CN110948522A - 一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量机构及测量方法 - Google Patents

一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量机构及测量方法 Download PDF

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CN110948522A CN201911134022.6A CN201911134022A CN110948522A CN 110948522 A CN110948522 A CN 110948522A CN 201911134022 A CN201911134022 A CN 201911134022A CN 110948522 A CN110948522 A CN 110948522A
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Abstract

本发明公开了一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量机构及测量方法，测量机构基于三个拉线编码器和一个旋转编码器；方法具体为：测量机构在测量之前对自身进行校准，测量机构测量时，工业机器人变换一次末端空间待测试点位姿，首先旋转编码器不旋转，测量机构获得三个拉线位移长度数据，然后旋转编码器旋转一定角度第一次，测量机构又获得三个拉线位移长度数据，基于以上数据并借助Stewart数学模型得到工业机器人末端空间待测试点在测试机构基坐标系下的一组位姿解，通过坐标转换，得到在工业机器人末端运动的基坐标系中的一组位姿解。本发明具有自身校准功能，结构简单，环境适应性强，成本低，精度高。

Description

一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量机构及 测量方法
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，尤其是一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量机构及测量方法。
背景技术
随着工业机器人在工业生产中应用范围及其任务复杂程度的不断扩大，不同位置和姿态精度的工业机器人因成本和技术等因素被应用在不同场合，因此对工业机器人进行性能评价成为必然。
常用的工业机器人性能测试仪器有三坐标测量仪、激光追踪仪和四线式空间测量仪等。三坐标测量仪是以精密机械为基础的高效率、高精度的测量设备，但占用空间大、成本高；同样的，激光追踪仪精度高、测量范围广、使用也相对方便，但是价格十分昂贵；四线式空间测量仪可以实现对机器人的位置的绝对精度和重复定位精度的三维动态测量，精度虽然比激光追踪仪精度低一些，但也基本满足目前市面上的工业机器人使用，并且价格比激光追踪仪价格低很多，四线式空间测量仪对机器人的姿态的性能无法进行评价，并且使用一定时间后需要返厂进行保养。
对于拉线位移传感器相关的工业机器人性能测试方法，现有技术几乎都是通过机械加工保证性能测试机构的误差，上述误差的大小，一定程度上影响性能测试机构在测试之前对自身进行标定的准确性；现有技术中对机器人的位置和姿态(以下简称位姿)均能够测量，几乎都是通过至少六个拉线位移传感器，并基于并联机构运动学原理，再借助误差最小化处理，获得最终的位姿解，这就带来传感器数量增多导致误差变量的增多，势必影响工业机器人性能测试结果的有效性，并且提高了测试机构的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量机构及测量方法，能够通过三个拉线位移传感器和一个旋转编码器，对测试机构自身进行校准，并且可以测得工业机器人末端的位姿。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量机构，包括：基座1和测试平台7；基座1上安装有旋转平台2，在上述旋转平台2上分方向安装有三个拉线编码器3和三个转向机构4，所述的测试平台7上安装有三个拉线适配机构6，三个拉线编码器3中的拉线5通过各自的转向机构4与各自的拉线适配机构6相连。
