CN111152216A - 一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了工业机器人技术领域的一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法，包括：步骤S10、建立坐标系；步骤S20、定义工具的运动范围以及点激光传感器位置；步骤S30、工具从初始位置分别运动到点Q₁和Q₂，分别测量计算Q₁和Q₂的坐标，进而计算工具运动的姿态V，工具回到初始位置；步骤S40、依据Q₂的坐标重新定义所述法兰坐标系的中心坐标；步骤S50、工具基于重新定义的中心坐标在Z轴上移动，测量计算坐标偏移量；步骤S60、基于坐标偏移量对工具的工具中心点坐标进行自动矫正。本发明的优点在于：实现当工具的位置发送偏移时，自动更新工具中心点的坐标，进而使得工业机器人可以连续工作，且提高矫正精度以及降低矫正成本。

Description

一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，特别指一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法。

背景技术

随着制造业产业结构的转型升级、劳动力成本的持续增长、劳动力的结构性短缺以及工业机器人成本的下降，使用工业机器人代替人工进行工作已是大势所趋。

工业机器人具有多个轴的机械手臂，通过在机械手臂的末端固定一个工具，比如焊枪、胶枪以及夹具等，进而通过移动工业机器的机械手臂带动工具完成指定的生产任务。而工具中心点(TCP，Tool Central Ponint)是在工具上选取一个点代表整个工具的坐标，而不同的工具因为工作性质不同定义的工具中心点往往也不同，通过定义工具中心点便于工业机器人更好的控制工具。

工业机器人在工作的过程中，难免发生碰撞等一些意外，进而导致工具的位置发送偏移，影响工作的精度。针对工具的位置发送偏移，传统上采取人工重新矫正工具中心点的方法。但是，传统的方法存在如下缺点：1、需要耗费大量的人力成本以及时间成本，无法满足全自动生产线的要求；2、当未及时发现工具的位置发送偏移，将影响后续的一系列工作；3、人工矫正精度不高。

因此，如何提供一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法，实现当工具的位置发送偏移时，自动更新工具中心点的坐标，进而使得工业机器人可以连续工作，且提高矫正精度以及降低矫正成本，成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法，实现当工具的位置发送偏移时，自动更新工具中心点的坐标，进而使得工业机器人可以连续工作，且提高矫正精度以及降低矫正成本。

本发明是这样实现的：一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法，包括如下步骤：

步骤S10、建立传感器坐标系、法兰坐标系以及工具坐标系；

步骤S20、定义工具的运动范围以及点激光传感器的位置；

步骤S30、工具从初始位置分别运动到点Q₁和Q₂，通过点激光传感器分别测量计算Q₁和Q₂的坐标，进而计算工具运动的姿态V，工具回到初始位置；

步骤S40、依据Q₂的坐标重新定义所述法兰坐标系的中心坐标；

步骤S50、工具基于重新定义的中心坐标在Z轴上移动，通过点激光传感器测量计算坐标偏移量；

步骤S60、基于所述坐标偏移量对工具的工具中心点坐标进行自动矫正。

进一步地，所述步骤S10具体为：

定义安装在工业机器人机械手臂末端法兰盘上的工具的工具中心点，并以所述工具中心点为原点建立工具坐标系O_e1X_e1Y_e1Z_e1；以工业机器人底座的中心点为原点建立传感器坐标系O_sX_sY_sZ_s,记为base₀；以工业机器人机械手臂末端法兰盘的中心点为原点建立法兰坐标系O_eX_eY_eZ_e，记为tool₀；其中X_e轴与X_s轴方向相同，Y_e轴与Y_s轴方向相同，Z_e轴与Z_s轴方向相反。

进一步地，所述步骤S20具体为：

定义工具的运动范围为：以base₀原点为中心，边长为2scope的正方体范围内；并将点激光传感器的初始位置记为(x₁,y₁,z₁)。

进一步地，所述步骤S30具体包括：

步骤S31、tool₀沿base₀的Z_s轴负向运动OH₁，沿X_s轴正向运动scope到Q₁，判断点激光传感器是否测量到模拟信号，若是，则进入步骤S32；若否，则让tool₀沿X_s轴负向运动scope，并进入步骤S32；

步骤S32、工业控制器通过点激光传感器测量到第一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₁，测量到最后一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₂，则工业控制器记录tool₀的中心移动距离为

