CN111409106A - 工业机器人距离性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人的距离性能参数技术领域，尤其为一种工业机器人距离性能测试方法，包括：选取测试点位：根据机器人的工作空间，选取实验轨迹上P2与P4两个点，采用连续轨迹编程，使机器人控制器驱动机器人末端从P4开始，在P2、P4位姿间连续运动，循环30次，单方向进行测量，记录跟踪仪采集数据和指令位姿数据，用两点间的距离公式计算指令距离，用两点间的距离公式计算30次循环的实到距离之和后，除以循环次数，得到实际距离的平均值，通过位置距离准确度公式计算位置距离准确度，通过位置距离重复性公式计算位置距离重复性。本发明对计算原理进行了详细的推导说明，基于该方法可以开发相应的程序实现机器人的距离性能指标测试。

Description

工业机器人距离性能测试方法

技术领域

本发明涉及机器人的距离性能参数技术领域，具体为一种工业机器人距离性能测试方法。

背景技术

工业机器人因同时具备通用性、高柔性、高精度等诸多特点，在全球制造业智能化趋势的推动下蓬勃发展。目前，工业机器人大多采用开环控制，为保证机器人的末端精度，在出厂前或使用一段时间后需要对机器人性能起显著影响的特性进行测试与调试。

机器人的距离性能参数是其中之一特性。机器人按程序设定的轨迹从起始指令点运动到终止指时，便会出现距离偏差。机器人距离性能功能测试参数分为距离准确度(AD)测试和距离重复性测试(RD)。专门用于机器人的测量系统价使用和维护成本高昂，且测量的机理均不清楚。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业机器人距离性能测试方法，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：

一种工业机器人距离性能测试方法，包括如下步骤：

步骤1、选取测试点位：根据机器人的工作空间，选取实验轨迹上P2与P4两个点；

步骤2、采用连续轨迹编程，使机器人控制器驱动机器人末端从P4开始，在P2、P4位姿间连续运动，记录跟踪仪采集数据和指令位姿数据；

步骤3、用两点间的距离公式：

计算指令距离D_i；

步骤4、用两点间的距离公式:

得到实际距离的平均值D_a；

步骤5、通过位置距离准确度公式：

式中：

其中：X_c1、Y_c1、Z_c1是在机器人控制中可用的P_c1坐标；

X_c2、Y_c2、Z_c2是在机器人控制中可用的P_c2坐标；

X_1j、Y_1j、Z_1j是P_1j的坐标；

X_2j、Y_2j、Z_2j是P_2j的坐标；

n是重复次数；

计算位置距离准确度：AD_p＝D_a-D_i；

步骤6、通过位置距离重复性公式：

计算位置距离重复性。

进一步的，步骤2中，连续运动为，循环30次，单方向进行测量。

进一步的，步骤4中，计算30次循环的实到距离之和后，除以循环次数，得到实际距离的平均值D_a。

进一步的，选取测试点位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，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：

i＝1,2,3···n，记：

为：

i＝1,2,3···n，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。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明，所述的是测量机器人距离性能指标的方法，文中对计算原理进行了详细的推导说明，基于该方法可以开发相应的程序实现机器人的距离性能指标测试。机器人距离功能测试对机器人按照指令轨迹从P1运行到P2后的两组指令位姿与两组实到位姿均值之间的距离偏差和在这两个位姿间一系列重复移动的距离波动进行测试。姿态距离准确度计算相当于单轴距离准确度，姿态距离重复性相当于单轴距离重复性。

附图说明

图1为本发明测量点的选择示意图。

图2为本发明运动轨迹示意图。

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1-2，本发明提供一种技术方案：

一、坐标转换

1.建立两个坐标系对应关系

工业机器人要进行位姿特性测量的话，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：

i＝1,2,3···n，记：

为：

i＝1,2,3···n，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。

二、测量方法

1、选取测试点位：根据机器人的工作空间，选取实验轨迹上P2与P4两个点，点位位置如附图1所示。

2、采用连续轨迹编程，使机器人控制器驱动机器人末端从P4开始，在P2、P4位姿间连续运动，循环30次，单方向进行测量，如附图2所示，记录跟踪仪采集数据和指令位姿数据。

3、用两点间的距离公式：

计算指令距离D_i。

4、用两点间的距离公式:

计算30次循环的实到距离之和后，除以循环次数，得到实际距离的平均值D_a。

5、通过位置距离准确度公式：

式中：

其中：X_c1、Y_c1、Z_c1是在机器人控制中可用的P_c1坐标；

X_c2、Y_c2、Z_c2是在机器人控制中可用的P_c2坐标；

X_1j、Y_1j、Z_1j是P_1j的坐标；

X_2j、Y_2j、Z_2j是P_2j的坐标；

n是重复次数。

计算位置距离准确度：AD_p＝D_a-D_i。

6、通过位置距离重复性公式：

计算位置距离重复性。

本发明，图1、图2中C1-C8为机器人最大空间的立方体，P2、P4为测量点。

本发明，所述的是测量机器人距离性能指标的方法，文中对计算原理进行了详细的推导说明，基于该方法可以开发相应的程序实现机器人的距离性能指标测试。机器人距离功能测试对机器人按照指令轨迹从P1运行到P2后的两组指令位姿与两组实到位姿均值之间的距离偏差和在这两个位姿间一系列重复移动的距离波动进行测试。姿态距离准确度计算相当于单轴距离准确度，姿态距离重复性相当于单轴距离重复性。

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 (6)

1.一种工业机器人距离性能测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、选取测试点位：根据机器人的工作空间，选取实验轨迹上P2与P4两个点；

步骤2、采用连续轨迹编程，使机器人控制器驱动机器人末端从P4开始，在P2、P4位姿间连续运动，记录跟踪仪采集数据和指令位姿数据；

步骤3、用两点间的距离公式：

计算指令距离D_i；

步骤4、用两点间的距离公式:

得到实际距离的平均值D_a；

步骤5、通过位置距离准确度公式：

式中：

其中：X_c1、Y_c1、Z_c1是在机器人控制中可用的P_c1坐标；

X_c2、Y_c2、Z_c2是在机器人控制中可用的P_c2坐标；

X_1j、Y_1j、Z_1j是P_1j的坐标；

X_2j、Y_2j、Z_2j是P_2j的坐标；

n是重复次数；

计算位置距离准确度：AD_p＝D_a-D_i；

步骤6、通过位置距离重复性公式：

计算位置距离重复性。

2.根据权利要求1所述的一种工业机器人距离性能测试方法，其特征在于，步骤2中，连续运动为，循环30次，单方向进行测量。

3.根据权利要求1所述的一种工业机器人距离性能测试方法，其特征在于，步骤4中，计算30次循环的实到距离之和后，除以循环次数，得到实际距离的平均值D_a。

4.根据权利要求1所述的一种工业机器人距离性能测试方法，其特征在于，选取测试点位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，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距离性能测试方法，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距离性能测试方法，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。

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