CN111409103A - 工业机器人位姿特性中互换性的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人位姿特性检测技术领域，尤其为一种工业机器人位姿特性中互换性的测量方法，包括如步骤：步骤1、坐标准直测量；步骤2、指令位姿测量；步骤3、位姿互换性计算。本发明，是工业机器人如何借助三维空间测量仪完整有效地进行位姿特性中的互换性测量以及其操作原理说明。通过学习本文的位姿特性中互换性的测量方法，既可以快速了解到工业机器人如何进行位姿特性中互换性测量来获取精确的位姿特性数据检验工业机器人性能指标，还可以知道其操作流程的原理说明。

Description

工业机器人位姿特性中互换性的测量方法

技术领域

本发明涉及机器人位姿特性检测技术领域，具体为一种工业机器人位姿特性中互换性的测量方法。

背景技术

工业机器人作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，已成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。目前我国正处于加快转型升级的重要时期，以工业机器人为主体的机器人产业，正是破解我国产业成本上升、环境制约问题的重要路径选择。而工业机器人的位姿特性是检验工业机器人性能是否合格的一项重要指标，所以如何借助三维空间测量仪来进行位姿特性中互换性的测量也显得越来越重要。但是，目前关于使用三维空间测量仪进行位姿特性中互换性的测量方法都没有一套完整的操作流程以及操作原理说明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业机器人位姿特性中互换性的测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种工业机器人位姿特性中互换性的测量方法，包括如下步骤：

步骤1、坐标准直测量：机器人按照示教器的指令，依次到达测量坐标准直的指令位姿点位，每到达一个指令位姿点位，使用三维空间测量仪采集此时的球极坐标点位，再转换成测量仪的直角坐标点位，总共需要记录5组测量仪的直角坐标点位数据，然后，通过5组指令位姿点位数据和5组测量仪的直角坐标点位数据就可以计算出旋转矩阵R、平移矩阵T，也就是测量仪直角坐标系和机器人直角坐标系的转换关系，即坐标准直，往后测量仪的坐标点位数据采集，可以直接使用这个坐标准直关系进行转换成机器人的坐标点位；

步骤2、指令位姿测量：机器人按照示教器的指令，对P1、P2、P3、P4和P5指令位姿响应n次，每次响应时记录此时的测量仪的球极坐标点位，再通过球极坐标系与直角坐标系的转换获取测量仪的直角坐标点位，接着通过两个直角坐标系的变换，就可以得到机器人此时的实到位姿点位，采用相同的机械安装基础，连续完成5台同型号工业机器人测量后，开始计算位姿特性中互换性的计算；

步骤3、位姿互换性计算：根据换性计算公式，从5组互换性中选取最大的那组作为最终结果。

进一步的，坐标准直测量包括测量坐标点位选取，该测量坐标点位选取包括坐标准直的坐标点位选取，位姿测量的坐标点位选取。

进一步的，标准直的坐标点位选取：根据机器人的工作空间由C1-C8构成机器人最大空间的立方体，在由C1、C2、C7和C8构成的矩形斜平面中选取任意不同的五个空间点位坐标；位姿测量的坐标点位选取：根据机器人的工作空间，在由C1、C2、C7和C8构成的矩形斜平面中选取P1、P2、P3、P4和P5的空间点位坐标，并且P2、P3、P4和P5空间点位坐标能按顺时针方向构成的一个矩形以及能最大程度的占据机器人的工作空间，而P1在P2到P5空间点位所围成矩形区域的中心位置。

进一步的，直角坐标系的转换关系包括首先，三维空间测量仪采集机器人末端法兰盘的球极坐标点位数据方位角

仰角θ和距离γ数据，然后通过球极坐标系与直角坐标系转换，可以获取测量仪的直角坐标点位数据，最后，再完成三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系的坐标转换。

