CN112045684A - 一种自动辅助标定装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动辅助标定装置及其方法，包括标定钢球，标定钢球的外表面套接有辅助器，辅助器的外表面套接有标定管，利用辅助器或者直接使用标定管套接在标定钢球外表面进行滑动测试距离的方法，得出更加准确的TCP，本发明为管状工具的TCP标定提供了一种快速、易于操作、精准的方法，使用辅助器可以减少工具在移动时与标定钢球脱离的风险，限制其移动，从而实现自动标定过程；使用工具扣住标定钢球的做法相对于传统TCP标定需要精准地使用某一点触碰尖端，更加容易操作和实施；使用全自动标定方法避免了人工操作带来的误差，通过全自动的运算和自动化的测试，提高了运输和采点的效率，进而降低了术前准备时间。

Description

一种自动辅助标定装置及其方法
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体为一种自动辅助标定装置及其方法。
背景技术
机械臂的TCP（Tool centre point工具中心点）标定是机械臂应用的关键环节，也称为机械臂末端工具与机械臂的法兰盘相连接，已知法兰盘相连接，已知法兰盘的位姿参数，为求得TCP相对于法兰盘的位姿参数，可以采用四点法原理来计算tcp。当末端工具为中空管状工具时，可以借用辅助工具来完成手动采点操作，医疗机械臂对于精度要求较高，手动采点由于施加的人力不均匀，容易影响其精度，并且手动采点的效率较低，延长了术前准备时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动辅助标定装置及其方法，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：一种自动辅助标定装置，包括标定钢球，所述标定钢球的外表面套接有辅助器，所述辅助器包括套环，所述套环的后表面装配有连接柱，所述套环的后端边缘处开设有倒角，所述连接柱的外表面套接有标定管，所述标定钢球包括定位钢珠，所述套环的前表面开设有套槽，所述套槽套接在钢珠的外表面，所述定位钢珠的外表面装配有连接杆，所述标定管的外侧端装配有机械臂。
一种自动辅助标定方法，包括以下方法：
A.将标定管安装在机械臂末端法兰外表面；
令法兰坐标系的中心Of的坐标系数值为{Xf，Yf，Zf}，
同理，令机械臂基坐标系的中心Or的坐标系数值为{Xr，Yr，Zr}，
同理，标定管末端的坐标系的中心Ot的坐标系数值为{Xt，Yt，Zt}；
B.在机械臂坐标系中固定一个半径为
Figure 758878DEST_PATH_IMAGE001
的标定钢球，即标定钢球与机械臂需要保持严格的相对固定，同时将标定管安装在机械臂末端法兰的外表面；
C.将辅助器安装在标定管的内表面，并将辅助器扣在标定钢球外表面，此时以标定管的轴线
Figure 196812DEST_PATH_IMAGE002
为高线，标定钢球的球心为顶点，生成一顶角为120°的圆锥曲面，该圆锥曲面与标定钢球球面的交线即为标定管的运动路线；
D.将机械臂设置为阻抗模式，并沿着标定管轴线
Figure 929014DEST_PATH_IMAGE002
朝向钢球的方向施加一定的力，标定管即被扣在钢球表面，此时以标定管轴线
Figure 463901DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure 311771DEST_PATH_IMAGE003
，圆锥曲面的母线为
Figure 50051DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 336676DEST_PATH_IMAGE003
在空间中的位姿数据为T1=
Figure 663752DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 259687DEST_PATH_IMAGE004
在空间中的位姿数据为T2=
Figure 734531DEST_PATH_IMAGE006
，