点激光传感器测量得到的距离为d₁，则Q₁的坐标为(x₂,y₂,z₂)，x₂＝x₁+l₁，y₂＝y₁+d₁，z₂＝z₁+OH₁；然后将tool₀运行回到初始位置；

步骤S33、tool₀沿base₀的Z_s轴负向运动OH₂，沿X_s轴正向运动scope到Q₂，判断点激光传感器是否测量到模拟信号，若是，则进入步骤S34；若否，则让tool₀沿X_s轴负向运动scope，并进入步骤S34；

步骤S34、工业控制器通过点激光传感器测量到第一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₃，测量到最后一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₄，则工业控制器记录tool₀的中心移动距离为

点激光传感器测量得到的距离为d₂，则Q₂的坐标为(x₃,y₃,z₃)，x₃＝x₁+l₂，y₃＝y₁+d₂，z₃＝z₁+OH₂；然后将tool₀运行回到初始位置；

步骤S35、姿态计算，姿态V＝Q₂-Q₁＝(l₂-l₁,d₂-d₁,OH₂-OH₁)。

进一步地，所述步骤S40具体为：

依据Q₂的坐标重新定义所述法兰坐标系的中心坐标为(x₃,y₃,z_e)，即Z轴的坐标不变，将工具的姿态调成竖直。

进一步地，所述步骤S50具体包括：

步骤S51、tool₀沿base₀的Z_s轴负向运动OH₃，沿X_s轴正向运动scope到Q₁，判断点激光传感器是否测量到模拟信号，若是，则进入步骤S32；若否，则让tool₀沿X_s轴负向运动scope，并进入步骤S52；

步骤S52、工业控制器通过点激光传感器测量到第一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₅，测量到最后一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₆，则工业控制器记录tool₀的中心移动距离为

点激光传感器测量得到的距离为d₃；

步骤S53、tool₀沿base₀的Z_s轴正向运动OH₄，且OH₄＞OH₃，tool₀沿base₀的X_s轴，测量到l₃的方向运动scope，沿base₀的Z_s轴负向运动h；

步骤S54、坐标偏移量(Δx,Δy,Δz)＝(a-d₃,b-l₃,c-h)，其中a、b、c分别表示工具未被撞歪时工具中心点在法兰坐标系O_eX_eY_eZ_e下的坐标值。

本发明的优点在于：

1、通过建立传感器坐标系、法兰坐标系以及工具坐标系，当工具从初始位置分别运动到点Q₁和Q₂，通过点激光传感器分别测量计算Q₁和Q₂的坐标，依据Q₂的坐标重新定义所述法兰坐标系的中心坐标后，工具基于重新定义的中心坐标在Z轴上移动，通过点激光传感器测量计算坐标偏移量，进而依据坐标偏移量自动更新工具中心点的坐标，使得工业机器人可以连续工作。

2、通过点激光传感器对运动的工具进行测距进而对工具中心点进行矫正，相对于传统的人工矫正，极大的提高了矫正精度，且极大的降低了矫正成本。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法的流程图。

图2是本发明一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法的电路原理框图。

具体实施方式

请参照图1至图2所示，本发明需用到如下一种自动矫正工业机器人的工具中心点的系统：包括一台工业机器人、至少一套点激光传感器、一台工业控制器以及一套PLC；

所述工业控制器的一端与点激光传感器连接，另一端与所述PLC连接；所述PLC与工业机器人连接；工具安装在所述工业机器人机械手臂末端的法兰盘上；所述点激光传感器用于对工具测距，进而计算出工具的三维特征信息；所述工业控制器用于获取点激光传感器测量的数据并进行计算；所述PLC用于控制工业机器人的工作。

本发明一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法的较佳实施例之一，包括如下步骤：

步骤S10、建立传感器坐标系、法兰坐标系以及工具坐标系；所述传感器坐标系、法兰坐标系以及工具坐标系之间可以通过齐次变换矩阵进行相互转换；

步骤S20、定义工具的运动范围以及点激光传感器的位置；

步骤S30、工具从初始位置分别运动到点Q₁和Q₂，通过点激光传感器分别测量计算Q₁和Q₂的坐标，进而计算工具运动的姿态V，工具回到初始位置；点激光传感器利用激光的单色性好、相干性好以及方向性强的特点,实现高精度的计量,如测量长度、距离、速度、角度等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似,测距仪向目标发射激光信号,碰到目标就要被反射回来,由于光的传播速度是已知的,所以只要记录下光信号的往返时间,用光速乘以往返时间的二分之一,就是所要测量的距离；

