由惯性测量单元的反馈数据计算得到，R_B矩阵是工业机器人TCP坐标系F_TCP2与激光跟踪仪测量坐标系F_LT的转换矩阵。

参见图7、图8、图9与图10所示，由于三自由度靶标装置14的零件机加工存在一定误差，三个伺服电机的旋转轴线并未交于靶球7的球心，利用激光跟踪仪15测量靶球7的空间坐标，将引入较大的误差。因此，本发明针对该问题进行精度补偿，所述精度补偿方法包含以下步骤：

步骤一：将三自由度靶标装置14安装在工业机器人13的末端，利用轴线测量法获得三自由度靶标装置14的DH模型参数，具体方法如下：

首先，将X电机1、Y电机3、Z轴电机6回零，然后旋转Z轴电机6，激光跟踪仪15测量靶球7的轨迹圆，计算得到Z轴伺服电机6的轴线矢量L_Z。

其次，将Z轴电机6回零，旋转X轴电机1，激光跟踪仪15测量靶球7的轨迹圆，计算得到X轴电机1的轴线矢量L_X。

再其次，将X轴电机1回零，旋转Y轴电机3，激光跟踪仪15测量靶球7 的轨迹圆，计算得到Y轴电机3的轴线矢量L_Y。

最后，根据轴线矢量L_X、L_Y、L_Z，计算得到三自由度靶标装置14的DH参数，进而建立三自由度靶标装置14的运动学模型。

步骤二：当工业机器人13处于零位状态时，将工业机器人13各关节的角度均为0度时定义为零位状态，读取惯性测量单元5的静态位姿数据R₀；当工业机器人13运动到目标位置时，再读取惯性测量单元5的静态位姿数据R_i，通过计算得到工业机器人13零位状态到当前位姿的旋转矩阵R。如式(1)

R_i/R₀＝R (1)

R＝R(X,θ_x)R(Y,θ_y)R(Z,θ_z) (2)

根据式(2)可知零位位姿转化到该位姿的绕固定坐标系的角度为θ_x、θ_y、θ_z。为保证靶球7的朝向不变，微控制器发送指令将三自由度靶标装置14的三个轴的伺服电机1、3、6分别运动到-θ_x、-θ_y、-θ_z；变换坐标系时有两种方式，绕当前坐标系和初始坐标系，固定坐标系在本文中表示初始坐标系。

步骤三：根据三自由度靶标装置14的运动学模型，将靶球装置各电机的角度带入到运动学模型中可以得出靶球7在工业机器人13的TCP坐标系F_TCP下的坐标向量P_TCP，利用激光跟踪仪15可测量得到该靶球7在测量坐标系F_LT下的坐标P_m，设工业机器人13的TCP坐标系的原点为O，靶球的球心所在位置为P 点，P点到TCP坐标系的原点O的向量PO在工业机器人13的TCP坐标系F_TCP2下表示为PO_TCP，激光跟踪仪15的测量坐标系位姿F_LT到工业机器人13的TCP 坐标系F_TCP2位姿的旋转矩阵为R_B，R_B根据可根据多点拟合方法求得。

PO_m＝PO_TCP·R·R_B (3)

将R、R_B与PO_TCP带入式(3)得到向量PO在测量坐标系F_LT下的表示PO_m。

O_m＝P_m+PO_m (4)

将P_m与PO_m带入式(4)得到工业机器人13的TCP坐标系原点在激光跟踪仪15的测量坐标系F_LT下的坐标向量O_m，能够把由三自由度靶标装置14所产生的误差进行补偿。

精度补偿的原理：理想情况下，三个电机调节靶球的方向，使其始终朝向激光跟踪仪，但是在装置的局部坐标系内不会改变靶球中心在局部坐标系内的位置。但实际因为加工装配等因素，引入误差，当三个电机动作后，改变了靶球中心在局部坐标系内的位置，因此通过装置的运动学建模、计算得到靶球中心点的坐标变化量，这个变化量就是加工装配引入的误差。直接将这个变化量直接补偿到激光跟踪仪的测量数据中。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于激光跟踪仪的三自由度靶标的精度补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

S01建立三自由度靶标装置的运动学模型；

S02靶球由零位运动至目标位置，求得所述靶球由零位运动至目标位置的旋转矩阵R；

S03在工业机器人的TCP坐标系下，根据所述运动学模型计算靶球在所述目标位置时的坐标P_TCP；

在测量坐标系下，利用激光跟踪仪得到靶球在所述目标位置时的坐标向量P_m；

S04将由工业机器人的TCP坐标系中的点P至原点O的向量PO_TCP转化为在激光跟踪仪的测量坐标系下的向量PO_m，根据所述向量PO_m与坐标向量P_m的加和得到工业机器人的TCP坐标系原点O在激光跟踪仪的测量坐标系下的坐标O_m，根据所述O_m对激光跟踪仪的测量数据进行补偿；

三自由度靶标装置包括X轴电机、Y轴电机、Z轴电机和靶球，所述X轴电机、Y轴电机和Z轴电机的电机轴分别设置于X、Y、Z三个轴上，X轴电机、Y轴电机、Z轴电机分别带动所述靶球在三个平面上运动，所述三个平面分别垂直于X轴、Y轴和Z轴；

所述运动学模型的建立如下：

(1)将X轴电机、Y轴电机、Z轴电机回至零位，所述零位是电机角度为0°，旋转Z轴电机，利用激光跟踪仪测量靶球的轨迹圆，计算得到Z轴电机的轴线矢量L_Z；

(2)将Z轴电机回至零位，旋转X轴电机，利用激光跟踪仪测量靶球的轨迹圆，计算得到X轴电机的轴线矢量L_X；

(3)将X轴电机回至零位，旋转Y轴电机，利用激光跟踪仪测量靶球的轨迹圆，计算得到Y轴电机的轴线矢量L_Y；

(4)以工业机器人TCP坐标系作为该装置的基坐标系；

(5)根据轴线矢量L_X、L_Y、L_Z，计算得到三自由度靶标装置的DH参数，从而建立三自由度靶标装置的运动学模型。

2.根据权利要求1所述的用于激光跟踪仪的三自由度靶标的精度补偿方法，其特征在于：靶标装置零位为X轴电机、Y轴电机、Z轴电机的电机角度均为0时靶标装置的位姿。

3.根据权利要求1所述的用于激光跟踪仪的三自由度靶标的精度补偿方法，其特征在于：将所述向量PO_TCP转化为所述向量PO_m的计算方法为：

PO_m＝PO_TCP·R·R_B；

式中R_B为激光跟踪仪测量坐标系位姿到工业机器人的TCP坐标系位姿的旋转矩阵。

4.根据权利要求1所述的用于激光跟踪仪的三自由度靶标的精度补偿方法，其特征在于：所述O_m的计算方法为：

O_m＝P_m+PO_m。

5.根据权利要求1所述的用于激光跟踪仪的三自由度靶标的精度补偿方法，其特征在于：所述靶标装置设置于工业机器人的末端法兰盘上。

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