由于两直线在球心相交，看作位于同一位置，但是方向不同，所以机械臂执行的运动量为
Figure 496950DEST_PATH_IMAGE007
；
E.在机械臂的运动轨迹上，每间隔一定的角度采集一次法兰的位姿数据，每4个位姿数据为一组，并通过四点法求得TCP数据。当两组TCP的误差小于容许值后，计算停止，否则重复以上自动运动步骤A-D。
优选的，未使用辅助器时，标定管TCP点的物理位置位于重合于标定管轴线
Figure 491582DEST_PATH_IMAGE002
。
优选的，使用了辅助器时，标定管TCP点的物理位置位于重合于标定管轴线
Figure 9151DEST_PATH_IMAGE002
。
优选的，标定管的顶面
Figure 908974DEST_PATH_IMAGE008
与内壁相交的部分为标准圆，标准圆扣在球面上可以保证经过圆心，向圆所在平面的法向延伸的直线，必定通过标定钢球球心，且球心与圆心距离不变。
优选的，将通过辅助器扣在标定钢球球面的标定管和标定钢球看作一个整体，命名为工具，所述辅助器安装在套筒前端后将辅助器上的球面的球心作为工具中心点。
优选的，工具TCP点的物理位置与标定管的轴线
Figure 786669DEST_PATH_IMAGE002
相重合，距离标定管顶面
Figure 885075DEST_PATH_IMAGE008
存在一定偏移，偏移方向为远离工具的方向。
优选的，工具TCP点物理位置距离标定管顶面
Figure 511229DEST_PATH_IMAGE008
的偏移距离为
Figure 711397DEST_PATH_IMAGE009
，位于远离标定管的一侧，
Figure 877936DEST_PATH_IMAGE010
为套筒内壁的半径。
优选的，工具TCP点距离标定管顶面
Figure 34111DEST_PATH_IMAGE008
的偏移距离，由标定管顶面
Figure 142750DEST_PATH_IMAGE008
由辅助标定工具尺寸
Figure 813903DEST_PATH_IMAGE011
决定，
Figure 987395DEST_PATH_IMAGE011
为标定管装上辅助器后标定管顶面
Figure 811126DEST_PATH_IMAGE008
距离辅助装置凹球面球心的距离。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明为管状工具的TCP标定提供了一种快速、易于操作、精准的方法，使用辅助器可以减少工具在移动时与标定钢球脱离的风险，限制其移动，从而实现自动标定过程；使用工具扣住标定钢球的做法相对于传统TCP标定需要精准地使用某一点触碰尖端，更加容易操作和实施；使用全自动标定方法避免了人工操作带来的误差，通过全自动的运算和自动化的测试，提高了运输和采点的效率，进而降低了术前准备时间。
附图说明
图1为本发明的套管标定法截面示意图；
图2为本发明的套管标定法标定步骤示意图；
图3为本发明的标定钢球和辅助器装配示意图；
图4为本发明的标定钢球和辅助器剖切结构示意图；
图5为本发明的辅助器结构示意图；
图6为本发明的辅助器剖切结构示意图；
图7为本发明的辅助器标定法截面示意图；
图8为本发明的标定结构示意图。
图中：1、标定钢球，11、定位钢珠，12、连接杆，2、标定管，3、辅助器，31、套环，32、倒角，33、连接柱，34、套槽，4、机械臂。
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。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种自动辅助标定装置，包括标定钢球1，标定钢球1的外表面套接有辅助器3，辅助器3包括套环31，套环31的后表面装配有连接柱33，套环31的后端边缘处开设有倒角32，连接柱33的外表面套接有标定管2，标定钢球1包括定位钢珠11，套环31的前表面开设有套槽34，套槽34套接在钢珠11的外表面，定位钢珠11的外表面装配有连接杆12，标定管2的外侧端装配有机械臂4。
一种自动辅助标定方法，包括以下方法：