相应的，一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量方法，包括如下步骤：
(1)机器人处于初始位姿，在此位姿下，把机器人的腕坐标系作为机器人末端运动的基坐标系，机器人运动，对应的腕坐标系相对上述基坐标系的位姿变化即为机器人的位姿解；
(2)旋转平台2旋转，通过旋转编码器获得旋转平台2旋转角度，通过拉线编码器3获得三个拉线5位移长度数据；
(3)重复步骤(2)共5次；借助步骤(2)中数据，共获得三个拉线5的位移长度数据18个，其中每根拉线的位移长度数据6个，记为1组拉线数据；共获得旋转平台2旋转角度6个，记为1组旋转平台数据；选择上述1组拉线数据和1组旋转平台数据，根据并联机构运动学原理联立方程，并利用牛顿迭代法进行反复迭代求出解析解，其他2组拉线数据分别和上述1组旋转平台数据结合同理可得，完成转向机构4在旋转平台2上、拉线适配机构6在测试平台7上的校准，并计算出转向机构4与拉线适配机构6之间三个拉线5的初始长度；
(4)机器人回到初始位姿，控制机器人的腕坐标系的原点不变，改变机器人的姿态1次，通过拉线编码器3获得三个拉线5位移长度数据；
(5)重复步骤(2)，并借助步骤(4)中所得数据，基于Stewart数学模型计算方法，确定三个拉线适配机构6在测试机构基坐标系下的坐标，从而确定机器人末端运动的基坐标系的坐标原点在测试机构基坐标系下的坐标，因此上述坐标原点与所述的三个拉线适配机构6组成的三棱锥的大小已经确定；
(6)机器人回到初始位姿，让机器人沿机器人末端运动的基坐标系的X轴方向移动△X，记为位置1，通过拉线编码器3获得三个拉线5位移长度数据；
(7)重复步骤(2)，并借助步骤(6)中所得数据，基于Stewart数学模型计算方法，获得位置1在测试机构基坐标系下的坐标；
(8)机器人回到初始位姿，让机器人沿机器人末端运动的基坐标系的Z轴方向移动△Z，记为位置2，通过拉线编码器(3)获得三个拉线(5)位移长度数据；
(9)重复步骤(2)，并借助步骤(8)中所得数据，基于Stewart数学模型计算方法，获得位置2在测试机构基坐标系下的坐标；利用步骤(6)至步骤(9)中所得数据，可以得到机器人末端运动的基坐标系与测试机构基坐标系之间的旋转变换关系；利用步骤(5)中所得的机器人末端运动的基坐标系的坐标原点在测试机构基坐标系下的坐标，可以得到机器人末端运动的基坐标系与测试机构基坐标系之间的平移变换关系；基于上述旋转和平移变换关系，任何测试机构基坐标系下的坐标均可以转换到机器人末端运动的基坐标系中表示；
(10)校准完成，对机器人开始测试：机器人从初始位姿运动到待测试位姿；
(11)通过拉线编码器3获得三个拉线5位移长度数据；
(12)重复步骤(2)，并借助步骤(11)中所得数据，通过步骤(9)中的旋转和平移变换关系，可以得到机器人在待测试位姿下腕坐标系相对于机器人末端运动的基坐标系的旋转和平移关系，即获得了机器人末端空间位姿的三维测量；
(13)机器人继续运动，重复步骤(11)-步骤(12)，可以得到机器人一系列的位姿。
优选的，步骤(3)中，借助步骤(2)中数据，可以完成转向机构4在旋转平台2上、拉线适配机构6在测试平台7上的校准，并计算出转向机构4与拉线适配机构6之间三个拉线5的初始长度，即计算精确的Aj0和Bj0点在O-XYZ坐标系中的坐标值，具体如下：
所述的旋转平台2上的虚拟等效基点Aji在O-XYZ坐标系中，以球坐标形式表示
Figure BDA0002279097490000031
其中rj0为Aji到O点距离，θj0为OAji与Z轴夹角，
Figure BDA0002279097490000032
为OAji与X轴夹角；所述的
Figure BDA0002279097490000033
为旋转平台2初始位姿下OAji与X轴夹角；于是转向机构4在旋转平台2上的校准便是计算rj0,θj0和
Figure BDA0002279097490000034
的精确解；