进一步的，球极坐标系(γ、θ、

)与直角坐标系(x、y、z)转换公式如下：

z＝γ·cosθ

三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系坐标转换公式如下：

P^t＝RP^r+T

R——旋转矩阵，T——平移矩阵；

P^t——三维空间测量仪坐标系下的坐标点位；

P^r——机器人坐标系下的坐标点位；

任意点P_i坐标的矩阵表示：

三维空间测量仪坐标系下的坐标点位：

机器人坐标系下的坐标点位：

进一步的，采用SVD法算出R、T，包括：

(1)机器人坐标系下指令坐标点位的点集为：

指令坐标点位在测量仪下测得的实际坐标点位构成的点集：

(2)分别计算机器人和测量仪坐标系下的坐标点位点集P^r、P^t的重心，即坐标点位点集包含的全部点的坐标的平均值，分别为：

(3)将两个坐标点位点集的重心对齐重合，分别计算各点集相对重心的相对坐标构成新的点集：

记：

为：

记：

为：

(4)由坐标点位点集

构造协矩阵

对协矩阵进行SVD分解：

(5)旋转矩阵即为R_3×3＝VU^T，平移矩阵为T_3×1＝μ_r-Rμ_t，当n≥3时既可求出R矩阵，R的各列为长度为3的单位向量，且两两相互垂直。

进一步的，互换性计算公式如下：

其中x_h、x_k的h、k可取值范围为1、2、3、4、5，x_h、y_h、z_h和x_k、y_k、z_k分别代表5台同一型号工业机器人分别在响应5个指令位姿时的实到位姿所形成的集群中心点位坐标与对应指令位姿之间的距离；首先，通过位姿准确度计算公式

算出每台机器人5个指令位姿与对应的n次实到位姿集群中心的距离，其中

是P1、P2、P3、P4和P5中每一个位姿点位重复循环n次时，实到位姿点位在x、y、z方向上的点集群中心坐标，由公式

计算而来，而x_j、y_j、z_j代表第j次循环运行时记录到的每个实到位姿点位坐标，x_c、y_c、z_c是机器人示教器上提前设置好的指令坐标，然后，在5台机器人分别响应5个指令位姿下，选出各指令位姿5台机器人中偏差最大，也就是位姿准确度数值最大的两台机器人，取它们的集群中心坐标求两者距离，即互换性，最后，从5组互换性中选取最大的那组作为最终结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

附图说明

图1为本发明测量坐标点位的选择示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上/下端”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置/套设有”、“套接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：

一、功能意义

工业机器人的位姿互换性测量是用于测量同一型号的机器人在相同环境条件、机械安装和使用相同作业程序的情况下集群中心发生的偏差。工业机器人的位姿互换性测量是由于机械公差、轴校准误差和机器人安装误差形成的。

二、测量坐标点位选取

1.坐标准直的坐标点位选取

根据机器人的工作空间——由C1-C8构成机器人最大空间的立方体(如附图1所示)，在由C1、C2、C7和C8构成的矩形斜平面中选取任意不同的五个空间点位坐标。一般情况下，选取矩形斜平面四个角区域以及中部区域各一个空间点位坐标作为三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系的坐标转换测量点。

2.位姿测量的坐标点位选取

根据机器人的工作空间，在由C1、C2、C7和C8构成的矩形斜平面中选取P1、P2、P3、P4和P5的空间点位坐标，并且P2、P3、P4和P5空间点位坐标能按顺时针方向构成的一个矩形以及能最大程度的占据机器人的工作空间，而P1在P2到P5空间点位所围成矩形区域的中心位置(如附图1所示)。

三、坐标系转换方法

1.建立两个坐标系对应关系

工业机器人的位姿互换性测量的话，需要先完成三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系的坐标转换。首先，三维空间测量仪采集机器人末端法兰盘的球极坐标点位数据——方位角

仰角θ和距离γ数据。然后通过球极坐标系与直角坐标系转换，可以获取测量仪的直角坐标点位数据。最后，再完成三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系的坐标转换。

