CN111530670A - 应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿方法，包括：使用激光追踪仪对特征点处的位置进行测量，以求出真实环境中机器人的位置误差值；使用误差计算公式建立基坐标系下的位置误差补偿，以获得精确的特征点位置信息；使用逆运动学计算将位置误差传递到机器人关节角度，从末端TCP(工具中心点)到各关节角度的映射模型；根据所述映射模型实现末端位置的误差补偿，使用基于谱半径条件法的迭代计算重复以上过程；在离线编程环境中，建立特征点与零件位姿的空间变换矩阵；根据得到的零件几何模型信息规划喷涂机器人路径，并依据获取的路径点位置、位姿信息生成精确的喷涂轨迹。本发明还提供了一种应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿系统。

Description

应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及一种工业机器人，尤其涉及一种基于传感器位置反馈的机器人喷漆应用中工件定位及误差测量方法及系统。

背景技术

在工业机器人喷涂过程中，由机器人、零件、工作台、机器人仿真软件构成真实和虚拟的工作环境。其中，操作人员在仿真软件中建立虚拟车间，将其作为真实车间中的数字化建模，在虚拟环境下分析零件几何模型的外观形貌，根据喷涂参数需求规划工业机器人的喷涂轨迹，仿真运行后将机器人编程语言下载至真实机器人控制器完成喷涂作业。

在传统的工业机器人喷涂作业中，目前较先进的基于离线编程方法的机器人喷涂任务通常基于操作者的手动调整完成，即在三维图形环境中通过软件功能对零件几何模型进行旋转、平移等操作，以使得零件几何模型的位置和姿态与真实环境保持大致相同。但是，由于零件在车间中的安装位置通常固定于工作台上，因此，相对于机器人基坐标系来说，需要在仿真环境中调整零件几何模型与其在车间中的安装位置保持一致。采用离线编程方式需要根据零件表面形貌的三维几何模型，进行轨迹规划并进行虚拟-现实转换，该转换过程由于虚拟和现实环境中零件的摆放位置不绝对相同，而通常会导致产生位置和姿态上的误差。

发明内容

本发明提出了一种用于机器人喷涂行业的零件位置测量及误差补偿方法，通过计算零件几何模型和真实零件相对于机器人基坐标系的位置，使得虚拟环境下零件几何模型的位置误差大大减少。

本发明所提供的一种应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿方法，包括：

步骤S1：在真实零件的表面选取多个特征点，使用激光追踪仪对特征点处的位置进行测量，以求出真实环境中机器人的位置误差值；

步骤S2：使用误差计算公式建立基坐标系下的位置误差补偿，以获得精确的特征点位置信息，所述误差计算公式为：

其中，ΔP为邻对点位置误差，τ_x，τ_y，τ_z为机器人及坐标系上的位置误差，P_tc为激光仪与基坐标系相对位置，P_i为特征点位置的误差，

是机器人基坐标系到机器人末端TCP位置的转换矩阵；

步骤S3：使用逆运动学计算将位置误差传递到机器人关节角度，从末端TCP到各关节角度的映射模型：

其中

为机器人基坐标系到机器人末端TCP位置的转换矩阵，T₁T₂T₃T₄T₅T₆为机器人坐标系到机器人六轴末端的空间齐次变换矩阵，

为机器人六轴末端到激光追踪仪的坐标变换矩阵；

步骤S4：根据所述映射模型实现末端位置的误差补偿，使用基于谱半径条件法的迭代计算重复以上过程，直至获得预设的精度；

步骤S5：在离线编程环境中，建立特征点与零件位姿的空间变换矩阵，设真实环境下特征点位置为S₁，S₂，S₃，S₄...S_i，在虚拟环境下其位置为：S′₁，S′₂，S′₃，S′₄，将其进行变换如下：

进而得到精确的虚拟环境下的零件几何模型位置信息，其中T表示空间变换矩阵，S表示真实环境下特征点位置，S’表示虚拟环境下特征点位置，x、y、z表示变换矩阵中与笛卡尔坐标有关的参数，x’、y’、z’表示变换矩阵中与机器人坐标系的参数；以及

