CN110053040B

CN110053040B - 机器人工具面的校准方法

Info

Publication number: CN110053040B
Application number: CN201810050104.1A
Authority: CN
Inventors: 邱隆恩
Original assignee: Shenzhen Yuzhan Precision Technology Co ltd
Current assignee: Fulian Yuzhan Technology Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2038-01-18
Also published as: CN110053040A

Abstract

本发明提出一种机器人工具面的校准方法，包括以下步骤:在该底座上建立一基础坐标系；在驱动模组安装执行工具的一端(总称为法兰)建立一法兰坐标系；获取一个该校正装置的特征面相对于该基础坐标系的旋转矩阵为R₁；驱动模组带动执行工具运动并使执行工具的工具面接触于该特征面；该机器人的控制器根据运动学计算出该法兰坐标系相对于该基础坐标系的旋转矩阵为R₀；该工具面相对于该法兰坐标系的旋转矩阵R_t根据方程式R_t＝R₀ ^‑1×R₁计算得出。控制器根据R_t与工具面作业时的目标旋转角度对工具面的实际旋转角度进行调整。

Description

机器人工具面的校准方法

技术领域

本发明涉及一种机器人的校准方法，尤其涉及一种工业机器人工具面的校准方法。

背景技术

机器人技术在工业领域应用广泛，例如自动装配、焊接等。通过在机器人末端安装不同的执行工具(例如气动爪或焊枪)来完成不同作业任务，而执行工具的工具面角度的准确度直接影响着机器人的操作精度。然而，由于执行工具的公差、人工装配执行工具的误差，导致执行工具的工具面的理论角度存在一定误差。因此，为了保证机器人运行的精准度，在安装执行工具后，需要校准其工具面相对于机器人末端法兰的角度。传统的方式是由人工采用特殊工具进行校准，该方式比较费时、费力，而且操作难度大。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种操作简便且用时较短的机器人工具面的校准方法。

一种机器人工具面的校准方法，用于校准机器人执行工具的工具面的实际角度，所述机器人包括底座、驱动模组、执行工具、治具模组及与驱动模组和治具模组相连的控制器，所述驱动模组一端连接于所述底座上，另一端装设所述执行工具，所述驱动模组可带动所述执行工具绕第一方向转动并且可沿第二方向和第三方向移动，所述治具模组设置于所述底座远离所述驱动模组的一端，所述机器人配合一个具有校正点一和校正点二的校正装置实现校准，所述校正装置装设于所述治具模组上，所述治具模组可带动所述校正装置绕第三方向转动并且可沿第一方向移动，所述校准方法包括以下步骤:

A、在所述底座上建立一基础坐标系，X轴与Y轴在同一水平面内且相互垂直，Z轴分别垂直X轴和Y轴，所述第一方向与X轴平行但不重合，所述第二方向与Y轴平行但不重合，所述第三方向与Z轴平行但不重合；

B、在所述驱动模组安装所述执行工具的一端建立一法兰坐标系；

C、获取一个与基础坐标系的Z轴垂直且包括所述校正点一及所述校正点二坐标位置的特征面，在所述特征面上定义一个特征面坐标系，所述特征面坐标系相对于所述基础坐标系的旋转矩阵为R₁；

D、在所述校正点一及所述校正点二坐标连线不与X轴平行时，驱动所述驱动模组带动所述执行工具在Y轴、Z轴方向移动及绕X轴转动，使所述执行工具的所述工具面接触于所述校正点一及所述校正点二；

E、所述控制器建立运动学方程，从而计算出所述法兰坐标系相对于所述基础坐标系的旋转矩阵为R₀；

F、所述工具面相对所述法兰坐标系的旋转矩阵R_t根据方程式R_t＝R₀ ^-1×R₁计算得出，控制器根据R_t与工具面作业时的目标旋转角度对工具面的实际旋转角度进行调整。

