CN111426270A - 一种工业机器人位姿测量靶标装置和关节位置敏感误差标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业机器人位姿测量靶标装置和关节位置敏感类误差标定方法，包括激光跟踪仪和末端位姿测量靶标装置，所述末端位姿测量靶标装置设于工业机器人的末端，所述激光跟踪仪设于所述工业机器人的一侧，所述激光跟踪仪用于测量所述末端位姿测量靶标装置中靶球的空间位置。本发明在测量过程中仅需测量三个点，引入计算误差较小，位姿测量精度较高，且能够实现自动化位姿测量，相比专用靶标，价格低廉。本发明的方法充分考虑工业机器人误差源的自身特性，改善了传统基于误差模型标定方法的区域性问题，有效地提升了机器人的全局精度。

Description

一种工业机器人位姿测量靶标装置和关节位置敏感误差标定 方法

技术领域

本发明属于工业机器人参数标定技术领域，特别涉及一种工业机器人位姿测量靶标装置和关节位置敏感误差标定方法。

背景技术

高端制造装备作为工业崛起和衡量一个国家国际竞争力的标志，体现了一个国家核心竞争力的所在。随着机器人技术的发展，工业机器人在高端制造领域应用越来越广泛，如航空航天工业的制孔/铆接、风电叶片打磨等，这些应用领域对工业机器人的绝对定位精度要求较高。研究表明工业机器人的定位误差主要由几何参数误差和非几何参数误差引起的。其中几何参数误差约占总误差的90％左右，通常认为几何参数误差是不随工业机器人的空间位姿变化而改变。非几何参数误差中主要包括刚度误差，约占总误差的5-8％。为进一步提高工业机器人定位精度，需要对残余误差进行补偿。产生残余误差的误差源主要有自重因素、连杆柔性及传动回程等，此类误差都会随着关节空间位置的变化发生变化，目前尚欠缺针对此类误差的标定方法。

目前激光跟踪仪是工业机器人标定的主要外部测量设备之一，该测量设备将靶球安装在工业机器人的末端，通过激光跟踪仪测量靶球的空间位置和位姿。若要实现机器人末端位姿的测量则需要使用专用靶标，但专用靶标的价格较高。除此以外，还可以利用三个靶球构建坐标系，但因激光跟踪仪无法自动识别靶球而需要人工干预测量过程，这将大大降低工业机器人位姿测量的效率，同时也引入一定的测量不确定度。

因此，亟待设计一种能够实现自动机器人末端位姿测量的靶标装置，并提出一种能够实现工业机器人关节位置敏感类误差的标定方法，能够较好地提高工业机器人的绝对定位精度，并使得机器人适用于复杂的高端制造业任务。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种工业机器人位姿测量靶标装置和关节位置敏感误差标定方法，能够实现自动机器人末端位姿自动测量，并有效地提高工业机器人的定位精度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种工业机器人位姿测量靶标装置，包括激光跟踪仪和末端位姿测量靶标装置，所述末端位姿测量靶标装置设于工业机器人的末端，所述激光跟踪仪设于所述工业机器人的一侧，所述激光跟踪仪用于测量所述末端位姿测量靶标装置中靶球的空间位姿。

一种工业机器人关节位置敏感误差标定方法，应用上述的工业机器人位姿测量靶标装置，包括以下步骤：

建立工具坐标系、基坐标系和测量坐标系之间的转换矩阵；

测量工业机器人各关节的极限位置坐标，得到可测量的关节空间；

在所述关节空间内选取一组位姿点并进行测量，得到测量位姿；

根据测量位姿和位姿点建立关节位置敏感误差模型，完成关节位置敏感误差标定。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，上述末端位姿测量靶标装置包括X轴步进电机伺服电缸、X轴拉杆装置、Y轴步进电机伺服电缸、Y轴拉杆装置、二维滑台、靶球基座和靶球，所述靶球设于所述靶球基座上表面，所述靶球基座固定于所述二维滑台的上表面，所述X轴拉杆装置与所述X轴步进电机伺服电缸连接，所述Y轴拉杆装置与所述Y轴步进电机伺服电缸连接，所述二维滑台分别与所述X轴拉杆装置和所述Y轴拉杆装置连接，所述X轴步进电机伺服电缸用于控制二维滑台在X轴方向运动，所述Y轴步进电机伺服电缸用于控制二维滑台在Y轴方向运动，所述X轴和Y轴正交。