步骤S6：根据得到的零件几何模型信息规划喷涂机器人路径，并依据获取的路径点位置、位姿信息生成精确的喷涂轨迹。

其中，所述步骤S4中，迭代计算过程实现误差补偿的步骤如下：

以位置误差Pi作为被控对象，构建其动态过程如下：P_k+1(t)＝P_k(t)+ρe_k(t+1)，其中P_k+1(t)表示下一次迭代点的位置，P_k(t)表示当前迭代点的位置，ρe_k(t+1)表示误差增量，函数e_k的选择需满足以下条件：lim_c→∞||e_k||＝lim_c→∞||(I-CBρ)e_k-1||＝lim_c→∞μ(I-CBρ)^K||e₀||，其中ρ为常数增益矩阵，||e_k||为范数矩阵，满足：

当迭代学习过程结束时，可根据计算结果获得预设的末端位置误差补偿值。

本发明还提供了一种应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿系统，包括激光追踪仪、位置误差值计算单元、特征点位置信息获取单元、关节角度映射模型建立单元、迭代计算单元、特征点与零件位姿空间变换矩阵建立单元及喷涂轨迹生成单元；所述激光追踪仪用于对零件表面的多个特征点的位置进行测量；所述位置误差值计算单元用于根据测量得到的多个特征点的位置进行计算，以得到真实环境中机器人的位置误差值；所述特征点位置信息获取单元用于根据误差计算公式建立基坐标系下的位置误差补偿，以获得精确的特征点位置信息；所述关节角度映射模型建立单元用于通过逆运动学计算将位置误差传递到机器人关节角度，进而建立从末端TCP到各关节角度的映射模型；所述迭代计算单元用于根据上述模型实现末端位置的误差补偿，使用基于谱半径条件法的迭代计算重复以上过程，直至获得预设精度；所述特征点与零件位姿空间变换矩阵建立单元用于在离线编程环境中，建立特征点与零件位姿的空间变换矩阵；所述喷涂轨迹生成单元用于根据零件几何模型规划喷涂机器人路径，并根据获取的路径点位置、位姿信息生成喷涂轨迹。

其中，所述特征点位置信息获取单元通过以下误差计算公式获得精确的特征点位置信息：

其中，ΔP为邻对点位置误差，τ_x，τ_y，τ_z为机器人及坐标系上的位置误差，P_tc为激光仪与基坐标系相对位置，P_i为特征点位置的误差，

是机器人基坐标系到机器人末端TCP位置的转换矩阵。

其中，所述映射模型如下：

其中

为机器人基坐标系到机器人末端TCP位置的转换矩阵，T₁T₂T₃T₄T₅T₆为机器人坐标系到机器人六轴末端的空间齐次变换矩阵，

为机器人六轴末端到激光追踪仪的坐标变换矩阵。

其中，迭代计算过程实现误差补偿的步骤如下：

以位置误差Pi作为被控对象，构建其动态过程如下：

P_k+1(t)＝P_k(t)+ρe_k(t+1)，其中P_k+1(t)表示下一次迭代点的位置，P_k(t)表示当前迭代点的位置，ρe_k(t+1)表示误差增量，函数e_k的选择需满足以下条件：lim_c→∞||e_k||＝lim_c→∞||(I-CBρ)e_k-1||＝lim_c→∞μ(I-CBρ)^K||e₀||，其中ρ为常数增益矩阵，||e_k||为范数矩阵，满足：

当迭代学习过程结束时，可根据计算结果获得较为精确的末端位置误差补偿值。

其中，设真实环境下特征点位置为S₁，S₂，S₃，S₄...S_i，在虚拟环境下其位置为：S′₁，S′₂，S′₃，S′₄，将其进行变换如下：

进而得到精确的虚拟环境下的零件几何模型位置信息，其中T表示空间变换矩阵，S表示真实环境下特征点位置，S’表示虚拟环境下特征点位置，x、y、z表示变换矩阵中与笛卡尔坐标有关的参数，x’、y’、z’表示变换矩阵中与机器人坐标系的参数。

本发明所述的应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿方法及系统，通过计算机器人末端真实位置与理论位置的差值，调整机器人关节角度对位置误差进行补偿，利用迭代计算进行多次补偿后获得较高的位置精度。