上述机器人工具面的校准方法，仅通过在治具模组上设置一个具有校正点一和校正点二的校正装置，并使该执行工具的工具面接触于校正点一和校正点二，再结合机器人的自带的控制器即可实现校准工具面相对于驱动模组安装执行工具一端的角度关系，操作简单，并大大缩短了校准时长。

附图说明

图1是本发明一实施方式的机器人及校正装置的立体结构示意图。

图2是图1所示机器人及校正装置的部分分解示意图。

图3是图1所示机器人的执行工具的部分分解示意图。

图4是本发明一实施方式的机器人工具面的校准方法的流程图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以使直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中设置的元件。当一个元件被认为是“设置在”另一个元件，它可以使直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中设置的元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

机器人在实际应用中，通过在其末端安装执行工具(如加工工具或夹持治具)来完成各种操作。为了保证执行工具能够准确地加工或夹持工件，需要确定执行工具的工具面的相对角度。在本实施方式中，机器人末端安装执行工具的位置定义有一个法兰坐标系，以设定执行工具的工具面在法兰坐标系中的精确角度。以下将对利用本发明的机器人工具面校准方法校正机器人工具面的精准角度进行详细说明。

请参考图1和图2，为本发明一实施方式中机器人100及设置于机器人100上校正装置200的立体结构示意图。所述机器人100包括底座10、驱动模组30、执行工具40、治具模组50及与驱动模组30和治具模组50相连的控制器(图未示)。

所述底座10包括第一支撑板11和第二支撑板13。所述第二支撑板13设置在所述第一支撑板11上。所述第一支撑板11和所述第二支撑板13相互连接形成L形支架。所述驱动模组30设置在所述第二支撑板13上。具体地，所述驱动模组30设置在所述第二支撑板13远离所述第一支撑板11的一端上。所述执行工具40安装在所述驱动模组30上。所述治具模组50设置在所述第一支撑板11上。具体地，所述治具模组50设置在所述第一支撑板11远离所述第二支撑板13的一端上。所述校正装置200安装在所述治具模组50上。校正装置200用以对安装在驱动模组30上的执行工具40的工具面43进行校正。驱动模组30带动执行工具40运动，并且治具模组50带动校正装置200运动，以完成对工具面43的校正。

所述驱动模组30具有三个自由度，具体由四个连接杆组成，其可以保证更高的刚性及精度。具体地，所述驱动模组30包括第一机械臂组件31、第二机械臂组件33和第三机械臂组件35。所述第一机械臂组件31和所述第三机械臂组件35的一端分别设置在所述第二支撑板13上。所述第二机械臂组件33的两端分别可转动地连接在所述第一机械臂组件31和第三机械臂组件35的另一端上。所述第一机械臂组件31沿第一轴线3151转动。所述第二机械臂组件33沿第二轴线3331转动。所述第三机械臂组件35沿第三轴线3551转动。

具体地，所述第一机械臂组件31包括第一关节311、第一连接杆313和第一驱动件315。所述第一关节311设置在所述第二支撑板13远离所述第一支撑板11的一端的一侧上。所述第一连接杆313的一端可转动地设置在所述第一关节311内侧上。所述第一驱动件315设置在所述第一关节311外侧并与所述第一连接杆313连接。所述第一驱动件315驱动所述第一连接杆313绕所述第一驱动件315的输出轴的第一轴线3151转动。

所述第二机械臂组件33包括第二连接杆331、第三连接杆332和第二驱动件333。所述第二连接杆331的一端可转动地设置在所述第一连接杆313的另一端上。所述第三连接杆332的一端可转动地设置在所述第二连接杆331的另一端上。所述第三连接杆332的另一端可转动地设置在所述第三机械臂组件35上。所述第二驱动件333设置在所述第二连接杆331的外侧，并与所述第三连接杆332连接。所述第二驱动件333驱动所述第二连接杆331及所述第三连接杆332连接处的法兰绕着所述第二驱动件333的输出轴的第二轴线3331转动。所述执行工具40安装在所述第三连接杆332外侧的所述法兰上，并与所述第二驱动件333通过法兰连接。

