CN110202582B

CN110202582B - 一种基于三坐标平台的机器人标定方法

Info

Publication number: CN110202582B
Application number: CN201910596496.6A
Authority: CN
Inventors: 高兴宇; 付树兵; 李煜; 陆佳琪
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2021-11-26
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: CN110202582A

Abstract

本发明公开了一种基于三坐标平台的机器人标定方法，是在三坐标平台上设置标定点，工业触摸屏设在三坐标平台上与机器人构成闭合控制回路；用工业相机做辅助定位，获取标定点位置信息，分析和测量平台的三维误差，通过线性算法补差测量平台几何误差，完成三坐标平台的误差补偿后，将探针安装在机器人法兰盘末端；保持探针与标定点重合，建立三坐标平台坐标系与机器人基础坐标系的映射关系进行机器人标定示教，当探针与标定点重合，对比标定点坐标与机器人控制器中的位置坐标，两者的差值即为机器人位置误差；该方法利用三坐标平台运动误差的简单特性，补偿其线性误差后间接测量机器人执行末端位置及误差，具有较好的灵活性，操作简单，实施性强。

Description

一种基于三坐标平台的机器人标定方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体是一种基于三坐标平台的机器人标定方法。

背景技术

六轴工业机器人因其通用性强、灵活性高、容错能力强、工作空间大等优势，在汽车、航空，军工以及电力等领域得到广泛使用。现阶段机器人重复定位精度高，有些甚至能达到±0.01mm，但绝对定位精度低，是目前制约机器人在高精密领域使用的主要因素。因此，提高机器人绝对定位精度，对自动化程度的提高，机器人技术的发展具有非常重要的意义。

机器人定位精度有三个重要指标：包括准确度、重复性和分辨率。分辨率是指机器人末端执行器可靠运行时的最小位姿运动的大小；重复性是指在工作空间内机器人重复运行到同一位姿的能力程度。准确度(即绝对精度)是指在工作空间内机器人达到某一指令位姿能力的数量化描述。对于柔性制造生产线中的单件机器人本体来说，不可避免的存在包括制造、维修、装配误差，传动误差，磨损，柔顺性等诸多因素的影响。因此使用机器人之前，需要对其进行标定，提高其绝对定位精度。

标定方法一般包括四个步骤：①运动学建模；②误差测量；③参数辨识；④误差补偿。传统的D-H模型存在奇异点，运动学模型缺乏完整性和连续性，同时，数据测量设备昂贵。

综上，机器人末端位置的测量方法以及测量设备的设计仍需研究与开发。同时还需完善运动学模型，简化标定流程，为提高机器人定位精度提供保障。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种基于三坐标平台的机器人标定方法，该测量方法操作简单、实用、效率高，有效的提高机器人的绝对定位精度。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于三坐标平台的机器人标定方法，包括如下步骤：

1)搭建三坐标平台；

2)在所搭建的三坐标平台上放置一个标准球和工业触摸平板并设置平板标定点；

3)测量所搭建三坐标平台的误差值；

4)根据测量得到的误差值，对三坐标平台进行误差补偿；

5)建立机器人运动学模型；

6)将探针安装在机器人法兰盘末端；

7)对探针进行工具参数标定，得到探针的长度尺寸；

8)对三坐标平台坐标系与机器人运动学模型中的机器人基础坐标系{S}建立映射关系；

9)对机器人进行示教，得到机器人末端位置误差参数值；

10)对机器人运动学参数进行辨识，得到运动学参数误差值；

11)进行实验验证：对运动学参数误差值进行补偿，进行二次示教，使机器人满足设计精度要求。

步骤3)中，所述测量所搭建三坐标平台的误差值，是通过大视场相机获取平板标定点位置信息，分别移动平板标定点沿X、Y轴方向移动，每移动100mm拍摄一次照片，然后通过线性拟合，求出移动平板标定点与X、Y轴的偏转角α，β，三坐标平台回原点，移动平板标定点做垂直方向移动，每移动100mm拍摄一次照片，然后通过线性拟合，求出移动平板标定点与Z轴的偏转角γ。