球极坐标系(γ、θ、

)与直角坐标系(x、y、z)转换公式如下：

z＝γ·cosθ

三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系坐标转换公式如下：

P^t＝RP^r+T

R——旋转矩阵，T——平移矩阵；

P^t——三维空间测量仪坐标系下的坐标点位；

P^r——机器人坐标系下的坐标点位。

任意点P_i坐标的矩阵表示：

三维空间测量仪坐标系下的坐标点位：

机器人坐标系下的坐标点位：

2.SVD法(奇异值分解法)算出R、T

(1)机器人坐标系下指令坐标点位的点集为：

指令坐标点位在测量仪下测得的实际坐标点位构成的点集：

(2)分别计算机器人和测量仪坐标系下的坐标点位点集P^r、P^t的重心，即坐标点位点集包含的全部点的坐标的平均值，分别为：

(3)将两个坐标点位点集的重心对齐重合，分别计算各点集相对重心的相对坐标构成新的点集：

记：

为：

记：

为：

(4)由坐标点位点集

构造协矩阵

对协矩阵进行SVD分解：

(5)旋转矩阵即为R_3×3＝VU^T，平移矩阵为T_3×1＝μ_r-Rμ_t，当n≥3时既可求出R矩阵，R的各列为长度为3的单位向量，且两两相互垂直。为保证拟合的优度，n取5。也可根据需要适当的增加点数。

四、测量方法

1.坐标准直测量

机器人按照示教器的指令，依次到达测量坐标准直的指令位姿点位，每到达一个指令位姿点位，使用三维空间测量仪采集此时的球极坐标点位，再转换成测量仪的直角坐标点位，总共需要记录5组测量仪的直角坐标点位数据。然后，通过5组指令位姿点位数据和5组测量仪的直角坐标点位数据就可以计算出旋转矩阵R、平移矩阵T，也就是测量仪直角坐标系和机器人直角坐标系的转换关系，即坐标准直。往后测量仪的坐标点位数据采集，可以直接使用这个坐标准直关系进行转换成机器人的坐标点位。

2.指令位姿测量

机器人按照示教器的指令，对P1、P2、P3、P4和P5指令位姿响应n次，每次响应时记录此时的测量仪的球极坐标点位，再通过球极坐标系与直角坐标系的转换获取测量仪的直角坐标点位，接着通过两个直角坐标系的变换，就可以得到机器人此时的实到位姿点位。采用相同的机械安装基础，连续完成5台同型号工业机器人测量后，开始计算位姿特性中互换性的计算。

3.位姿互换性计算

3.1位姿互换性(E)

互换性计算公式如下：

其中x_h、x_k的h、k可取值范围为1、2、3、4、5，x_h、y_h、z_h和x_k、y_k、z_k分别代表5台同一型号工业机器人分别在响应5个指令位姿时的实到位姿所形成的集群中心点位坐标与对应指令位姿之间的距离。首先，通过位姿准确度计算公式

算出每台机器人5个指令位姿与对应的n次实到位姿集群中心的距离，其中

是P1、P2、P3、P4和P5中每一个位姿点位重复循环n次时，实到位姿点位在x、y、z方向上的点集群中心坐标，由公式

计算而来。而x_j、y_j、z_j代表第j次循环运行时记录到的每个实到位姿点位坐标，x_c、y_c、z_c是机器人示教器上提前设置好的指令坐标。然后，在5台机器人分别响应5个指令位姿下，选出各指令位姿5台机器人中偏差最大，也就是位姿准确度数值最大的两台机器人，取它们的集群中心坐标求两者距离，即互换性。最后，从5组互换性中选取最大的那组作为最终结果。

本发明，所述的是工业机器人如何借助三维空间测量仪完整有效地进行位姿特性中的互换性测量以及其操作原理说明。通过学习本文的位姿特性中互换性的测量方法，既可以快速了解到工业机器人如何进行位姿特性中互换性测量来获取精确的位姿特性数据检验工业机器人性能指标，还可以知道其操作流程的原理说明。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种工业机器人位姿特性中互换性的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、坐标准直测量：机器人按照示教器的指令，依次到达测量坐标准直的指令位姿点位，每到达一个指令位姿点位，使用三维空间测量仪采集此时的球极坐标点位，再转换成测量仪的直角坐标点位，总共需要记录5组测量仪的直角坐标点位数据，然后，通过5组指令位姿点位数据和5组测量仪的直角坐标点位数据就可以计算出旋转矩阵R、平移矩阵T，也就是测量仪直角坐标系和机器人直角坐标系的转换关系，即坐标准直，往后测量仪的坐标点位数据采集，可以直接使用这个坐标准直关系进行转换成机器人的坐标点位；

步骤2、指令位姿测量：机器人按照示教器的指令，对P1、P2、P3、P4和P5指令位姿响应n次，每次响应时记录此时的测量仪的球极坐标点位，再通过球极坐标系与直角坐标系的转换获取测量仪的直角坐标点位，接着通过两个直角坐标系的变换，就可以得到机器人此时的实到位姿点位，采用相同的机械安装基础，连续完成5台同型号工业机器人测量后，开始计算位姿特性中互换性的计算；