A.将标定管2安装在机械臂4末端法兰外表面；
令法兰坐标系的中心Of的坐标系数值为{Xf，Yf，Zf}，
同理，令机械臂4基坐标系的中心Or的坐标系数值为{Xr，Yr，Zr}，
同理，标定管2末端的坐标系的中心Ot的坐标系数值为{Xt，Yt，Zt}；
B.在机械臂4坐标系中固定一个半径为
Figure 841399DEST_PATH_IMAGE001
的标定钢球1，即标定钢球1与机械臂4需要保持严格的相对固定，同时将标定管2安装在机械臂4末端法兰的外表面；
C.将辅助器3安装在标定管2的内表面，并将辅助器3扣在标定钢球1外表面，此时以标定管2的轴线
Figure 937531DEST_PATH_IMAGE002
为高线，标定钢球1的球心为顶点，生成一顶角为120°的圆锥曲面，该圆锥曲面与标定钢球1球面的交线即为标定管2的运动路线；
D.将机械臂4设置为阻抗模式，并沿着标定管2轴线
Figure 695140DEST_PATH_IMAGE002
朝向钢球的方向施加一定的力，标定管2即被扣在钢球表面，此时以标定管2轴线
Figure 888224DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure 27081DEST_PATH_IMAGE003
，圆锥曲面的母线为
Figure 423559DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 673275DEST_PATH_IMAGE003
在空间中的位姿数据为T1=
Figure 720865DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 342208DEST_PATH_IMAGE004
在空间中的位姿数据为T2=
Figure 475249DEST_PATH_IMAGE006
，
由于两直线在球心相交，看作位于同一位置，但是方向不同，所以机械臂4执行的运动量为
Figure 528656DEST_PATH_IMAGE007
；
E.在机械臂4的运动轨迹上，每间隔一定的角度采集一次法兰的位姿数据，每4个位姿数据为一组，并通过四点法求得TCP数据。当两组TCP的误差小于容许值后，计算停止，否则重复以上自动运动步骤A-D；
本方法通过力控和辅助工具结合的方式进行全自动标定，无需手动调整机械臂位姿，并采集数据，该过程均通过机械臂的控制设备自动进行位移操作，并采集对应的力反馈数据，用于四点法的计算，利用自动化的过程，减少手工操作所带来的误差，降低工作量，提高标定速度；
本方法使用四点法原理标定TCP，但不限于采集四个点的数据进行标定，使用了类似结构或者方法，本方法自动采集并计算多组TCP数据，只有当误差小于允许范围时才输出TCP数值，使用了类似结构和方法；
并且本发明采用了辅助器3和标定管2两种方案套接在钢球的外表面进行标定的方法进行工具中心点的运算，以用于校准机械臂，两种方案的测试方法相同，区别仅在于使用标定管2或者辅助器3的两种方式，该方案只要保证了零件加工精度，即可保证标定结果的精度。
具体而言，未使用辅助器3时，标定管2TCP点的物理位置位于重合于标定管2轴线
Figure 181485DEST_PATH_IMAGE002
,标定管2轴线为
Figure 724462DEST_PATH_IMAGE002
，如图例1和图例7所示，并且标定管2的顶面为
Figure 16903DEST_PATH_IMAGE008
。
具体而言，使用了辅助器3时，标定管2TCP点的物理位置位于重合于标定管2轴线
Figure 185585DEST_PATH_IMAGE002
，辅助器3安装在标定管2前端后可以将辅助器3上的球面的球心作为工具中心点详见图例7，辅助器3与被标定工具进行安装配合，所以辅助器3可以但不限于工具内壁截面为圆形的情况；辅助器3的创新点以及保护点在于，使用凹球面与同尺寸的标定钢球1配合可以帮助工具确定一个不在工具表面的点作为工具中心。
具体而言，标定管2的顶面
Figure 942188DEST_PATH_IMAGE008