步骤5)中，所述建立机器人运动学模型，是通过旋量理论建立POE模型，根据刚体旋量理论，机器人法兰盘末端坐标系{T}相对于机器人基础坐标系{S}的变换关系为：

上述公式(1)中，g_st(θ)表示机器人法兰盘末端坐标系{T}相对于机器人基础坐标系{S}的变换矩阵，

表示相邻连杆的齐式变换矩阵，g_st(0)表示相对于机器人基础坐标系{S}的起始位姿。

步骤7)中，所述对探针进行工具参数标定，是通过工作空间内已知的位置点，探针末端与机器人末端法兰盘之间的相对位置转换关系矩阵为g'_st(θ)，转换关系如下：

上述公式(2)中，g_st(θ)为机器人法兰盘末端坐标系{T}相对于机器人基础坐标系{S}的变换矩阵，从机器人控制系统界面获取；g'_st(θ)为探针末端坐标系相对于机器人法兰盘末端坐标系{T}的变换矩阵，

为平板标定点相对于机器人基础坐标系{S}的位姿矩阵。

步骤10)中，所述对机器人运动学参数进行辨识，是对机器人运动学模型做微分处理，得到雅可比矩阵，建立误差模型，将步骤9)所得到的机器人末端位置误差参数值带入误差模型，利用最小二乘法，辨识运动学参数误差，得到运动学参数误差值。

步骤11)中，所述实验验证，是利用步骤10)得到的运动学参数误差值进行转动关节补偿，然后二次示教；当机器人指令坐标与标定点能完全重合时，停止测量过程，否则，重复步骤9)、10)、11)，直到满足设计精度要求。

有益效果：本发明提供的一种基于三坐标平台的机器人标定方法，该方法利用相机辅助定位，工业平板标定点与标准球作为参考点，测量出自制三坐标平台的坐标误差，利用三坐标的几何误差线性关系进行误差补偿，提高三坐标平台的定位精度，然后将三坐标平台的坐标系与机器人基础坐标系建立映射关系，保持探针与标定点重合，利用三坐标平台间接测量机器人末端位置以及末端位置误差值，进行补偿其误差后，测量精度可以达到1微米，因此标定精度高。相机快速精确定位标定点位置，缩短标定时间。工业平板与机器人构成闭合控制回路，提高自动化标定程度。机器人末端位置测量方便、简洁、可测空间大，操作灵活，标定系统简单；标定结果精度高，成本低；适用于任何串联机器人。

附图说明

图1为本发明一种基于三坐标平台的机器人标定方法的步骤流程图；

图2为本发明的三坐标测量平台测量误差示意图；

图3为本发明示教测量示意图；

图4为本发明的机器人结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，一种基于三坐标平台的机器人标定方法，包括如下步骤：

1)搭建三坐标平台，如图2所示

由于三坐标平台结构简单，其几何误差往往成线性关系，误差计算和补偿方便，则采用伺服电机构成闭环控制，控制精度高；

2)在所搭建的三坐标平台上放置一个标准球和工业触摸平板，具体是在平板中间显示一个十字，交叉点即为标定点，在工业平板托架上正对相机2的平面中间设置交叉点，用于测量三坐标平台z轴方向上的偏差，标准球固定，用做距离测量的参考点。

3)测量所搭建三坐标平台的误差值

如图3所示，使用相机1获取标定点位置信息，以标准球球心为原点，相机测得平板标定点到球心的距离(在三坐标平台Y轴方向上)为l₁，三坐标平台沿X轴正方向移动，每移动100mm拍摄一次，记录平板标定点在标准球球心坐标系XOY平面的坐标(x₁,y₁)，(x₂,y₂)…(x_n,y_n)，拟合出一条线性公式y＝ax+b，其中：

x_i＝x_i-l₁

则tanα＝a,在X轴上的偏转角α＝arctana，同理，测得平板标定点到球心的距离(在三坐标平台X轴方向上)为l₂，采用线性拟合求得Y轴上的偏转角β＝arctana，使用相机2获取标定点位置信息，采用相同方法，求得γ＝arctana。