所述第三机械臂组件35包括第四连接杆351、第二关节353和第三驱动件355。所述第四连接杆351的一端与所述第三连接杆332的另一端可转动地连接。所述第四连接杆351的另一端可转动地设置在所述第二关节353的一端上。所述第二关节353的另一端设置在所述第二支撑板13远离所述第一支撑板11的一端的另一侧上。所述第三驱动件355设置在所述第二关节353的外侧并与所述第四连接杆351连接。所述第三驱动件355驱动所述第四连接杆351绕所述第三驱动件355的输出轴的第三轴线3551转动。

机器人100的底座10上定义一个基础坐标系，设该基础坐标系为W₀，该基础坐标系的坐标原点为O(0，0，0)，坐标轴分别为X、Y和Z轴。其中，第一轴线3151、第二轴线3331和第三轴线3551均平行于X轴但不重合。Y轴与X轴在同一水平面内，但与X轴相垂直。Z轴分别垂直X轴和Y轴。第一机械臂组件31、第二机械臂组件33和第三机械臂组件35的运动的合成相当于机器人在所述Y轴、Z轴和绕X轴转动的三个方向上运动的合成。

请一并参考图3，所述执行工具40包括工具安装座41和至少一组工具面43。所述工具安装座41具有第一安装面413和至少一个第二安装面411。所述至少一个第二安装面411与所述第一安装面413的至少一个边相互连接，且所述至少一个第二安装面411与所述第一安装面413相互垂直。所述工具安装座41通过所述第一安装面413设置在所述第二机械臂组件33上。所述至少一组工具面43设置于所述至少一个第二安装面411上。具体地，本实施方式中，所述工具安装座41呈三角棱柱状，其具有第一安装面413和三个第二安装面411。所述第一安装面413呈三角形状。所述三个第二安装面411分别与所述第一安装面413的三个边相互连接而形成三角棱柱状。所述工具安装座41通过所述第一安装面413设置在所述第三连接杆332外侧的法兰上，并通过法兰与所述第二驱动件333相连接。所述至少一组工具面43包括三组工具面43。所述三组工具面43分别安装在所述三个第二安装面411上。可以理解，在其它实施方式中，执行工具40也可以包含有1个或2个工具面43，不限于此。

如图2所示，所述第三连接杆332的外侧安装所述执行工具40的一端法兰上定义有一个法兰坐标系，设该法兰坐标系为T₀，该法兰坐标系T₀的坐标原点为O'，坐标轴分别为X'、Y'和Z'轴。所述第二驱动件333驱动法兰旋转时，该法兰坐标系T₀将跟随法兰旋转。

治具模组50具有两个自由度，具体地，治具模组50包括直线运动滑台51及旋转台53。直线运动滑台51设置在所述第一支撑板11远离所述第二支撑板13的一端上。旋转台53转动地设置于直线运动滑台51上。直线运动滑台51沿直线轴线511运动。旋转台53沿旋转轴线531转动。直线轴线511平行于X轴。旋转轴线531平行于Z轴。

校正装置200设置在旋转台53上。具体地，校正装置200包括底座(未标示)、两个定位销钉(未标示)及校正凹槽203。底座设置在旋转台53上，大致呈圆台状结构。两个结构相同的定位销钉相对设于底座上。校正装置200上包括两个校正点，校正点一201和校正点二202分别为对应一个定位销钉的顶端且其连成一条校正线(未示出)。校正凹槽203开设于底座的顶面上且穿过其顶面的圆心将校正装置200平分为两部分。校正凹槽203与校正点一201及校正点二202连成的校正线垂直。

驱动模组30带动执行工具40运动，治具模组50带动校正装置200运动，将执行工具40的工具面43接触校正装置200的校正点一201及校正点二202，进而完成工具面43的校正。