与内壁相交的部分为标准圆，标准圆扣在球面上可以保证经过圆心，向圆所在平面的法向延伸的直线，必定通过标定钢球1球心，且球心与圆心距离不变，对于直筒类的标定管2，标定管2的轴线
Figure 593750DEST_PATH_IMAGE002
必定通过球心，详见附图1与附图7，但该方法可以但不限于直筒工具，对于顶面与内壁相交部分为圆的其他管状结构，使用标定钢球1辅助标定管2的标定方法依然适用。
具体而言，将通过辅助器3扣在标定钢球球面的标定管2和标定钢球1看作一个整体，命名为工具，辅助器3安装在套筒前端后将辅助器3上的球面的球心作为工具中心点。
具体而言，工具TCP点的物理位置与标定管2的轴线
Figure 452115DEST_PATH_IMAGE002
相重合，距离标定管（2）顶面
Figure 909642DEST_PATH_IMAGE008
存在一定偏移，偏移方向为远离工具的方向。
具体而言，工具TCP点物理位置距离标定管2顶面
Figure 458435DEST_PATH_IMAGE008
的偏移距离为
Figure 858061DEST_PATH_IMAGE009
，位于远离标定管2的一侧，
Figure 187411DEST_PATH_IMAGE010
为套筒内壁的半径。
具体而言，工具TCP点距离标定管2顶面
Figure 120732DEST_PATH_IMAGE008
的偏移距离，由辅助标定工具尺寸
Figure 602660DEST_PATH_IMAGE011
决定，
Figure 861603DEST_PATH_IMAGE011
为标定管2装上辅助器3后标定管2顶面
Figure 412670DEST_PATH_IMAGE008
距离辅助装置凹球面球心的距离；
在使用时，机械臂4在标定管2的轴向方向施加适当大小的力，并设此方向为Z轴方向。同时，将机械臂4设置为阻抗模式，此时各方向的转动和平移阻尼减小，使其可以较为自由地运动。接下来根据提前设定好的轨迹开始在球面上进行相对运动。此时可以将通过辅助工具扣在标定钢球1球面的标定管2和钢球看作一个整体，也就是一个新的工具，那标定管2绕钢球表面的相对转动也可以看作新工具的定点运动。相对运动为绕X，Y轴方向的转动，并且将平移量设置为0。此时，由于存在沿标定管2的力，机械臂4阻尼较小，并且在辅助工具的帮助下，标定管2不容易脱落，所以标定管2在不需要位姿数据的情况下开始做绕球面的自动运动，并实时采集位姿数据，采用四点法解算TCP数据。
当多个TCP数据之间的差值小于允许误差时，运动停止，输出计算结果。
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 (9)

1.一种自动辅助标定装置，包括标定钢球（1），其特征在于：所述标定钢球（1）的外表面套接有辅助器（3），所述辅助器（3）包括套环（31），所述套环（31）的后表面装配有连接柱（33），所述套环（31）的后端边缘处开设有倒角（32），所述连接柱（33）的外表面套接有标定管（2），所述标定钢球（1）包括定位钢珠（11），所述套环（31）的前表面开设有套槽（34），所述套槽（34）套接在钢珠（11）的外表面，所述定位钢珠（11）的外表面装配有连接杆（12），所述标定管（2）的外侧端装配有机械臂（4）。
2.一种自动辅助标定装置的标定方法，该方法应用于权利要求1中的一种自动辅助标定装置中，其特征在于以下方法：
A.将标定管（2）安装在机械臂（4）末端法兰外表面；
令法兰坐标系的中心Of的坐标系数值为{Xf，Yf，Zf}，
同理，令机械臂（4）基坐标系的中心Or的坐标系数值为{Xr，Yr，Zr}，
同理，标定管（2）末端的坐标系的中心Ot的坐标系数值为{Xt，Yt，Zt}；
B.在机械臂（4）坐标系中固定一个半径为
Figure 395197DEST_PATH_IMAGE001
的标定钢球（1），即标定钢球（1）与机械臂（4）需要保持严格的相对固定，同时将标定管（2）安装在机械臂（4）末端法兰的外表面；
C.将辅助器（3）安装在标定管（2）的内表面，并将辅助器（3）扣在标定钢球（1）外表面，此时以标定管（2）的轴线
Figure 887358DEST_PATH_IMAGE002
