CN110977963A - 一种工业机器人标定系统的自适应对准控制方法 - Google Patents

一种工业机器人标定系统的自适应对准控制方法 Download PDF

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苏成志
邓茜
王文
周旺发
权利红
薛强
王帅
谢雷
祁宇明
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Abstract

本发明涉及一种工业机器人标定系统的自适应对准控制方法，包括：激光指示器，摄像机，位置敏感校准夹具，机器人控制器和六自由度工业机器人。所述激光指示器发射激光束照射在位置敏感校准夹具顶端的PSD位置传感器光敏面并反射到另一个PSD位置传感器上，利用自适应控制算法使激光束自动同时逼近双PSD中心得到位姿坐标，在线自适应估计机器人末端执行器位置与两个PSD在坐标系中的激光位置，转换成机器人的六个关节角。本发明有效解决了工业机器人因参数发生变化而引起重复定位精度下降的问题，不需要人为计算可实现自动校准。

Description

一种工业机器人标定系统的自适应对准控制方法
技术领域
本发明属于测量技术和激光应用领域，尤其是涉及一种工业机 器人标定系统的自适应对准控制方法。
背景技术
工业机器人在装配、制造、焊接、切割等工业领域的应用越来 越广泛。在这些区域，必须要求连续路径和精确定位，然而工业机器人具有 高重复性但精度较低，这阻碍了工业机器人的进一步发展和应用。机器人装 配安装完成后，参数被准确地测量并输入到控制系统中，但长期运行或更换 电机和编码器后，参数可能会发生变化。针对以上问题，需要一种工业机器 人标定系统的自适应对准控制方法来解决这样的工作需求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种工业机器人标定系统的自适应 对准控制方法，能够有效解决工业机器人在长期运行或更换电机和编码器后 造成的控制系统中参数发生变化而引起重复定位精度下降的问题，不需要人 为计算或估计这些参数之前的对准控制，可实现自动校准。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种工业机器人标定系统的自适应对准控制方法，包括建立标 定系统，标定系统包括激光指示器1、摄像机2、位置敏感校准夹具3、机器 人控制器4和六自由度工业机器人5；
其中，所述激光指示器1固定在六自由度工业机器人5末端执 行器上；摄像机2固定在激光指示器1上；位置敏感校准夹具3放置在六自 由度工业机器人5末端执行器下方；
所述位置敏感校准夹具顶端有两个光敏面互成120度角，两个 光敏面中心分别安装有第一PSD位置传感器3-1和第二PSD位置传感器3-2；
所述激光指示器发射激光束，激光束照射在位置敏感校准夹具 顶端的第一PSD位置传感器3-1光敏面并反射到第二PSD位置传感器3-2上， 然后利用自适应控制算法使激光束自动同时逼近双PSD中心得到一组位姿坐 标，利用视觉粗对准控制方法使激光束照射在第二PSD位置传感器3-2光敏 面并反射到第一PSD位置传感器3-1光敏面上得到另一组位姿坐标，通过在 线自适应估计机器人末端执行器位置与两个PSD在坐标系中的激光位置，即激光入射角转换成机器人的六个关节角作为系统输入，自适应律如下：
Figure RE-GDA0002399769670000021
其中B1和B2是正的常数增益，J(q)是机器人的正运动学的雅 可比矩阵,
Figure RE-GDA0002399769670000022
是关节角的速度，Kp是标量常数, 将未知的A*Js -1表示为关于θ和
Figure RE-GDA0002399769670000023
的m*1矩阵,Y(Δξ，x，y)是一个 估计值，不依赖于
Figure RE-GDA0002399769670000024
中任何未知元素的回归矩阵。
进一步的，所述位置敏感校准夹具3与机器人控制器4通过无 线方式实现通讯。
相对于现有技术，本发明所述的一种工业机器人标定系统的自 适应对准控制方法具有以下优势：
本发明能够有效解决工业机器人在长期运行或更换电机和编码 器后造成的控制系统中参数发生变化而引起重复定位精度下降的问题，不需 要人为计算或估计这些参数之前的对准控制，可实现自动校准。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解， 本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当 限定。在附图中：
图1为本发明实施所述的一种工业机器人标定系统的自适应对 准控制方法标定系统示意图；
1-激光指示器；2-摄像机；3-位置敏感校准夹具；4-机器人控 制器；5-六自由度工业机器人；
图2为本发明实施所述的一种工业机器人标定系统的自适应对 准控制方法位置敏感校准夹具中入射光束示意图；
第一PSD位置传感器3-1；第二PSD位置传感器3-2；
图3为末端执行器位置变化示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施 例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，为本发明实施所述的一种工业机器人标定系统的 自适应对准控制方法标定系统示意图。本发明提供了一种工业机器人标定系 统的自适应对准控制方法，通过在线估计平移量来保证位置渐近收敛的自适 应模型，包括建立标定系统，标定系统包括激光指示器1，摄像机2，位置 敏感校准夹具3，机器人控制器4和六自由度工业机器人5；
其中，所述激光指示器1固定在六自由度工业机器人5末端执 行器上；摄像机2固定在激光指示器1上；位置敏感校准夹具3放置在六自 由度工业机器人5末端执行器下方，与机器人控制器4通过无线方式实现通 讯；