可理解，在其它实施方式中，底座10不限定于L形状，还可以为倒T形，十字形等，具体可根据实际需要设置。驱动模组30和治具模组50不限定设置位置，只要两者的位置能够相互配合完成对工具面43的校正即可。

可理解，在其它实施方式中，底座10还可以为一体成型。

所述控制器电性连接第一驱动件315、第二驱动件333、第三驱动件355、直线运动滑台51及旋转台53，该控制器中设置有控制软件，通过控制器的控制软件可控制第一机械臂组件31、第二机械臂组件33、第三机械臂组件35、直线运动滑台51及旋转台53作相应的运动，进而带动校正装置200及执行工具40按预定轨迹移动。

校正装置200的校正凹槽203可用于校正治具模组50的位置与角度原点。将一个与校正凹槽203相同宽度的板块安装于所述第三连接杆332外侧的法兰，操作治具模组50的位置与旋转角度将校正凹槽203与板块对齐，直到驱动模组30能将板块插入校正凹槽203，此时治具模组50的位置与旋转角度为治具模组50位置与角度的原点。

校正装置200上的校正点一201、校正点二202也可用于检验旋转台53的同心度。将一个销钉安装于所述第三连接杆332外侧的法兰，操作驱动模组30与治具模组50将销钉接触校正点一201，记录驱动模组30当时位置。命令驱动模组30将销钉远离校正点一201，再命令旋转台53转180度，命令驱动模组30将销钉移至之前记录的位置；如果销钉能成功地接触校正点二202，则旋转台53有良好的同心度。

机器人工具面校准方法请同时参阅图4，在步骤S101中，在机器人100的治具模组50上设置一个具有校正点一201、校正点二202的校正装置200。

在步骤S102中，机器人100的底座10上定义一个基础坐标系，设该基础坐标系为W₀，该基础坐标系的坐标原点为O(0，0，0)，坐标轴分别为X、Y和Z轴。

在步骤S103中，所述第三连接杆332的外侧安装所述执行工具40的一端定义一个法兰坐标系，设该法兰坐标系为T₀，该法兰坐标系T₀的坐标原点为O'，坐标轴分别为X'、Y'和Z'轴。

在步骤S104中，根据设计参数或测量得出校正点一201及校正点二202在基础坐标系W₀中的坐标位置为(X₁，Y₁，Z₁)及(X₂，Y₂，Z₂)，且通过坐标位置(X₁，Y₁，Z₁)及(X₂，Y₂，Z₂)计算出一个与基础坐标系W₀的Z轴垂直且包括坐标位置(X₁，Y₁，Z₁)及(X₂，Y₂，Z₂)的特征面，在所述特征面上定义一个特征面坐标系，例如可将连接(X₁，Y₁，Z₁)与(X₂，Y₂，Z₂)的直线定义为特征面坐标系的X轴，所述特征面坐标系相对于基础坐标系W₀的旋转矩阵R₁(R₁是个3×3的矩阵用于表达特征面坐标系相对基础坐标系的旋转角度关系；假设V是特征面坐标系里的一个向量，则R₁×V是此向量表达于基础坐标系的坐标值)；并记录于控制器中的控制软件中。

在步骤S105中，Y₁不等于Y₂即校正线不与X轴平行时，驱动驱动模组30上的第一机械臂组件31、第二机械臂组件33、第三机械臂组件35转动以带动执行工具40移动，具体地，驱动第一驱动件315、第二驱动件333和第三驱动件355转动，使执行工具40的工具面43接触于校正装置200的校正点一201、校正点二202上；此时，工具面43与特征面重合，即在法兰坐标系T₀的旋转矩阵相同，测算出特征面相对于法兰坐标系T₀的旋转矩阵即可得出工具面43相对于法兰坐标系T₀的旋转矩阵。

在步骤S106中，控制器中的控制软件根据第一机械臂组件31、第二机械臂组件33和第三机械臂组件35之间的几何关系，建立机器人的运动学方程，进而计算出此时法兰坐标系T₀相对于基础坐标系W₀的旋转矩阵为R₀。