所述的测试平台7上的虚拟等效基点Bjm在O-XYZ坐标系中，以直角坐标形式表示Bjm(xjm,yjm,zjm)(j＝1,2,3；m表示测试平台7在第m个位姿，初始情况下m＝0)；于是拉线适配机构6在测试平台7上的校准便是计算Bj0的精确解；
所述的
Figure BDA0002279097490000035
与
Figure BDA0002279097490000036
之差
Figure BDA0002279097490000037
为旋转平台2第i次的旋转角度，上述
Figure BDA0002279097490000038
通过旋转编码器读取；所述的拉线长度AjiBjm与AjkBjm之差△Ljim为测试平台7在第m个位姿下，旋转平台2第i次旋转后拉线位移长度变化数据，上述△Ljim通过拉线编码器读取；
三个拉线编码器3中的拉线5位移长度变化如下关系：
Figure BDA0002279097490000039
基于以上关系式并借助Stewart数学模型计算方法，可以得到三组精确解
Figure BDA0002279097490000041
其中三组精确解分别对应j＝1,2,3，以上便得到了精确的Aj0和Bj0点的坐标值，进而得到Aj0Bj0的精确解。
优选的，步骤(5)中，重复步骤(2)，并借助步骤(4)中所得数据，基于Stewart数学模型计算方法，确定三个拉线适配机构6在测试机构基坐标系O-XYZ下的坐标，基于PBjm长度不随机器人姿态变化而改变，得到如下关系：
Figure BDA0002279097490000042
上述公式便是关于机器人末端运动的基坐标系的坐标原点P点在O-XYZ坐标系中的空间坐标变量的三个三元一次方程，直接可以得到P点在O-XYZ坐标系中的空间坐标，进而得到三棱锥P-B1mB2mB3m棱长的长度精确解，因此上述坐标原点与所述的三个拉线适配机构6组成的三棱锥P-B1mB2mB3m的大小已经确定。
本发明的有益效果为：本发明结构简单，成本较低，环境适用性强；本发明中测试机构大部分机械加工装配误差可以通过自身校准进行消除，避免这些误差影响测试机构自身标定的准确性，进而影响测试机构对机器人最终的测试结果，精度更高；本发明中使用三个拉线位移传感器和一个旋转编码器，便可以测试机器人的位姿，比现有技术至少使用六个拉线位移传感器的测量设备少用至少两个传感器，成本更低。
附图说明
图1为本发明的测量机构结构示意图。
图2为本发明的测量机构单个拉线连接原理示意图。
图3为本发明的测量机构原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量机构，包括：基座1和测试平台7，所述的基座1上安装有旋转平台2，在上述旋转平台2上分方向安装有三个拉线编码器3和三个转向机构4，所述的测试平台7安装有三个拉线适配机构6，三个拉线编码器3中的拉线5通过各自的转向机构4与各自的拉线适配机构6相连。
如图2-3所示，对测试机构进行建模：
符号含义：在旋转平台2上，三个拉线编码器3中的拉线5通过各自的转向机构4处的虚拟等效基点记为Aji(j＝1,2,3；i表示旋转平台2的旋转次数，初始情况下i＝0)，上述等效基点是拉线5与转向机构4在下方的相切点，如果旋转平台2不运动，上述等效基点位置不变，进一步解释，如果旋转平台2不运动，测试平台7运动，此时拉线5发生位移变化，并且转向机构4因导向拉线5而转动，但不论转向机构4如何转动，均是围绕上述等效基点转动，因此该等效基点位置不变，如图2所示；在测试平台7上，三个拉线编码器3中的拉线5通过各自的转向机构4与各自的拉线适配机构6相连处的虚拟等效基点记为Bjm(j＝1,2,3；m表示测试平台7在第m个位姿，初始情况下m＝0)。
建立2个坐标系：坐标系O-XYZ为测试机构基坐标系，其Y轴指向A10，Z轴与旋转平台2的旋转中心重合且指向测试平台7；坐标系P-X1Y1Z1为机器人末端运动的基坐标系，机器人原点标定后机器人的初始位姿即是机器人的原点位姿，机器人在初始位姿下，机器人本身固有的腕坐标系和机器人末端运动的基坐标系重合，Z1轴和机器人末端根轴重合，其坐标原点P并不在平面B1mB2mB3m上，P与平面B1mB2mB3m形成三棱锥P-B1mB2mB3m。