进一步地，上述靶球在X轴运动的极限位置为第一测量点，所述靶球在X轴和Y轴零位位置为第二测量点，所述靶球在Y轴运动的极限位置为第三测量点。

进一步地，上述在关节空间内选取一组位姿点并进行测量具体包括以下步骤：

通过拟随机序列生成一组关节空间内的位姿点；

根据位姿点调整工业机器人末端的位姿，同时通过激光跟踪仪测量每个位姿点的第一测量点、第二测量点和第三测量点，得到测量位姿；

进一步地，上述建立工具坐标系和测量坐标系之间的转换矩阵具体包括以下步骤：

定义工具坐标系的原点为B点，X轴向量为BA，Y轴向量为BC，根据X轴向量和Y轴向量的叉积计算得到Z轴坐标系向量，得到工业机器人的工具坐标系在激光跟踪仪的测量坐标系中的位姿表达矩阵。

进一步地，上述根据测量位姿和位姿点建立关节位置敏感误差模型具体包括以下步骤：

通过齐次旋转矩阵对工业机器人关节位置敏感类误差进行建模，齐次旋转矩阵中各误差均为工业机器人关节角θ的函数，其中，齐次旋转矩阵为：

通过5阶切比雪夫多项式拟合齐次旋转矩阵中的元素，计算公式为：

其中，m为三个轴线x轴，y轴和z轴的误差参数，c_i和b_i均为该关节的切比雪夫系数；

计算工业机器人减速箱的回程误差，计算公式为：

其中，当k＝1时，表示该关节正转；k＝-1时，表示该关节反转；ε_z,k(θ)为误差参数；

建立工业机器人的正运动学模型T，得到：

T＝T_bE₀₁(θ)T₁E₁₂(θ)T₂E₂₃(θ)T₃E₃₄(θ)T₄E₄₅(θ)T₅E₅₆(θ)T₆T_t

其中，T_i为工业机器人关节i的齐次转换矩阵，i的取值范围为自然数[1,6]；T_b为基坐标系转换矩阵，T_t为工具坐标系转换矩阵；

通过LM优化算法的目标函数辨识出关节位置敏感类误差模型中的参数，其中，LM优化算法的目标函数为：

min(T_R-T_bE₀₁(θ)T₁E₁₂(θ)T₂E₂₃(θ)T₃E₃₄(θ)T₄E₄₅(θ)T₅E₅₆(θ)T₆T_t)

其中，T_R为激光跟踪仪测量位姿测量靶标装置的实际位姿矩阵；

结合关节位置敏感类误差模型中的参数、测量位姿和位姿点，得到关节位置敏感误差模型，完成关节位置敏感误差标定。

本发明的有益效果是：

本发明的工业机器人位姿测量靶标装置在测量过程中仅需测量三个点，引入计算误差较小，位姿测量精度较高，且能够实现自动化位姿测量，相比专用靶标，价格低廉。

本发明的工业机器人关节位置敏感误差标定方法充分考虑工业机器人误差源的自身特性，改善了传统基于误差模型标定方法的区域性问题，有效地提升了机器人的全局精度。

附图说明

图1是本发明的工业机器人位姿测量靶标装置结构示意图。

图2是本发明的末端位姿测量靶标装置结构示意图。

图3是本发明的末端位姿测量靶标装置测量点位置示意图。

图4是本发明的工业机器人关节敏感误差示意图。

图中：1-工业机器人；2-末端位姿测量靶标装置；3-激光跟踪仪；201-X轴步进电机伺服电缸；202-X轴拉杆装置；203-Y轴步进电机伺服电缸；204-Y轴拉杆装置；205-靶球基座；206-靶球；207-二维滑台；301-第一测量点；302-第二测量点；303-第三测量点。