在步骤S107中，定义上述工具面43相对于法兰坐标系T₀的旋转矩阵为R_t,并根据方程式R_t＝R₀ ^-1×R₁计算出该工具面43相对于法兰坐标系T₀的旋转矩阵为R_t，进而便于控制器根据R_t与工具面作业时的目标旋转角度对工具面的实际旋转角度进行调整，使工具面43能精确地运行至工作空间里的指定角度。

可以理解，步骤S103和S104的顺序可以互换。

可以理解，在步骤S105中，也可以采用人工搬动第一机械臂组件31、第二机械臂组件33和第三机械臂组件35进行转动，以带动执行工具40移动，并使执行工具40的工具面43接触于校正装置200的校正点一201及校正点二202，此方式能够进一步增强可操控性，有效避免执行工具40的工具面43过度抵压于校正装置200的校正点一201及校正点二202上。

上述机器人工具面校准方法，由于该机器人100的底座10及所述第三连接杆332的外侧法兰安装所述执行工具40的一端分别定义有基础坐标系W₀及法兰坐标系T₀，通过在治具模组50上设置一个具有校正点一201、校正点二202的校正装置200，校正点一201与校正点二202协助定义一个特征面，并根据设计参数或测量得出特征面相对于基础坐标系W₀的旋转矩阵为R₁；将工具面43接触于校正装置200的特征面上；控制器根据运动学计算出此时法兰坐标系T₀相对于基础坐标系W₀的旋转矩阵为R₀，并根据方程式R_t＝R₀ ^-1×R₁即可计算出工具面43相对于法兰坐标系T₀的旋转矩阵为R_t，进而便于控制器根据工具面43相对于法兰坐标系T₀的旋转矩阵为R_t将工具面43精确地运行至工作空间里的指定角度，提高了执行工具40对工件的夹持、加工等作业精度；同时，由于该机器人工具面校准方法仅通过加装一个校正装置200，并使工具面43接触于校正点一201、校正点二202上，再结合机器人100的控制器即可实现校准工具面43相对于法兰坐标系T₀的旋转矩阵，操作简单，并大大缩短了校准时长。

可以理解，在其它实施方式中，驱动模组30还可以为自由转动地多个机械臂相连的结构，此时机械臂运动的合成相当于机器人在Y轴、Z轴和X轴三个方向上运动的合成，相应的，校正装置也就改为包含不在同一直线上的三个校正点的结构，所述三个校正点构成一个特征面，此时校正工具面43时，应当使工具面43接触于校正装置200上的三个校正点。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围。

Claims

1.一种机器人工具面的校准方法，用于校准机器人执行工具的工具面的实际角度，所述机器人包括底座、驱动模组、执行工具、治具模组及与驱动模组和治具模组相连的控制器，所述驱动模组一端连接于所述底座上，另一端装设所述执行工具，所述驱动模组可带动所述执行工具绕第一方向转动并且可沿第二方向和第三方向移动，所述治具模组设置于所述底座远离所述驱动模组的一端，所述机器人配合一个具有校正点一和校正点二的校正装置实现校准，所述校正装置装设于所述治具模组上，所述治具模组可带动所述校正装置绕第三方向转动并且可沿第一方向移动，其特征在于，所述校准方法包括以下步骤:

2.如权利要求1所述的机器人工具面的校准方法，其特征在于：所述底座包括第一支撑板和第二支撑板，所述第二支撑板设置在所述第一支撑板上，所述驱动模组设置在所述第二支撑板远离所述第一支撑板的一端上，所述治具模组设置在所述第一支撑板远离所述第二支撑板的一端上。