本实施例也提供了一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量方法，其特征在于：通过测量拉线5的位移长度和旋转平台2的旋转角度，便可以对所述的测试机构进行校准，并可以得到机器人的腕8的坐标系的位姿解，包括如下步骤：
步骤1、机器人处于初始位姿；在此位姿下，把机器人的腕坐标系作为机器人末端运动的基坐标系，机器人运动，对应的腕坐标系相对上述基坐标系的位姿变化即为机器人的位姿解；
步骤2、旋转平台2旋转，通过旋转编码器获得旋转平台2旋转角度，通过拉线编码器3获得三个拉线5位移长度数据；
步骤3、重复步骤2共5次；借助步骤2中数据，可以完成转向机构4在旋转平台2上、拉线适配机构6在测试平台7上的校准，并计算出转向机构4与拉线适配机构6之间三个拉线5的初始长度，即计算精确的Aj0和Bj0点在O-XYZ坐标系中的坐标值，具体如下：
所述的旋转平台2上的虚拟等效基点Aji在O-XYZ坐标系中，以球坐标形式表示
Figure BDA0002279097490000051
其中rj0为Aji到O点距离，θj0为OAji与Z轴夹角，
Figure BDA0002279097490000052
为OAji与X轴夹角；所述的
Figure BDA0002279097490000053
为旋转平台2初始位姿下OAji与X轴夹角；于是转向机构4在旋转平台2上的校准便是计算rj0,θj0和
Figure BDA0002279097490000054
的精确解。
所述的测试平台7上的虚拟等效基点Bjm在O-XYZ坐标系中，以直角坐标形式表示Bjm(xjm,yjm,zjm)(j＝1,2,3；m表示测试平台7在第m个位姿，初始情况下m＝0)；于是拉线适配机构6在测试平台7上的校准便是计算Bj0的精确解。
所述的
Figure BDA0002279097490000061
与
Figure BDA0002279097490000062
之差
Figure BDA0002279097490000063
为旋转平台2第i次的旋转角度，上述
Figure BDA0002279097490000064
通过旋转编码器读取；所述的拉线长度AjiBjm与AjkBjm之差△Ljim为测试平台7在第m个位姿下，旋转平台2第i次旋转后拉线位移长度变化数据，上述△Ljim通过拉线编码器读取；
三个拉线编码器3中的拉线5位移长度变化如下关系：
Figure BDA0002279097490000065
基于以上关系式并借助Stewart数学模型计算方法，可以得到三组精确解
Figure BDA0002279097490000066
其中三组精确解分别对应j＝1,2,3。以上便得到了精确的Aj0和Bj0点的坐标值，进而得到Aj0Bj0的精确解。
步骤4、机器人回到初始位姿，控制机器人的腕坐标系的原点不变，改变机器人的姿态1次，通过拉线编码器3获得三个拉线5位移长度数据；
步骤5、重复步骤2，并借助步骤4中所得数据，基于Stewart数学模型计算方法，确定三个拉线适配机构6在测试机构基坐标系O-XYZ下的坐标。基于PBjm长度不随机器人姿态变化而改变，得到如下关系：
Figure BDA0002279097490000067
上述公式便是关于机器人末端运动的基坐标系的坐标原点P点在O-XYZ坐标系中的空间坐标变量的三个三元一次方程，直接可以得到P点在O-XYZ坐标系中的空间坐标，进而得到三棱锥P-B1mB2mB3m棱长的长度精确解。因此上述坐标原点与所述的三个拉线适配机构6组成的三棱锥P-B1mB2mB3m的大小已经确定。
步骤6、机器人回到初始位姿，让机器人沿机器人末端运动的基坐标系的X轴方向移动△X，记为位置1，通过拉线编码器3获得三个拉线5位移长度数据；
步骤7、重复步骤2，并借助步骤6中所得数据，基于Stewart数学模型计算方法，获得位置1在O-XYZ坐标系中的空间坐标；
步骤8、机器人回到初始位姿，让机器人沿机器人末端运动的基坐标系的Z轴方向移动△Z，记为位置2，通过拉线编码器3获得三个拉线5位移长度数据；
