CN110181558A - 一种变臂关节式坐标测量机标定机器人的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于标定机器人领域，提供一种变臂关节式坐标测量机标定机器人的装置，包括基座（1）、旋转关节（2）、摆动关节（3）、直线移动关节（4）、高精密金属球（6），将基座（1）固定于测量平台上，其特征在于，所述基座（1）与旋转关节（2）的一端活动连接，所述旋转关节（2）的另一端与摆动关节（3）的一端连接，所述摆动关节（3）的另一端通过螺钉与直线移动关节（4）的固定端（7）螺纹连接，所述直线移动关节（4）的移动端（5）与高精密金属球（6）采用螺栓（8）固定连接，并高精密金属球6与机器人连接部件活动连接。其方法通过建立距离误差模型，并利用LM算法完成迭代计算，识别机器人结构参数，提高机器人定位精度。

Description

一种变臂关节式坐标测量机标定机器人的装置及其方法

技术领域

本发明属于机器人标定领域，涉及关节式坐标测量机，具体涉及变臂关节式坐标测量机标定机器人的装置及其方法。

背景技术

随着工业机器人在各个领域的广泛应用，对机器人的定位精度的要求越来越高。一般的影响机器人定位精度的因素可归为如下几类：参数因素：机器人运动学模型结构参数，包括杆件长度、相邻轴线的倾斜、关节的零位等。负载因素：机器人杆件弹性变形、齿轮传动误差、关节间隙等。数字误差：包括机器人关节码盘读数精度、机器人控制器的控制分辨能力、编程分辨能力、计算机舍入误差等。环境因素：温度影响、湿度影响、电噪声以及随机误差等。

根据研究文献表明，几何结构参数偏差引起的误差占机器人中误差的80％左右。因此准确识别机器人真实结构参数，减小几何结构参数误差是调高机器人定位精度的重要方法。其中标定是识别机器人真实结构参数，提高机器人定位精度的重要途径之一。所谓标定就是应用先进的测量手段和基于模型的参数识别方法辨识出机器人模型的准确参数。机器人标定能够提高机器人精度，帮助机器人完成复杂的离线编程任务，提高生产效率。因此机器人标定技术有很大的研究价值。

常用的机器人标定的测量仪器有激光跟踪仪、激光干涉仪等。这些测量仪器都存在价格昂贵、标定步骤繁琐、受环境因素影响较大等缺点。现有专利CN201620312053.1、一种机器人标定测试组合装置，所述机器人标定测试组合装置与激光系统相配合并用以标定机器人姿态，所述机器人标定测试组合装置包括固定于机器人上的标定板及直接固定于机器人或标定板上的负载组件，所述负载组件包括若干能够拆卸连接的量块以及将若干量块固定至一起的固定件；但存在着激光跟踪仪价格昂贵，光线易被遮挡的问题。还有专利CN201510295698.9、一种基于拉线编码器的工业机器人标定算法，但存在着测量过程较为繁琐，测量范围不大等问题。

目前应用较广的是手眼标定方法，以摄像机作为测量设备，利用视觉跟踪系统进行测量。此类方法有较高的性价比，但存在着测量精度不高，难以在生产现场实现。

发明内容

本发明的目的是为了解决这一问题，针对现有用于机器人标定的测量仪器的不足，提供一种变臂关节式坐标测量机标定机器人的装置及其方法，降低机器人标定的成本，简化机器人标定过程。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种变臂关节式坐标测量机标定机器人的装置，包括基座1、一个旋转关节2、一个摆动关节3、一个直线移动关节4、一个连接部件高精密金属球6，将基座1固定于测量平台上，所述基座1与旋转关节2的一端活动连接，所述旋转关节2的另一端与摆动关节3的一端连接，所述摆动关节3的另一端通过螺钉与直线移动关节4的固定端7螺纹连接，所述直线移动关节的移动端5与高精密金属球6采用螺栓8固定连接，并高精密金属球6与机器人连接部件活动连接。

优选地，所述机器人连接部件，包括法兰盘21，钢珠22，磁铁23，所述法兰盘21的一面通过螺钉固定于机器人摆动关节24末端，所述法兰盘21另一面通过胶水固定有多个均布的钢珠22和位于钢珠内的磁铁23用于确定高精度金属球6的位置。

优选地，所述直线移动关节4的第一光轴9穿过导轨连接件11与轴承固定件14上的直线轴承15相套配合连接，所述轴承固定件14与导轨连接件11通过螺钉12进行固定，并夹持直线轴承15。

优选地，所述直线移动关节4的固定端7通过螺钉固定连接三个第二光轴16实现移动，第二光轴16另一端固定连接于轴承固定件19上，所述轴承固定件19与导轨连接件20通过螺钉进行固定连接，金属板17一端固定连接固定端7，另一端通过定位的套筒18固定连接轴承固定件19。