具体实施方式

现在结合附图1-4对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，在本发明的其中一个实施例中，一种工业机器人1位姿测量靶标装置，包括激光跟踪仪3和末端位姿测量靶标装置2，所述末端位姿测量靶标装置2设于工业机器人1的末端，所述激光跟踪仪3设于所述工业机器人1的一侧，所述激光跟踪仪3用于测量所述末端位姿测量靶标装置2中靶球206的空间位姿。

在本实施例中，末端位姿测量靶标装置2安装在工业机器人1法兰盘上，即工业机器人1的末端，激光跟踪仪3测量末端位姿测量靶标装置2中的靶球206空间位姿。

如图2和图3所示，在本发明的其中一个实施例中，末端位姿测量靶标装置2包括X轴步进电机伺服电缸201、X轴拉杆装置202、Y轴步进电机伺服电缸203、Y轴拉杆装置204、二维滑台207、靶球基座205和靶球206，所述靶球206设于所述靶球基座205上表面，所述靶球基座205固定于所述二维滑台207的上表面，所述X轴拉杆装置202与所述X轴步进电机伺服电缸201连接，所述Y轴拉杆装置204与所述Y轴步进电机伺服电缸203连接，所述二维滑台207分别与所述X轴拉杆装置202和所述Y轴拉杆装置204连接，所述X轴步进电机伺服电缸201用于控制二维滑台207在X轴方向运动，所述Y轴步进电机伺服电缸203用于控制二维滑台207在Y轴方向运动，所述X轴和Y轴正交；靶球206在X轴运动的极限位置为第一测量点301A，所述靶球206在X轴和Y轴零位位置为第二测量点302B，所述靶球206在Y轴运动的极限位置为第三测量点303C。

在本实施例中，两个步进电机伺服电缸分别能够实现靶球206在两个正交轴线上的运动，在X轴极限位置的点记为A，在X轴与Y轴零位位置的点记为B，在Y轴极限位置的点记为C。当工业机器人1运动到空间某一位置时，末端位姿测量靶标装置2的靶球206运动顺序为A运动到B，再运动到C；当工业机器人1运动到下一位置时，末端位姿测量靶球装置的靶球206运动顺序为C运动到B，再运动到A，以此类推后续测量空间位置时。在每一空间点，工业机器人1的末端坐标系原点定位为B点，X轴为BA，Y轴为BC，根据以上两个向量的叉积可以计算得到Z轴坐标系向量。在靶球206运动过程中，激光跟踪仪3始终跟踪该靶球206，无需人为切换。该装置在测量过程中仅需测量三个点，引入计算误差较小，位姿测量精度较高。当激光跟踪仪3固定位置后，首先完成工具坐标系和机器人基坐标系转换，其次测量工业机器人1各个关节的可被测量的极限位置，利用拟随机序列生成关节空间的坐标点，最后调整工业机器人1末端的位姿，利用激光跟踪仪3测量每一个位姿点的位姿误差，提高了工业机器人1的精度。

如图4所示，在本发明的其中一个实施例中，一种工业机器人关节位置敏感误差标定方法，包括以下步骤：

建立工具坐标系、基坐标系和测量坐标系之间的转换矩阵；

测量工业机器人1各关节的极限位置坐标，得到可测量的关节空间；

在所述关节空间内选取一组位姿点并进行测量，得到测量位姿；

根据测量位姿和位姿点建立关节位置敏感误差模型，完成关节位置敏感误差标定。

在本实施例中，基坐标系为工业机器人1的控制系统的参考坐标系，工具坐标系为工业机器人1末端安装工具的坐标系，本实施例中为工业机器人1位姿测量靶标装置的坐标系，测量坐标系为激光跟踪仪3的测量参考坐标系。在进行关节位置敏感误差标定时首先要建立激光跟踪仪3的测量坐标系与工业机器人1的基坐标系的坐标系转换矩阵，以及位姿测量靶标装置的工具坐标系与工业机器人1的默认工具坐标系之间的坐标系转换矩阵。然后，由于工业机器人1每个关节都有运动范围限制，但激光跟踪仪3固定位置后，因靶球206接收激光光线是有角度范围限制，当控制单关节旋转时，无法覆盖关节的全范围，需要确定在激光跟踪仪3位置固定后的关节能够被测量的极限范围，在所述关节空间内选取一组位姿点并进行测量，得到测量位姿，最后构建关节位置敏感误差模型，结合测量位姿数据和理论位姿数据，完成关节位置敏感误差标定。本发明的工业机器人1关节位置敏感误差标定方法充分考虑工业机器人1误差源的自身特性，改善了传统基于误差模型标定方法的区域性问题，有效地提升了全局精度。