3.如权利要求2所述的机器人工具面的校准方法，其特征在于：所述驱动模组包括第一机械臂组件、第二机械臂组件和第三机械臂组件，所述第一机械臂组件和所述第三机械臂组件的一端分别设置在所述第二支撑板上，所述第二机械臂组件的两端分别可转动地连接在所述第一机械臂组件和第三机械臂组件的另一端上，所述第一机械臂组件沿第一轴线转动，所述第二机械臂组件沿第二轴线转动，所述第三机械臂组件沿第三轴线转动，所述第一机械臂组件包括第一关节、第一连接杆和第一驱动件，所述第一关节设置在所述第二支撑板远离所述第一支撑板的一端的一侧上，所述第一连接杆的一端可转动地设置在所述第一关节内侧上，所述第一驱动件设置在所述第一关节外侧并与所述第一连接杆连接，所述第一驱动件驱动所述第一连接杆绕所述第一驱动件的输出轴的第一轴线转动，所述第二机械臂组件包括第二连接杆、第三连接杆和第二驱动件，所述第二连接杆的一端可转动地设置在所述第一连接杆的另一端上，所述第三连接杆的一端可转动地设置在所述第二连接杆的另一端上，所述第三连接杆的另一端可转动地设置在所述第三机械臂组件上，所述第二驱动件设置在所述第二连接杆的外侧，并与所述第三连接杆连接，所述第二驱动件驱动所述第二连接杆及所述第三连接杆连接处的法兰绕着所述第二驱动件的输出轴的第二轴线转动，所述执行工具安装在所述第三连接杆外侧的所述法兰上，并通过所述法兰与所述第二驱动件连接，所述第三机械臂组件包括第四连接杆、第二关节和第三驱动件，所述第四连接杆的一端与所述第三连接杆的另一端可转动地连接，所述第四连接杆的另一端可转动地设置在所述第二关节的一端上，所述第二关节的另一端设置在所述第二支撑板远离所述第一支撑板的一端的另一侧上，所述第三驱动件设置在所述第二关节的外侧并与所述第四连接杆连接，所述第三驱动件驱动所述第四连接杆绕所述第三驱动件的输出轴的第三轴线转动，所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线均平行于X轴但不重合。

4.如权利要求3所述的机器人工具面的校准方法，其特征在于：所述治具模组包括直线运动滑台及旋转台，所述直线运动滑台设置在所述第一支撑板远离所述第二支撑板的一端上，所述旋转台转动地设置于所述直线运动滑台上，所述校正装置设置在所述旋转台上，所述直线运动滑台沿直线轴线运动，所述旋转台沿旋转轴线转动，所述直线轴线平行于X轴，所述旋转轴线平行于Z轴。

5.如权利要求4所述的机器人工具面的校准方法，其特征在于：所述校正装置还包括第二底座、两个定位销钉及校正凹槽，所述第二底座设置在所述旋转台上，两个所述定位销钉结构相同且相对设于所述第二底座上，所述校正点一及所述校正点二分别为对应一个定位销钉的顶端，所述校正凹槽开设于所述第二底座的顶面上且穿过所述第二底座顶面的圆心将所述校正装置平分为两部分，在步骤A之前还包括用校正装置校正治具模组的位置与角度原点，其步骤如下:将一个与所述校正凹槽相同宽度的板块安装于所述第三连接杆外侧的法兰，操作所述治具模组的位置与旋转角度将所述校正凹槽与所述第二机械臂组件上的板块对齐，直到能将板块插入所述校正凹槽，此时所述治具模组的位置与旋转角度为所述治具模组位置与角度的原点。

6.如权利要求4所述的机器人工具面的校准方法，其特征在于：在步骤A之前还包括旋转台的同心度的检验，其步骤如下:将一个销钉安装在所述第三连接杆外侧的法兰，操作所述驱动模组将销钉接触所述校正点一，记录所述驱动模组当时的位置，命令所述驱动模组将销钉远离所述校正点一，再命令所述旋转台转180度，命令所述驱动模组将销钉移至之前记录的位置；如果销钉能成功地接触所述校正点二，则所述旋转台有良好的同心度。