一种变臂关节式坐标测量机标定机器人的方法，包括以下步骤：

步骤一：变臂关机式坐标测量机与机器人活动连接；

步骤二：针对变臂关节式坐标测量机与机器人分别建立运动学模型；

步骤三：让机器人以不同姿态运动到不同路点，计算并记录金属球球心在便携关机式坐标测量机所在坐标系以及在机器人所在坐标系中的不同位置坐标；

步骤四：计算两个坐标系中，相同两点的距离，建立距离误差模型；

步骤五：利用LM算法，迭代计算结构参数误差，直到精度达到要求。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

本发明变臂关节式坐标测量机，可应用于工业现场，不会出现传统机器人标定仪器使用过程中出现的遮光等问题，增强了机器人标定工作的环境适应性。相比激光跟踪仪、三坐标测量仪等仪器，本发明降低了用于机器人标定的测量仪器的成本。此标定方法，流程简单，易于操作，简化了标定过程。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明变臂关节式坐标测量机的示意图。

图2是本发明变臂关节式坐标测量机的直线移动关节示意图。

图3是本发明变臂关节式坐标测量机的直线移动关节移动端示意图。

图4是本发明变臂关节式坐标测量机的直线移动关节移动端局部放大示意图。

图5是本发明变臂关节式坐标测量机的直线移动关节固定端示意图。

图6是本发明变臂关节式坐标测量机的坐标测量机连接部件与机器人示意图。

图7是本发明变臂关节式坐标测量机的坐标测量机与机器人连接部件示意图。

图8是本发明变臂关节式坐标测量机的坐标测量机与机器人标定位姿示意图。

图9是本发明变臂关节式坐标测量机的区域重叠测量全空间示意图。

图10是本发明变臂关节式坐标测量机的机器人标定流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-6所示，一种变臂关节式坐标测量机标定机器人的装置，包括基座1、一个旋转关节2、一个摆动关节3、一个直线移动关节4，5、一个连接部件高精密金属球6，将基座1固定于测量平台上，所述基座1与旋转关节2的一端活动连接，所述旋转关节2的另一端与摆动关节3的一端连接，所述摆动关节3的另一端通过螺钉与直线移动关节4的固定端7螺纹连接，所述直线移动关节4的移动端5与高精密金属球6采用螺栓8固定连接，并高精密金属球6与机器人连接部件活动连接。所述旋转关节能够完成360°旋转，摆动关节完成120°旋转。

优选地，所述机器人连接部件，包括法兰盘21，钢珠22，磁铁23，所述法兰盘21的一面通过螺钉固定于机器人摆动关节24末端，所述法兰盘21另一面通过胶水固定有多个均布的钢珠22和位于钢珠内的磁铁23用于确定高精度金属球6的位置，钢珠22数量为至少3个。机器人连接部件与坐标测量机通过吸附同一个高精度金属球以完成连接。

优选地，所述直线移动关节移动端5拖动高精度金属球6与机器人进行连接，所述直线移动关节4的第一光轴9穿过导轨连接件11与轴承固定件14上的直线轴承15套相配合连接，所述轴承固定件14与导轨连接件11通过螺钉12进行固定，并夹持直线轴承15。

优选地，所述直线移动关节4的固定端通过螺钉固定连接三个第二光轴16实现移动，第二光轴16另一端固定连接于轴承固定件19上，金属板17一端固定连接固定端7，另一端通过定位的套筒18固定连接轴承固定件19。所述轴承固定件19与导轨连接件20通过螺钉进行固定连接。金属板17用于黏贴光栅钢条。套筒18用于固定17。

如图8所示，便携变臂式坐标测量机与机器人进行标定过程中的两种不同位姿。机器人按照规定进行关节转动，转动过程中，坐标测量机各关节跟随转动和移动，从而测得同一时间高精度金属球球心坐标。

如图9所示，通过区域重叠，可以测量机器人全部工作区域，以得到更全面的测量数据，实现更精确的标定。

一种变臂关节式坐标测量机标定机器人的方法，包括以下步骤：

如图7、8、9、10所示，步骤一：坐标测量机与机器人完成连接，完成连接后便携关节式坐标测量机与机器人的状态。

步骤二：针对便携关节式坐标测量机与机器人分别建立运动学模型，通过读取各个关节角度编码器的数值，以及所建立的运动学模型，可计算得到在变臂关机式坐标测量机所在坐标系中，金属球球心位置坐标为A_i，在机器人所在坐标系中金属球球心坐标为B_i。

步骤三：控制机器人在其工作空间内，以不同的姿态运动到不同的轨迹点，计算并记录每个轨迹点获得两个球心位置坐标；变臂关节式坐标测量机测得的标准球心位置坐标为A，以及读取机器人各关节编码器读数，利用理论运动学模型计算求得球心位置坐标B。