附图说明

图1为本发明一种应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿方法的较佳实施方式的流程图。

图2为本发明一种应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿系统的较佳实施方式的方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换，均落入本发明保护范围。

请参考图1所示，为本发明所述的一种应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿方法的较佳实施方式的流程图。

所述应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿方法的较佳实施方式包括如下步骤：

步骤S1：在真实车间中零件的表面选取多个特征点，使用激光追踪仪对特征点处的位置进行测量，以求出真实环境中机器人的位置误差值。

步骤S2：使用下述误差计算公式建立基坐标系下的位置误差补偿，获得精确的特征点位置信息。

其中，ΔP为邻对点位置误差，τ_x，τ_y，τ_z为机器人及坐标系上的位置误差，P_tc为激光仪与基坐标系相对位置，P_i为特征点位置的误差，

是机器人基坐标系到机器人末端TCP位置的转换矩阵。

步骤S3：使用逆运动学计算将位置误差传递到机器人关节角度，从末端TCP(工具中心点)到各关节角度的映射模型如下：

其中

为机器人基坐标系到机器人末端TCP位置的转换矩阵，T₁T₂T₃T₄T₅T₆为机器人坐标系到机器人六轴末端的空间齐次变换矩阵，

为机器人六轴末端到激光追踪仪的坐标变换矩阵。

步骤S4：根据上述模型实现末端位置的误差补偿，使用基于谱半径条件法的迭代计算重复以上过程，直至获得较高的精度。其中迭代计算过程实现误差补偿的步骤如下：

以位置误差Pi作为被控对象，构建其动态过程如下：

P_k+1(t)＝P_k(t)+ρ_ek(t+1)，其中P_k+1(t)表示下一次迭代点的位置，P_k(t)表示当前迭代点的位置，ρe_k(t+1)表示误差增量，函数e_k的选择需满足以下条件：

lim_c→∞||e_k||＝lim_c→∞||(I-CBρ)e_k-1||＝lim_c→∞μ(I-CBρ)^K||e₀||，其中ρ为常数增益矩阵，||e_k||为范数矩阵，满足：

当迭代学习过程结束时，可根据计算结果获得较为精确的末端位置误差补偿值。

步骤5、在离线编程环境中，建立特征点与零件位姿的空间变换矩阵，设真实环境下特征点位置为S₁，S₂，S₃，S₄...S_i，在虚拟环境下其位置为：S′₁，S′₂，S′₃，S′₄，将其进行变换如下：

进而得到精确的虚拟环境下的零件几何模型位置信息，其中T表示空间变换矩阵，S表示真实环境下特征点位置，S’表示虚拟环境下特征点位置，x、y、z表示变换矩阵中与笛卡尔坐标有关的参数，x’、y’、z’表示变换矩阵中与机器人坐标系的参数。

步骤S6：根据步骤S5中的零件几何模型信息规划喷涂机器人路径，将获取的路径点位置、位姿信息导入到机器人编程语言中自动生成精确的喷涂轨迹。

请继续参考图2所示，为本发明所述的一种应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿系统的较佳实施方式的方框图。

所述应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿系统的较佳实施方式包括激光追踪仪1、位置误差值计算单元2、特征点位置信息获取单元3、关节角度映射模型建立单元4、迭代计算单元5、特征点与零件位姿空间变换矩阵建立单元6及喷涂轨迹生成单元7。

所述激光追踪仪1用于对零件表面的多个特征点的位置进行测量。

所述位置误差值计算单元2用于根据测量得到的多个特征点的位置进行计算，以得到真实环境中机器人的位置误差值。

所述特征点位置信息获取单元3用于根据误差计算公式建立基坐标系下的位置误差补偿，以获得精确的特征点位置信息。具体的，所述特征点位置信息获取单元3通过以下误差计算公式获得精确的特征点位置信息：