如图4所示，在本发明的其中一个实施例中，实际关节坐标系与理论关节坐标系之间存在六维误差，分别为位置偏差(δ_x,δ_y,δ_z)和角度偏差(ε_x,ε_y,ε_z),但该六维误差均随关节位置而变化，本发明利用5阶切比雪夫多项式拟合齐次旋转矩阵中各元素，其中，齐次旋转矩阵为：

通过5阶切比雪夫多项式拟合齐次旋转矩阵中的元素，计算公式为：

其中，m为三个轴线x轴，y轴和z轴的误差参数，c_i和b_i均为该关节的切比雪夫系数；

工业机器人减速箱的回程误差也是影响末端定位误差的重要因素，但回程误差仅影响Z轴的定位精度，因此，需要计算工业机器人1减速箱的回程误差，计算公式为：

其中，当k＝1时，表示该关节正转；k＝-1时，表示该关节反转；ε_z,k(θ)为误差参数；因此，当工业机器人1关节正转或反转时，误差ε_z,k(θ)采用不同的切比雪夫多项式进行建模。

建立工业机器人1的正运动学模型T，得到：

T＝T_bE₀₁(θ)T₁E₁₂(θ)T₂E₂₃(θ)T₃E₃₄(θ)T₄E₄₅(θ)T₅E₅₆(θ)T₆T_t

其中，T_i为工业机器人1关节i的齐次转换矩阵，i的取值范围为自然数[1,6]；T_b为基坐标系转换矩阵，T_t为工具坐标系转换矩阵；

通过LM优化算法的目标函数辨识出关节位置敏感类误差模型中的参数，其中，LM优化算法的目标函数为：

min(T_R-T_bE₀₁(θ)T₁E₁₂(θ)T₂E₂₃(θ)T₃E₃₄(θ)T₄E₄₅(θ)T₅E₅₆(θ)T₆T_t)

其中，T_R为激光跟踪仪3测量位姿测量靶标装置的实际位姿矩阵；

结合关节位置敏感类误差模型中的参数、测量位姿和位姿点，得到关节位置敏感误差模型，完成关节位置敏感误差标定。

在本发明的其中一个实施例中，当激光跟踪仪3固定位置后，完成工具坐标系和机器人基坐标系转换，其次测量工业机器人1各个关节的可被测量的极限位置，设轴1～轴6的旋转范围为[-min_i，+max_i]，i＝1，2，…，6。

然后，利用拟随机序列生成关节空间的坐标点，选取300个空间位置，调整工业机器人1末端的位姿，利用激光跟踪仪3测量每一个位姿点的三个靶球空间位置。

最后，根据测量数据计算末端位姿T_R，与名义运动学模型做差，计算每一个测量点的空间位姿误差。

结合测量数据，辨识出关节位置敏感类误差模型中的参数，进而得到修正后的正运动学模型，完成关节位置敏感误差标定。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种工业机器人位姿测量靶标装置，其特征在于，包括激光跟踪仪(3)和末端位姿测量靶标装置(2)，所述末端位姿测量靶标装置(2)设于工业机器人(1)的末端，所述激光跟踪仪(3)设于所述工业机器人(1)的一侧，所述激光跟踪仪(3)用于测量所述末端位姿测量靶标装置(2)中靶球(206)的空间位姿。

2.根据权利要求1所述的工业机器人位姿测量靶标装置，其特征在于，所述末端位姿测量靶标装置(2)包括X轴步进电机伺服电缸(201)、X轴拉杆装置(202)、Y轴步进电机伺服电缸(203)、Y轴拉杆装置(204)、二维滑台(207)、靶球基座(205)和靶球(206)，所述靶球(206)设于所述靶球基座(205)上表面，所述靶球基座(205)固定于所述二维滑台(207)的上表面，所述X轴拉杆装置(202)与所述X轴步进电机伺服电缸(201)连接，所述Y轴拉杆装置(204)与所述Y轴步进电机伺服电缸(203)连接，所述二维滑台(207)分别与所述X轴拉杆装置(202)和所述Y轴拉杆装置(204)连接，所述X轴步进电机伺服电缸(201)用于控制二维滑台(207)在X轴方向运动，所述Y轴步进电机伺服电缸(203)用于控制二维滑台(207)在Y轴方向运动，所述X轴和Y轴正交。