步骤S40、依据Q₂的坐标重新定义所述法兰坐标系的中心坐标；

步骤S50、工具基于重新定义的中心坐标在Z轴上移动，通过点激光传感器测量计算坐标偏移量；

步骤S60、基于所述坐标偏移量对工具的工具中心点坐标进行自动矫正。

所述步骤S10具体为：

定义安装在工业机器人机械手臂末端法兰盘上的工具的工具中心点，并以所述工具中心点为原点建立工具坐标系O_e1X_e1Y_e1Z_e1；以工业机器人底座的中心点为原点建立传感器坐标系O_sX_sY_sZ_s,记为base₀；以工业机器人机械手臂末端法兰盘的中心点为原点建立法兰坐标系O_eX_eY_eZ_e，记为tool₀；其中X_e轴与X_s轴方向相同，Y_e轴与Y_s轴方向相同，Z_e轴与Z_s轴方向相反。

所述步骤S20具体为：

定义工具的运动范围为：以base₀原点为中心，边长为2scope的正方体范围内，scope＞0；并将点激光传感器的初始位置记为(x₁,y₁,z₁)。

所述步骤S30具体包括：

步骤S31、tool₀沿base₀的Z_s轴负向运动OH₁，沿X_s轴正向运动scope到Q₁，判断点激光传感器是否测量到模拟信号，若是，则进入步骤S32；若否，则让tool₀沿X_s轴负向运动scope，并进入步骤S32；

步骤S32、工业控制器通过点激光传感器测量到第一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₁，测量到最后一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₂，则工业控制器记录tool₀的中心移动距离为

点激光传感器测量得到的距离为d₁，则Q₁的坐标为(x₂,y₂,z₂)，x₂＝x₁+l₁，y₂＝y₁+d₁，z₂＝z₁+OH₁；然后将tool₀运行回到初始位置；

步骤S33、tool₀沿base₀的Z_s轴负向运动OH₂，沿X_s轴正向运动scope到Q₂，判断点激光传感器是否测量到模拟信号，若是，则进入步骤S34；若否，则让tool₀沿X_s轴负向运动scope，并进入步骤S34；

步骤S34、工业控制器通过点激光传感器测量到第一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₃，测量到最后一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₄，则工业控制器记录tool₀的中心移动距离为

点激光传感器测量得到的距离为d₂，则Q₂的坐标为(x₃,y₃,z₃)，x₃＝x₁+l₂，y₃＝y₁+d₂，z₃＝z₁+OH₂；然后将tool₀运行回到初始位置；

步骤S35、姿态计算，姿态V＝Q₂-Q₁＝(l₂-l₁,d₂-d₁,OH₂-OH₁)。

所述步骤S40具体为：

依据Q₂的坐标重新定义所述法兰坐标系的中心坐标为(x₃,y₃,z_e)，即Z轴的坐标不变，将工具的姿态调成竖直。

所述步骤S50具体包括：

步骤S51、tool₀沿base₀的Z_s轴负向运动OH₃，沿X_s轴正向运动scope到Q₁，判断点激光传感器是否测量到模拟信号，若是，则进入步骤S32；若否，则让tool₀沿X_s轴负向运动scope，并进入步骤S52；

步骤S52、工业控制器通过点激光传感器测量到第一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₅，测量到最后一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₆，则工业控制器记录tool₀的中心移动距离为

点激光传感器测量得到的距离为d₃；

步骤S53、tool₀沿base₀的Z_s轴正向运动OH₄，且OH₄＞OH₃，tool₀沿base₀的X_s轴，测量到l₃的方向运动scope，沿base₀的Z_s轴负向运动h；所述OH₁、OH₂、OH₃以及OH₄均大于0；

步骤S54、坐标偏移量(Δx,Δy,Δz)＝(a-d₃,b-l₃,c-h)，其中a、b、c分别表示工具未被撞歪时工具中心点在法兰坐标系O_eX_eY_eZ_e下的坐标值。

综上所述，本发明的优点在于：

1、通过建立传感器坐标系、法兰坐标系以及工具坐标系，当工具从初始位置分别运动到点Q₁和Q₂，通过点激光传感器分别测量计算Q₁和Q₂的坐标，依据Q₂的坐标重新定义所述法兰坐标系的中心坐标后，工具基于重新定义的中心坐标在Z轴上移动，通过点激光传感器测量计算坐标偏移量，进而依据坐标偏移量自动更新工具中心点的坐标，使得工业机器人可以连续工作。

2、通过点激光传感器对运动的工具进行测距进而对工具中心点进行矫正，相对于传统的人工矫正，极大的提高了矫正精度，且极大的降低了矫正成本。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S10、建立传感器坐标系、法兰坐标系以及工具坐标系；