所述位置敏感校准夹具3顶端有两个光敏面互成120度角，两 个光敏面中心分别安装有第一PSD位置传感器3-1和第二PSD位置传感器 3-2；
所述激光指示器1可发射激光束，激光束照射在位置敏感校准 夹具3顶端的第一PSD位置传感器3-1光敏面并反射到第二PSD位置传感器 3-2上，然后利用自适应控制算法使激光束自动同时逼近双PSD中心得到一 组位姿坐标，可利用视觉粗对准控制方法使激光束照射在第二PSD位置传感 器3-2光敏面并反射到第一PSD位置传感器3-1光敏面上得到另一组位姿坐 标。通过在线自适应估计机器人末端执行器位置与两个PSD在坐标系中的激光位置，即激光入射角转换成机器人的六个关节角作为系统输入，自适应律 如下：
Figure RE-GDA0002399769670000041
其中B1和B2是正的常数增益，J(q)是机器人的正运动学的雅 可比矩阵,
Figure RE-GDA0002399769670000051
是关节角的速度，Kp是标量常数, 将未知的A*Js -1表示为关于θ和
Figure RE-GDA0002399769670000052
的m*1矩阵,Y(Δξ，x，y)是一个 估计值，不依赖于
Figure RE-GDA0002399769670000053
中任何未知元素的回归矩阵,
Figure RE-GDA0002399769670000054
表示Js逆雅可比矩 阵的估计值。Δξ＝ξ-ξd表示PSD坐标中激光点特性误 差,
Figure RE-GDA0002399769670000055
(PSD的中心坐标),
Figure RE-GDA0002399769670000056
也是不依赖于的任何未知元素的回归矩阵,
Figure RE-GDA0002399769670000057
图2为本发明实施所述的一种工业机器人标定系统的自适应对准 控制方法位置敏感校准夹具3中入射光束示意图，图3所示机器人末端执行 器位置变化示意图，末端执行器开始位置∑o1(x0，y0，z0、偏航角、俯仰 角和旋转角在轴∑o1中表示为
Figure RE-GDA0002399769670000058
θ,
Figure RE-GDA0002399769670000059
只需要偏航角
Figure RE-GDA00023997696700000510
和旋转角
Figure RE-GDA00023997696700000511
从y轴旋转 到y’轴,设定螺旋角:θ＝0。
Figure RE-GDA00023997696700000512
根据末端执行器与PSD1中心的坐标，给出入射激光束的方向矢量为：
Figure RE-GDA00023997696700000513
反射激光束的方向矢量为：
Figure RE-GDA0002399769670000061
因此，反射激光线的线方程为：
Figure RE-GDA0002399769670000062
其中t为方程的变量。
PSD2平面方程表示为:
t＝ytanγ-d tanγ (6)
结合(5)(6)可以得到PSD2平面上激光束点t:
Figure RE-GDA0002399769670000063
(5)代入(7),可以获得x2和y2:
Figure RE-GDA0002399769670000064
本发明能够有效解决工业机器人在长期运行或更换电机和编码 器后造成的控制系统中参数发生变化而引起重复定位精度下降的问题，不需 要人为计算或估计这些参数之前的对准控制，可实现自动校准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种工业机器人标定系统的自适应对准控制方法，其特征在于：包括建立标定系统，标定系统包括激光指示器、摄像机、位置敏感校准夹具、机器人控制器、和六自由度工业机器人；
其中，所述激光指示器固定在六自由度工业机器人末端执行器上；摄像机固定在激光指示器上；位置敏感校准夹具放置在六自由度工业机器人末端执行器下方；
所述位置敏感校准夹具顶端有两个光敏面互成120度角，两个光敏面中心分别安装有第一PSD位置传感器和第二PSD位置传感器；
所述激光指示器发射激光束，激光束照射在位置敏感校准夹具顶端的第一PSD位置传感器光敏面并反射到第二PSD位置传感器上，然后利用自适应控制算法使激光束自动同时逼近双PSD中心得到一组位姿坐标，利用视觉粗对准控制方法使激光束照射在第二PSD位置传感器光敏面并反射到第一PSD位置传感器光敏面上得到另一组位姿坐标，通过在线自适应估计机器人末端执行器位置与两个PSD在坐标系中的激光位置，即激光入射角转换成机器人的六个关节角作为系统输入，自适应律如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure DEST_PATH_IMAGE006
是正的常数增益，𝐽（𝑞）是机器人的正运动学的雅可比矩阵,
Figure DEST_PATH_IMAGE008
是关节角的速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
是标量常数, 将未知的
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表示为关于
Figure DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure DEST_PATH_IMAGE016
的m*1矩阵,
Figure DEST_PATH_IMAGE018
是一个估计值，不依赖于
Figure DEST_PATH_IMAGE020
中任何未知元素的回归矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人标定系统的自适应对准控制方法，其特征在于：所述位置敏感校准夹具与机器人控制器通过无线方式实现通讯。
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