步骤四：计算两个坐标系中，相同两点的距离，建立距离误差模型；

以旋量理论建立机器人运动学模型。旋量理论可将串联机器人的运动方程表示成运动旋量的指数积，从而提供了机器人运动的完整几何表示方法，大大的简化了机器人机构的分析，并提供了串联机器人的机构参数化表示方法。各关节从0位旋转θ角度后，末端执行器坐标系{t}相对于基坐标系{s}的位姿的表达式为

g_st(0)为机器人在零位时的位姿矩阵。对于旋转关节，运动旋量的矩阵指数形式可表示为：

式中表示各轴原点在基础坐标系[S]中的坐标，表示各旋转轴在基础坐标系[S]中的方向向量。根据式(1)、式(2)可得到计算机器人末端执行器位置坐标的函数：

[x_r,y_r,z_r]为机器人末端执行器坐标位置。

对于空间中任意两点对于空间中的任意两点i,j，两点间的距离误差可表示为：

其中{x_r,y_r,z_r}为机器人实际计算得到的坐标。Δl(i,j)为i,j两点间的距离误差。

Δx_r(i),Δy_r(i),Δz_r(i),Δx_r(j),Δy_r(j),Δz_r(j),为实际测量点坐标与理论坐标值之间的误差。

推导可得

可以将两点间的距离误差表示为由实际测量点和误差项构成的函数关系式。

步骤五：建立了变臂关节式坐标测量机的误差模型后需要对其中的误差参数进行识别。

采用LM算法对误差参数进行识别。对于可观测量x与y，有如下函数关系：

y＝f(x；b₁,b₂,.....b_n)

其中x为自变量，y为因变量，b为待识别参数求出y＝f(x；b)的Jacobian矩阵

推导可得

Δ＝(A^TA+μI)·A^T(y-f)

其中μ为正实参数，称为阻尼因子，以此来改善病态性。A^T为A的转置矩阵，Δ＝[Δ₁,Δ₂....Δ_n]^T为各项结构参数误差。可以求解出各项结构参数的误差Δ，并有：

得到参数向量b的新值，重复上述的计算过程，反复迭代直到Δ_j小于一定值，测量精度达到要求即可。

以上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。

Claims (5)

1.一种变臂关节式坐标测量机标定机器人的装置，包括基座（1）、旋转关节（2）、摆动关节（3）、直线移动关节（4）、高精密金属球（6），将基座（1）固定于测量平台上，其特征在于，所述基座（1）与旋转关节（2）的一端活动连接，所述旋转关节（2）的另一端与摆动关节（3）的一端连接，所述摆动关节（3）的另一端通过螺钉与直线移动关节（4）的固定端（7）螺纹连接，所述直线移动关节（4）的移动端（5）与高精密金属球（6）采用螺栓（8）固定连接，并高精密金属球（6）与机器人连接部件活动连接。

2.根据权利要求1所述变臂关节式坐标测量机标定机器人的装置，其特征在于：所述机器人连接部件，包括法兰盘（21），钢珠（22），磁铁（23），所述法兰盘（21）的一端通过螺钉固定于机器人摆动关节（24）末端，所述法兰盘（21）另一端通过胶水固定有多个均布的钢珠（22）和位于钢珠内的磁铁（23）用于确定高精度金属球（6）的位置。

3.根据权利要求1所述变臂关节式坐标测量机标定机器人的装置，其特征在于：所述直线移动关节（4）的第一光轴（9）穿过导轨连接件（11）与轴承固定件（14）上的直线轴承（15）套配合相连接，所述轴承固定件（14）与导轨连接件（11）通过螺钉（12）进行固定，并所述轴承固定件（14）与导轨连接件（11）固定夹持直线轴承（15）。

4.根据权利要求1所述变臂关节式坐标测量机标定机器人的装置，其特征在于：所述直线移动关节（4）的固定端（7）通过螺钉固定连接3个第二光轴（16），第二光轴（16）另一端固定连接于轴承固定件（19）上，所述轴承固定件（19）与导轨连接件（20）通过螺钉进行固定，金属板（17）一端固定连接固定端（7），另一端通过定位的套筒（18）固定连接轴承固定件（19）。

5.一种变臂关节式坐标测量机标定机器人的方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：变臂关机式坐标测量机与机器人活动连接；

步骤二：针对变臂关节式坐标测量机与机器人分别建立运动学模型；

步骤三：让机器人以不同姿态运动到不同路点，计算并记录金属球球心在便携关机式坐标测量机所在坐标系以及在机器人所在坐标系中的不同位置坐标；

步骤四：计算两个坐标系中，相同两点的距离，建立距离误差模型；

步骤五：利用LM算法，迭代计算结构参数误差，直到精度达到要求。