其中，ΔP为邻对点位置误差，τ_x，τ_y，τ_z为机器人及坐标系上的位置误差，P_tc为激光仪与基坐标系相对位置，P_i为特征点位置的误差，

是机器人基坐标系到机器人末端TCP位置的转换矩阵。

所述关节角度映射模型建立单元4用于通过逆运动学计算将位置误差传递到机器人关节角度，进而建立从末端TCP到各关节角度的映射模型。本实施方式中，所述映射模型如下：

其中

为机器人基坐标系到机器人末端TCP位置的转换矩阵，T₁T₂T₃T₄T₅T₆为机器人坐标系到机器人六轴末端的空间齐次变换矩阵，

为机器人六轴末端到激光追踪仪的坐标变换矩阵。

所述迭代计算单元5用于根据上述模型实现末端位置的误差补偿，使用基于谱半径条件法的迭代计算重复以上过程，直至获得较高的精度。具体的，本实施方式中，迭代计算过程实现误差补偿的步骤如下：

以位置误差Pi作为被控对象，构建其动态过程如下：

P_k+1(t)＝P_k(t)+ρe_k(t+1)，其中P_k+1(t)表示下一次迭代点的位置，P_k(t)表示当前迭代点的位置，ρe_k(t+1)表示误差增量，函数e_k的选择需满足以下条件：

lim_c→∞||e_k||＝lim_c→∞||(I-CBρ)e_k-1||＝lim_c→∞μ(I-CBρ)^K||e₀||，其中ρ为常数增益矩阵，||e_k||为范数矩阵，满足：

当迭代学习过程结束时，可根据计算结果获得较为精确的末端位置误差补偿值。

所述特征点与零件位姿空间变换矩阵建立单元6用于在离线编程环境中，建立特征点与零件位姿的空间变换矩阵。具体的，本实施方式中，设真实环境下特征点位置为S₁，S₂，S₃，S₄...S_i，在虚拟环境下其位置为：S′₁，S′₂，S′₃，S′₄，将其进行变换如下：

进而得到精确的虚拟环境下的零件几何模型位置信息，其中T表示空间变换矩阵，S表示真实环境下特征点位置，S’表示虚拟环境下特征点位置，x、y、z表示变换矩阵中与笛卡尔坐标有关的参数，x’、y’、z’表示变换矩阵中与机器人坐标系的参数。

所述喷涂轨迹生成单元7用于根据零件几何模型规划喷涂机器人路径，并根据获取的路径点位置、位姿信息生成喷涂轨迹。

本发明所述的应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿方法及系统，通过计算机器人末端真实位置与理论位置的差值，调整机器人关节角度对位置误差进行补偿，利用迭代计算进行多次补偿后获得较高的位置精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的相关技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，其中所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿方法，包括：

步骤S1：在真实零件的表面选取多个特征点，使用激光追踪仪对特征点处的位置进行测量，以求出真实环境中机器人的位置误差值；

步骤S2：使用误差计算公式建立基坐标系下的位置误差补偿，以获得精确的特征点位置信息，所述误差计算公式为：

其中，ΔP为邻对点位置误差，τ_x，τ_y，τ_z为机器人及坐标系上的位置误差，P_tc为激光仪与基坐标系相对位置，P_i为特征点位置的误差，

是机器人基坐标系到机器人末端TCP位置的转换矩阵；

步骤S3：使用逆运动学计算将位置误差传递到机器人关节角度，从末端TCP到各关节角度的映射模型：

其中

为机器人基坐标系到机器人末端TCP位置的转换矩阵，T₁T₂T₃T₄T₅T₆为机器人坐标系到机器人六轴末端的空间齐次变换矩阵，

为机器人六轴末端到激光追踪仪的坐标变换矩阵；

步骤S4：根据所述映射模型实现末端位置的误差补偿，使用基于谱半径条件法的迭代计算重复以上过程，直至获得预设的精度；

步骤S5：在离线编程环境中，建立特征点与零件位姿的空间变换矩阵，设真实环境下特征点位置为S₁，S₂，S₃，S₄...S_i，在虚拟环境下其位置为：S′₁，S′₂，S′₃，S′₄，将其进行变换如下：

进而得到精确的虚拟环境下的零件几何模型位置信息，其中T表示空间变换矩阵，S表示真实环境下特征点位置，S’表示虚拟环境下特征点位置，x、y、z表示变换矩阵中与笛卡尔坐标有关的参数，x’、y’、z’表示变换矩阵中与机器人坐标系的参数；

步骤S6：根据得到的零件几何模型信息规划喷涂机器人路径，并依据获取的路径点位置、位姿信息生成精确的喷涂轨迹。

2.如权利要求1所述的应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿方法，其特征在于：包括：所述步骤S4中，迭代计算过程实现误差补偿的步骤如下：