步骤9、重复步骤2，并借助步骤8中所得数据，基于Stewart数学模型计算方法，获得位置2在O-XYZ坐标系中的空间坐标；利用步骤6-步骤9中所得数据，可以得到机器人末端运动的基坐标系与测试机构基坐标系之间的旋转变换关系；利用步骤5中所得的P点在O-XYZ坐标系中的空间坐标，可以得到机器人末端运动的基坐标系与测试机构基坐标系O-XYZ之间的平移变换关系；基于上述旋转和平移变换关系，任何测试机构基坐标系O-XYZ下的坐标均可以转换到机器人末端运动的基坐标系中表示；
步骤10、校准完成，对机器人开始测试：机器人从初始位姿运动到待测试位姿；
步骤11、通过拉线编码器3获得三个拉线5位移长度数据；
步骤12、重复步骤2，并借助步骤11中所得数据，通过步骤9中的旋转和平移变换关系，可以得到机器人在待测试位姿下腕坐标系相对于机器人末端运动的基坐标系的旋转和平移关系，即获得了机器人末端空间位姿的三维测量；
步骤13、机器人继续运动，重复步骤11-步骤12，可以得到机器人一系列的位姿。
本发明结构简单，成本较低，环境适用性强；本发明中测试机构大部分机械加工装配误差可以通过自身校准进行消除，避免这些误差影响测试机构自身标定的准确性，进而影响测试机构对机器人最终的测试结果，精度更高；本发明中使用三个拉线位移传感器和一个旋转编码器，便可以测试机器人的位姿，比现有技术至少使用六个拉线位移传感器的测量设备少用至少两个传感器，成本更低。

Claims (4)

1.一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量机构，其特征在于，包括：基座(1)和测试平台(7)；基座(1)上安装有旋转平台(2)，在上述旋转平台(2)上分方向安装有三个拉线编码器(3)和三个转向机构(4)，所述的测试平台(7)上安装有三个拉线适配机构(6)，三个拉线编码器(3)中的拉线(5)通过各自的转向机构(4)与各自的拉线适配机构(6)相连。
2.一种基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)机器人处于初始位姿，在此位姿下，把机器人的腕坐标系作为机器人末端运动的基坐标系，机器人运动，对应的腕坐标系相对上述基坐标系的位姿变化即为机器人的位姿解；
(2)旋转平台(2)旋转，通过旋转编码器获得旋转平台(2)旋转角度，通过拉线编码器(3)获得三个拉线(5)位移长度数据；
(3)重复步骤(2)共5次；借助步骤(2)中数据，共获得三个拉线(5)的位移长度数据18个，其中每根拉线的位移长度数据6个，记为1组拉线数据；共获得旋转平台(2)旋转角度6个，记为1组旋转平台数据；选择上述1组拉线数据和1组旋转平台数据，根据并联机构运动学原理联立方程，并利用牛顿迭代法进行反复迭代求出解析解，其他2组拉线数据分别和上述1组旋转平台数据结合同理可得，完成转向机构(4)在旋转平台(2)上、拉线适配机构(6)在测试平台(7)上的校准，并计算出转向机构(4)与拉线适配机构(6)之间三个拉线(5)的初始长度；
(4)机器人回到初始位姿，控制机器人的腕坐标系的原点不变，改变机器人的姿态1次，通过拉线编码器(3)获得三个拉线(5)位移长度数据；
(5)重复步骤(2)，并借助步骤(4)中所得数据，基于Stewart数学模型计算方法，确定三个拉线适配机构(6)在测试机构基坐标系下的坐标，从而确定机器人末端运动的基坐标系的坐标原点在测试机构基坐标系下的坐标，因此上述坐标原点与所述的三个拉线适配机构(6)组成的三棱锥的大小已经确定；
(6)机器人回到初始位姿，让机器人沿机器人末端运动的基坐标系的X轴方向移动△X，记为位置1，通过拉线编码器(3)获得三个拉线(5)位移长度数据；
(7)重复步骤(2)，并借助步骤(6)中所得数据，基于Stewart数学模型计算方法，获得位置1在测试机构基坐标系下的坐标；
(8)机器人回到初始位姿，让机器人沿机器人末端运动的基坐标系的Z轴方向移动△Z，记为位置2，通过拉线编码器(3)获得三个拉线(5)位移长度数据；