4)根据测量得到的误差值，对三坐标平台进行误差补偿；

由于加工、装配等误差，三坐标平台的丝杆与坐标轴存在偏离，设l_xi,l_yi,l_zi为丝杆相对三坐标平台坐标原点移动的实际距离，则实际误差补偿后的位置点为：

x_i＝l_xi·cosα,y_i＝l_yi·cosβ,z_i＝l_zi·cosγ

其中x_i为误差补偿后的X轴移动距离，y_i为误差补偿后的Y轴移动距离，z_i为误差补偿后的Z轴移动距离。

5)建立机器人运动学模型；

设刚体绕轴

转动，且||ω|||＝1，

为轴上一点，根据旋量理论，定义运动旋量坐标ξ和运动旋量

分别为：

和

其中

采用指数形式的矩阵表达式：

其中ω表示旋转轴方向的单位矢量，θ为转角，

表示一个空间向量群，

为反对称矩阵，ξ为运动旋量坐标，

为运动旋量，ν是一个矢量，表示刚体位移。

设g_st(0)表示刚体相对于基坐标系的起始位姿，通过旋量理论建立POE模型，根据刚体旋量理论，机器人法兰盘末端坐标系{T}相对于机器人基础坐标系{S}的变换关系为：

其中g_st(θ)表示机器人法兰盘末端坐标系{T}相对于机器人基础坐标系{S}的变换矩阵，

表示相邻连杆的齐式变换矩阵，g_st(0)表示相对于基础坐标系的起始位姿。

6)将探针安装在机器人法兰盘末端，将探针与机器人系统进行连接，构造整个测量系统的硬件平台，本实施例采用的机器人为通用六轴机器人，其结构如图4所示。

7)对探针进行工具参数标定，得到探针的长度尺寸；

在工作空间内设置已知位置点，探针末端与机器人末端法兰盘之间的相对位置转换关系矩阵g'_st(θ)，转换关系如下：

其中g_st(θ)为机器人法兰盘末端坐标系{T}相对于机器人基础坐标系{S}的变换矩阵，可从机器人控制系统界面获取，g'_st(θ)为探针末端坐标系相对于机器人法兰盘末端坐标系{T}的变换矩阵，

为三坐标平台标定点相对于机器人基础坐标系{S}的位姿矩阵。

三坐标平台回原点，探针与平板标定点重合，从机器人控制界面读取平板标定点相对基础坐标系{S}的位置O＝[x₀ y₀ z₀]，输入指令坐标(相对于三坐标平台)N＝[x_i y_iz_i]，平板标定点运动到指定位置，相对于机器人基础坐标系{S}的位置M＝[x_m y_m z_m]，其中x_m＝x₀+y_i y_m＝y₀-x_i z_m＝z₀+z_i。

9)对机器人进行示教，得到机器人末端位置误差参数值；

输入指令坐标移动平板标定点到指定位置，相机拍照引导机器人探针处于平板标定点正上方，然后垂直向下运动，直至探针与平板接触，机器人停止运动；当探针与平板标定点存在不完全重合时，重新标定相机，重复步骤9)，直至探针与标定点能够完全重合；从机器人控制界面读取机器人位置值，对照平板标定点的位置M，求出机器人末端位置误差值；相同的方法测量n组机器人末端位置误差值。

10)对机器人运动学参数进行辨识，得到运动学参数误差值，具体是将步骤9)所得到的机器人末端位置误差值带入误差模型，利用最小二乘法，辨识运动学参数误差，得到运动学参数误差值。

11)进行实验验证：对运动学参数误差值进行补偿，进行二次示教，使机器人满足设计精度要求，具体是利用步骤10)得到的运动学参数误差值进行转动关节补偿，然后二次示教；当机器人指令坐标与M点基本能完全重合时，停止标定过程，否则，重复步骤9)、10)、11)，直到满足设计精度要求。

Claims

1.一种基于三坐标平台的机器人标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)搭建三坐标平台；

2)在所搭建的三坐标平台上放置一个标准球和工业触摸平板并在工业触摸平板上设置平板标定点，标准球固定；

3)测量所搭建三坐标平台的误差值，是通过大视场相机获取平板标定点位置信息，分别将平板标定点沿X、Y轴方向移动，每移动100mm拍摄一次照片，然后通过线性拟合，求出平板标定点拟合后与X、Y轴的偏转角α，β，三坐标平台回原点，使平板标定点做垂直方向移动，每移动100mm拍摄一次照片，然后通过线性拟合，求出平板标定点拟合后与Z轴的偏转角γ；具体是：大视场相机包括相机1和相机2，