3.根据权利要求2所述的工业机器人位姿测量靶标装置，其特征在于，所述靶球(206)在X轴运动的极限位置为第一测量点(301)，所述靶球(206)在X轴和Y轴零位位置为第二测量点(302)，所述靶球(206)在Y轴运动的极限位置为第三测量点(303)。

4.一种工业机器人关节位置敏感误差标定方法，应用权利要求1-3中任一项所述的工业机器人位姿测量靶标装置，其特征在于，包括以下步骤：

建立工具坐标系、基坐标系和测量坐标系之间的转换矩阵；

测量工业机器人(1)各关节的极限位置坐标，得到可测量的关节空间；

在所述关节空间内选取一组位姿点并进行测量，得到测量位姿；

根据测量位姿和位姿点建立关节位置敏感误差模型，完成关节位置敏感误差标定。

5.根据权利要求4所述的工业机器人关节位置敏感误差标定方法，其特征在于，所述在关节空间内选取一组位姿点并进行测量具体包括以下步骤：

通过拟随机序列生成一组关节空间内的位姿点；

根据位姿点调整工业机器人(1)末端的位姿，同时通过激光跟踪仪(3)测量每个位姿点的第一测量点、第二测量点和第三测量点，计算得到测量位姿。

6.根据权利要求4所述的工业机器人关节位置敏感误差标定方法，其特征在于，所述建立工具坐标系和测量坐标系之间的转换矩阵具体包括以下步骤：

定义工具坐标系的原点为B点，X轴向量为BA，Y轴向量为BC，根据X轴向量和Y轴向量的叉积计算得到Z轴坐标系向量，得到工业机器人(1)的工具坐标系在激光跟踪仪(3)的测量坐标系中的位姿表达矩阵。

7.根据权利要求4或5所述的工业机器人关节位置敏感误差标定方法，其特征在于，所述根据测量位姿和位姿点建立关节位置敏感误差模型具体包括以下步骤：

通过齐次旋转矩阵对工业机器人(1)关节位置敏感类误差进行建模，齐次旋转矩阵中各误差均为工业机器人(1)关节角θ的函数，其中，齐次旋转矩阵为：

其中，δ_x，δ_y和δ_z分别为x轴，y轴和z轴的位置偏差，ε_x,ε_y和ε_z为x轴，y轴和z轴的角度偏差；

通过5阶切比雪夫多项式拟合齐次旋转矩阵中的元素，计算公式为：

其中，c_i和b_i均为该关节的切比雪夫系数；

计算工业机器人(1)减速箱的回程误差，计算公式为：

其中，当k＝1时，表示该关节正转；k＝-1时，表示该关节反转；ε_z,k(θ)为误差参数；

建立工业机器人(1)的正运动学模型T，得到：

T＝T_bE₀₁(θ)T₁E₁₂(θ)T₂E₂₃(θ)T₃E₃₄(θ)T₄E₄₅(θ)T₅E₅₆(θ)T₆T_t

其中，T_i为工业机器人(1)关节i的齐次转换矩阵，i的取值范围为自然数[1,6]；T_b为基坐标系转换矩阵，T_t为工具坐标系转换矩阵；

通过LM优化算法的目标函数辨识出关节位置敏感类误差模型中的参数，其中，LM优化算法的目标函数为：

min(T_R-T_bE₀₁(θ)T₁E₁₂(θ)T₂E₂₃(θ)T₃E₃₄(θ)T₄E₄₅(θ)T₅E₅₆(θ)T₆T_t)

其中，T_R为激光跟踪仪(3)测量位姿测量靶标装置的实际位姿矩阵；

结合关节位置敏感类误差模型中的参数、测量位姿和位姿点，得到关节位置敏感误差模型，完成关节位置敏感误差标定。

Images