步骤S20、定义工具的运动范围以及点激光传感器的位置；

步骤S30、工具从初始位置分别运动到点Q₁和Q₂，通过点激光传感器分别测量计算Q₁和Q₂的坐标，进而计算工具运动的姿态V，工具回到初始位置；

步骤S40、依据Q₂的坐标重新定义所述法兰坐标系的中心坐标；

步骤S50、工具基于重新定义的中心坐标在Z轴上移动，通过点激光传感器测量计算坐标偏移量；

步骤S60、基于所述坐标偏移量对工具的工具中心点坐标进行自动矫正。

2.如权利要求1所述的一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法，其特征在于：所述步骤S10具体为：

定义安装在工业机器人机械手臂末端法兰盘上的工具的工具中心点，并以所述工具中心点为原点建立工具坐标系O_e1X_e1Y_e1Z_e1；以工业机器人底座的中心点为原点建立传感器坐标系O_sX_sY_sZ_s,记为base₀；以工业机器人机械手臂末端法兰盘的中心点为原点建立法兰坐标系O_eX_eY_eZ_e，记为tool₀；其中X_e轴与X_s轴方向相同，Y_e轴与Y_s轴方向相同，Z_e轴与Z_s轴方向相反。

3.如权利要求2所述的一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法，其特征在于：所述步骤S20具体为：

定义工具的运动范围为：以base₀原点为中心，边长为2scope的正方体范围内；并将点激光传感器的初始位置记为(x₁,y₁,z₁)。

4.如权利要求2所述的一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法，其特征在于：所述步骤S30具体包括：

步骤S31、tool₀沿base₀的Z_s轴负向运动OH₁，沿X_s轴正向运动scope到Q₁，判断点激光传感器是否测量到模拟信号，若是，则进入步骤S32；若否，则让tool₀沿X_s轴负向运动scope，并进入步骤S32；

步骤S32、工业控制器通过点激光传感器测量到第一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₁，测量到最后一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₂，则工业控制器记录tool₀的中心移动距离为

点激光传感器测量得到的距离为d₁，则Q₁的坐标为(x₂,y₂,z₂)，x₂＝x₁+l₁，y₂＝y₁+d₁，z₂＝z₁+OH₁；然后将tool₀运行回到初始位置；

步骤S33、tool₀沿base₀的Z_s轴负向运动OH₂，沿X_s轴正向运动scope到Q₂，判断点激光传感器是否测量到模拟信号，若是，则进入步骤S34；若否，则让tool₀沿X_s轴负向运动scope，并进入步骤S34；

步骤S34、工业控制器通过点激光传感器测量到第一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₃，测量到最后一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₄，则工业控制器记录tool₀的中心移动距离为

点激光传感器测量得到的距离为d₂，则Q₂的坐标为(x₃,y₃,z₃)，x₃＝x₁+l₂，y₃＝y₁+d₂，z₃＝z₁+OH₂；然后将tool₀运行回到初始位置；

步骤S35、姿态计算，姿态V＝Q₂-Q₁＝(l₂-l₁,d₂-d₁,OH₂-OH₁)。

5.如权利要求4所述的一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法，其特征在于：所述步骤S40具体为：

依据Q₂的坐标重新定义所述法兰坐标系的中心坐标为(x₃,y₃,z_e)，即Z轴的坐标不变，将工具的姿态调成竖直。

6.如权利要求2所述的一种自动矫正工业机器人的工具中心点的方法，其特征在于：所述步骤S50具体包括：

步骤S51、tool₀沿base₀的Z_s轴负向运动OH₃，沿X_s轴正向运动scope到Q₁，判断点激光传感器是否测量到模拟信号，若是，则进入步骤S32；若否，则让tool₀沿X_s轴负向运动scope，并进入步骤S52；

步骤S52、工业控制器通过点激光传感器测量到第一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₅，测量到最后一个模拟信号时，tool₀的移动距离为L₆，则工业控制器记录tool₀的中心移动距离为

点激光传感器测量得到的距离为d₃；

步骤S53、tool₀沿base₀的Z_s轴正向运动OH₄，且OH₄＞OH₃，tool₀沿base₀的X_s轴，测量到l₃的方向运动scope，沿base₀的Z_s轴负向运动h；

步骤S54、坐标偏移量(Δx,Δy,Δz)＝(a-d₃,b-l₃,c-h)，其中a、b、c分别表示工具未被撞歪时工具中心点在法兰坐标系O_eX_eY_eZ_e下的坐标值。

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