为高线，标定钢球（1）的球心为顶点，生成一顶角为120°的圆锥曲面，该圆锥曲面与标定钢球（1）球面的交线即为标定管（2）的运动路线；
D.将机械臂（4）设置为阻抗模式，并沿着标定管（2）轴线
Figure 191300DEST_PATH_IMAGE002
朝向钢球的方向施加一定的力，标定管（2）即被扣在钢球表面，此时以标定管（2）轴线
Figure 466424DEST_PATH_IMAGE002
为
Figure 172212DEST_PATH_IMAGE003
，圆锥曲面的母线为
Figure 91668DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 820589DEST_PATH_IMAGE003
在空间中的位姿数据为T1=
Figure 961721DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 522015DEST_PATH_IMAGE004
在空间中的位姿数据为T2=
Figure 355979DEST_PATH_IMAGE006
，
由于两直线在球心相交，看作位于同一位置，但是方向不同，所以机械臂（4）执行的运动量为
Figure 306617DEST_PATH_IMAGE007
；
E.在机械臂（4）的运动轨迹上，每间隔一定的角度采集一次法兰的位姿数据，每4个位姿数据为一组，并通过四点法求得TCP数据。当两组TCP的误差小于容许值后，计算停止，否则重复以上自动运动步骤A-D。
3.根据权利要求2所述的一种自动辅助标定装置的标定方法，其特征在于：未使用辅助器（3）时，标定管（2）TCP点的物理位置位于重合于标定管（2）轴线
Figure 752904DEST_PATH_IMAGE002
。
4.根据权利要求2所述的一种自动辅助标定装置的标定方法，其特征在于：使用了辅助器（3）时，标定管（2）TCP点的物理位置位于重合于标定管（2）轴线
Figure 167705DEST_PATH_IMAGE002
。
5.根据权利要求3或4所述的一种自动辅助标定装置的标定方法，其特征在于：标定管（2）的顶面
Figure 172570DEST_PATH_IMAGE008
与内壁相交的部分为标准圆，标准圆扣在球面上可以保证经过圆心，向圆所在平面的法向延伸的直线，必定通过标定钢球（1）球心，且球心与圆心距离不变。
6.根据权利要求5所述的一种自动辅助标定装置的标定方法，其特征在于：将通过辅助器（3）扣在标定钢球球面的标定管（2）和标定钢球（1）看作一个整体，命名为工具，所述辅助器（3）安装在套筒前端后将辅助器（3）上的球面的球心作为工具中心点。
7.根据权利要求6所述的一种自动辅助标定装置的标定方法，其特征在于：工具TCP点的物理位置与标定管（2）的轴线
Figure 610505DEST_PATH_IMAGE002
相重合，距离标定管（2）顶面
Figure 93439DEST_PATH_IMAGE008
存在一定偏移，偏移方向为远离工具的方向。
8.根据权利要求7所述的一种自动辅助标定装置的标定方法，其特征在于：工具TCP点物理位置距离标定管（2）顶面
Figure 126861DEST_PATH_IMAGE008
的偏移距离为
Figure 302627DEST_PATH_IMAGE009
，位于远离标定管（2）的一侧，
Figure 227858DEST_PATH_IMAGE010
为套筒内壁的半径。
9.根据权利要求7所述的一种自动辅助标定装置的标定方法，其特征在于：工具TCP点距离标定管（2）顶面
Figure 514482DEST_PATH_IMAGE008
的偏移距离，由辅助标定工具尺寸
Figure 638296DEST_PATH_IMAGE011
决定，
Figure 486429DEST_PATH_IMAGE011
为标定管（2）装上辅助器（3）后标定管（2）顶面
Figure 898956DEST_PATH_IMAGE008
距离辅助装置凹球面球心的距离。
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