步骤3、位姿互换性计算：根据换性计算公式，从5组互换性中选取最大的那组作为最终结果。

2.根据权利要求1所述的一种工业机器人位姿特性中互换性的测量方法，其特征在于，坐标准直测量包括测量坐标点位选取，该测量坐标点位选取包括坐标准直的坐标点位选取，位姿测量的坐标点位选取。

3.根据权利要求2所述的一种工业机器人位姿特性中互换性的测量方法，其特征在于，标准直的坐标点位选取：根据机器人的工作空间由C1-C8构成机器人最大空间的立方体，在由C1、C2、C7和C8构成的矩形斜平面中选取任意不同的五个空间点位坐标；位姿测量的坐标点位选取：根据机器人的工作空间，在由C1、C2、C7和C8构成的矩形斜平面中选取P1、P2、P3、P4和P5的空间点位坐标，并且P2、P3、P4和P5空间点位坐标能按顺时针方向构成的一个矩形以及能最大程度的占据机器人的工作空间，而P1在P2到P5空间点位所围成矩形区域的中心位置。

4.根据权利要求1所述的一种工业机器人位姿特性中互换性的测量方法，其特征在于，直角坐标系的转换关系包括首先，三维空间测量仪采集机器人末端法兰盘的球极坐标点位数据方位角

仰角θ和距离γ数据，然后通过球极坐标系与直角坐标系转换，可以获取测量仪的直角坐标点位数据，最后，再完成三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系的坐标转换。

5.根据权利要求4所述的一种工业机器人位姿特性中互换性的测量方法，其特征在于，球极坐标系

与直角坐标系(x、y、z)转换公式如下：

z＝γ·cosθ

三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系坐标转换公式如下：

P^t＝RP^r+T

R——旋转矩阵，T——平移矩阵；

P^t——三维空间测量仪坐标系下的坐标点位；

P^r——机器人坐标系下的坐标点位；

任意点P_i坐标的矩阵表示：

三维空间测量仪坐标系下的坐标点位：

机器人坐标系下的坐标点位：

6.根据权利要求5所述的一种工业机器人位姿特性中互换性的测量方法，其特征在于，采用SVD法算出R、T，包括：

(1)机器人坐标系下指令坐标点位的点集为：

指令坐标点位在测量仪下测得的实际坐标点位构成的点集：

(2)分别计算机器人和测量仪坐标系下的坐标点位点集P^r、P^t的重心，即坐标点位点集包含的全部点的坐标的平均值，分别为：

(3)将两个坐标点位点集的重心对齐重合，分别计算各点集相对重心的相对坐标构成新的点集：

记：

为：

记：

为：

(4)由坐标点位点集

构造协矩阵

对协矩阵进行SVD分解：

(5)旋转矩阵即为R_3×3＝VU^T，平移矩阵为T_3×1＝μ_r-Rμ_t，当n≥3时既可求出R矩阵，R的各列为长度为3的单位向量，且两两相互垂直。

7.根据权利要求1所述的一种工业机器人位姿特性中互换性的测量方法，其特征在于，互换性计算公式如下：

其中x_h、x_k的h、k可取值范围为1、2、3、4、5，x_h、y_h、z_h和x_k、y_k、z_k分别代表5台同一型号工业机器人分别在响应5个指令位姿时的实到位姿所形成的集群中心点位坐标与对应指令位姿之间的距离；首先，通过位姿准确度计算公式

算出每台机器人5个指令位姿与对应的n次实到位姿集群中心的距离，其中

是P1、P2、P3、P4和P5中每一个位姿点位重复循环n次时，实到位姿点位在x、y、z方向上的点集群中心坐标，由公式

计算而来，而x_j、y_j、z_j代表第j次循环运行时记录到的每个实到位姿点位坐标，x_c、y_c、z_c是机器人示教器上提前设置好的指令坐标，然后，在5台机器人分别响应5个指令位姿下，选出各指令位姿5台机器人中偏差最大，也就是位姿准确度数值最大的两台机器人，取它们的集群中心坐标求两者距离，即互换性，最后，从5组互换性中选取最大的那组作为最终结果。

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