(9)重复步骤(2)，并借助步骤(8)中所得数据，基于Stewart数学模型计算方法，获得位置2在测试机构基坐标系下的坐标；利用步骤(6)至步骤(9)中所得数据，得到机器人末端运动的基坐标系与测试机构基坐标系之间的旋转变换关系；利用步骤(5)中所得的机器人末端运动的基坐标系的坐标原点在测试机构基坐标系下的坐标，得到机器人末端运动的基坐标系与测试机构基坐标系之间的平移变换关系；基于上述旋转和平移变换关系，任何测试机构基坐标系下的坐标均可以转换到机器人末端运动的基坐标系中表示；
(10)校准完成，对机器人开始测试：机器人从初始位姿运动到待测试位姿；
(11)通过拉线编码器(3)获得三个拉线(5)位移长度数据；
(12)重复步骤(2)，并借助步骤(11)中所得数据，通过步骤(9)中的旋转和平移变换关系，得到机器人在待测试位姿下腕坐标系相对于机器人末端运动的基坐标系的旋转和平移关系，即获得了机器人末端空间位姿的三维测量；
(13)机器人继续运动，重复步骤(11)-步骤(12)，得到机器人一系列的位姿。
3.如权利要求2所述的基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量方法，其特征在于，步骤(3)中，借助步骤(2)中数据，完成转向机构(4)在旋转平台(2)上、拉线适配机构(6)在测试平台(7)上的校准，并计算出转向机构(4)与拉线适配机构(6)之间三个拉线(5)的初始长度，即计算精确的Aj0和Bj0点在O-XYZ坐标系中的坐标值，具体如下：
所述的旋转平台(2)上的虚拟等效基点Aji在O-XYZ坐标系中，以球坐标形式表示
Figure FDA0002279097480000021
j＝1,2,3；i＝k+1；k＝0,1···5，其中rj0为Aji到O点距离，θj0为OAji与Z轴夹角，
Figure FDA0002279097480000022
为OAji与X轴夹角；所述的
Figure FDA0002279097480000023
为旋转平台(2)初始位姿下OAji与X轴夹角；于是转向机构(4)在旋转平台(2)上的校准便是计算rj0,θj0和
Figure FDA0002279097480000024
的精确解；
所述的测试平台(7)上的虚拟等效基点Bjm在O-XYZ坐标系中，以直角坐标形式表示Bjm(xjm,yjm,zjm)，j＝1,2,3；m表示测试平台(7)在第m个位姿，初始情况下m＝0；于是拉线适配机构(6)在测试平台(7)上的校准便是计算Bj0的精确解；
所述的
Figure FDA0002279097480000025
与
Figure FDA0002279097480000026
之差
Figure FDA0002279097480000027
为旋转平台(2)第i次的旋转角度，上述
Figure FDA0002279097480000028
通过旋转编码器读取；所述的拉线长度AjiBjm与AjkBjm之差△Ljim为测试平台(7)在第m个位姿下，旋转平台(2)第i次旋转后拉线位移长度变化数据，上述△Ljim通过拉线编码器读取；
三个拉线编码器(3)中的拉线(5)位移长度变化如下关系：
Figure FDA0002279097480000031
基于以上关系式并借助Stewart数学模型计算方法，得到三组精确解
Figure FDA0002279097480000032
其中三组精确解分别对应j＝1,2,3，以上便得到了精确的Aj0和Bj0点的坐标值，进而得到Aj0Bj0的精确解。
4.如权利要求2所述的基于拉线旋转传感器的工业机器人空间位姿测量方法，其特征在于，步骤(5)中，重复步骤(2)，并借助步骤(4)中所得数据，基于Stewart数学模型计算方法，确定三个拉线适配机构(6)在测试机构基坐标系O-XYZ下的坐标，基于PBjm长度不随机器人姿态变化而改变，得到如下关系：
Figure FDA0002279097480000033
上述公式便是关于机器人末端运动的基坐标系的坐标原点P点在O-XYZ坐标系中的空间坐标变量的三个三元一次方程，直接得到P点在O-XYZ坐标系中的空间坐标，进而得到三棱锥P-B1mB2mB3m棱长的长度精确解，因此上述坐标原点与所述的三个拉线适配机构(6)组成的三棱锥P-B1mB2mB3m的大小已经确定。
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