使用相机1获取平板标定点位置信息，以标准球球心为原点，相机测得平板标定点与球心在三坐标平台Y轴方向上的距离为l₁，三坐标平台沿X轴正方向移动，每移动100mm拍摄一次，记录平板标定点在标准球球心坐标系XOY平面的坐标(x₁,y₁)，(x₂,y₂)…(x_n,y_n)，拟合出一条线性公式y＝ax+b，

则tanα＝a,在X轴上的偏转角α＝arctana，同理，测得平板标定点与球心在三坐标平台X轴方向上的距离为l₂，采用线性拟合求得Y轴上的偏转角β，使用相机2获取平板标定点位置信息，采用相同方法，求得γ；

4)根据测量得到的误差值，对三坐标平台进行误差补偿；

由于加工、装配误差，三坐标平台的丝杆与坐标轴存在偏离，设l_xi,l_yi,l_zi为丝杆相对三坐标平台坐标原点移动的实际距离，则实际误差补偿后的位置点为：

x_i＝l_xi·cosα,y_i＝l_yi·cosβ,z_i＝l_zi·cosγ

其中x_i为误差补偿后的X轴移动距离，y_i为误差补偿后的Y轴移动距离，z_i为误差补偿后的Z轴移动距离；

5)建立机器人运动学模型：设刚体绕轴

转动，且||ω|||＝1，

分别为：

和

其中

采用指数形式的矩阵表达式：

其中ω表示旋转轴方向的单位矢量，θ为转角，

表示一个空间向量群，

为反对称矩阵，ξ为运动旋量坐标，

为运动旋量，ν是一个矢量，表示刚体位移；

通过旋量理论建立POE模型，根据刚体旋量理论，机器人法兰盘末端坐标系{T}相对于机器人基础坐标系{S}的变换关系为：

表示相邻连杆的齐式变换矩阵，g_st(0)表示机器人法兰盘末端相对于机器人基础坐标系{S}的起始位姿；

6)将探针安装在机器人法兰盘末端；

7)对探针进行工具参数标定，得到探针的长度尺寸，

在工作空间设置内已知的位置点，探针末端与机器人法兰盘末端之间的相对位置转换关系矩阵为g'_st(θ)，转换关系如下：

为平板标定点相对于机器人基础坐标系{S}的位姿矩阵；

8)对三坐标平台坐标系与机器人运动学模型中的机器人基础坐标系{S}建立映射关系，具体是：

三坐标平台回原点，探针与平板标定点重合，从机器人控制界面读取平板标定点相对机器人基础坐标系{S}的位置O＝[x₀ y₀ z₀]，对三坐标平台输入指令坐标N＝[x_i y_i z_i]，使平板标定点运动到指定位置，相对于机器人基础坐标系{S}的位置M＝[x_m y_m z_m]，其中x_m＝x₀+y_i y_m＝y₀-x_i z_m＝z₀+z_i；

9)对机器人进行示教，得到机器人末端位置误差参数值；

10)对机器人运动学参数进行辨识，得到运动学参数误差值；

2.根据权利要求1所述的一种基于三坐标平台的机器人标定方法，其特征在于，步骤10)中，所述对机器人运动学参数进行辨识，是对机器人运动学模型做微分处理，得到雅可比矩阵，建立误差模型，将步骤9)所得到的机器人末端位置误差参数值带入误差模型，利用最小二乘法，辨识运动学参数误差，得到运动学参数误差值。

3.根据权利要求1所述的一种基于三坐标平台的机器人标定方法，其特征在于，步骤11)中，所述实验验证，是利用步骤10)得到的运动学参数误差值进行转动关节补偿，然后二次示教；当机器人指令坐标与平板标定点能完全重合时，停止测量过程，否则，重复步骤9)、10)、11)，直到满足设计精度要求。