以位置误差Pi作为被控对象，构建其动态过程如下：P_k+1(t)＝P_k(t)+ρe_k(t+1)，其中P_k+1(t)表示下一次迭代点的位置，P_k(t)表示当前迭代点的位置，ρe_k(t+1)表示误差增量，函数e_k的选择需满足以下条件：lim_x→∞||e_k||＝lim_c→∞||(I-CBρ)e_k-1||＝lim_c→∞μ(I-CBρ)^K||e₀||，其中ρ为常数增益矩阵，||e_k||为范数矩阵，满足：

当迭代学习过程结束时，可根据计算结果获得预设的末端位置误差补偿值。

3.一种应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿系统，其特征在于：所述零件位置误差补偿系统包括激光追踪仪、位置误差值计算单元、特征点位置信息获取单元、关节角度映射模型建立单元、迭代计算单元、特征点与零件位姿空间变换矩阵建立单元及喷涂轨迹生成单元；所述激光追踪仪用于对零件表面的多个特征点的位置进行测量；所述位置误差值计算单元用于根据测量得到的多个特征点的位置进行计算，以得到真实环境中机器人的位置误差值；所述特征点位置信息获取单元用于根据误差计算公式建立基坐标系下的位置误差补偿，以获得精确的特征点位置信息；所述关节角度映射模型建立单元用于通过逆运动学计算将位置误差传递到机器人关节角度，进而建立从末端TCP到各关节角度的映射模型；所述迭代计算单元用于根据上述模型实现末端位置的误差补偿，使用基于谱半径条件法的迭代计算重复以上过程，直至获得预设精度；所述特征点与零件位姿空间变换矩阵建立单元用于在离线编程环境中，建立特征点与零件位姿的空间变换矩阵；所述喷涂轨迹生成单元用于根据零件几何模型规划喷涂机器人路径，并根据获取的路径点位置、位姿信息生成喷涂轨迹。

4.如权利要求3所述的应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿系统，其特征在于：所述特征点位置信息获取单元通过以下误差计算公式获得精确的特征点位置信息：

其中，ΔP为邻对点位置误差，τ_x，τ_y，τ_z为机器人及坐标系上的位置误差，P_tc为激光仪与基坐标系相对位置，P_i为特征点位置的误差，

是机器人基坐标系到机器人末端TCP位置的转换矩阵。

5.如权利要求3所述的应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿系统，其特征在于：所述映射模型如下：

其中

为机器人基坐标系到机器人末端TCP位置的转换矩阵，T₁T₂T₃T₄T₅T₆为机器人坐标系到机器人六轴末端的空间齐次变换矩阵，

为机器人六轴末端到激光追踪仪的坐标变换矩阵。

6.如权利要求3所述的应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿系统，其特征在于：迭代计算过程实现误差补偿的步骤如下：

以位置误差Pi作为被控对象，构建其动态过程如下：

P_k+1(t)＝P_k(t)+ρe_k(t+1)，其中P_k+1(t)表示下一次迭代点的位置，P_k(t)表示当前迭代点的位置，ρe_k(t+1)表示误差增量，函数e_k的选择需满足以下条件：lim_c→∞||e_k||＝lim_c→∞||(I-CBρ)e_k-1||＝lim_c→∞μ(I-CBρ)^K||e₀||，其中ρ为常数增益矩阵，||e_k||为范数矩阵，满足：

当迭代学习过程结束时，可根据计算结果获得较为精确的末端位置误差补偿值。

7.如权利要求3所述的应用于机器人喷涂领域的零件位置误差补偿系统，其特征在于：设真实环境下特征点位置为S₁，S₂，S₃，S₄...S_i，在虚拟环境下其位置为：S′₁，S′₂，S′₃，S′₄，将其进行变换如下：

进而得到精确的虚拟环境下的零件几何模型位置信息，其中T表示空间变换矩阵，S表示真实环境下特征点位置，S’表示虚拟环境下特征点位置，x、y、z表示变换矩阵中与笛卡尔坐标有关的参数，x’、y’、z’表示变换矩阵中与机器人坐标系的参数。

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