CN112318503B - 一种机器人校准系统和校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人校准和校正系统，该系统包括基座、机器人臂、距离传感器、图像传感器、校准板、用于控制机器人臂的设备，其中，用于控制机器人臂的设备配置包括通信接口、存储器、处理器；其中，校准板显示用于自诊断的校准标记；距离传感器安装在机器人臂上并配置为测量距离；图像传感器安装在机器人臂上并配置为获取校准板的校准图像；处理器被配置为将机器人臂移动到用于校准位置，通过使用距离传感器测量图像传感器到校准板的距离，计算与校准位置的偏移量，当偏移量大于所设第一阈值时，系统进入矫正状态对距离问题对应电机进行矫正；通信接口接收来自各个传感器的数据；存储器存储来自各个传感器的数据和用户输入数据。

Description

一种机器人校准系统和校准方法

技术领域

本发明涉及一种机器人校准系统和校准方法。

背景技术

机器人可以通过控制机器人臂的运动来执行拾取和放置功能。然而，当机器人无法精确的控制或在机器人拾取和放置功能被重复执行时会出现未对准的情况，使得操作精度下降。所以机器人的精度测定是机器人质量评价中重要的一个环节，在这样的情况下，已知如下技术：专利文献1(US10471601)中公开了将机器人臂移动到用于自诊断的位置，通过使用距离传感器测量从机器人臂的预定部分到校准板的距离，通过使用图像传感器获得校准板的图像，响应于测量的距离在距离误差范围之外并且获得的图像的测量值在图像误差范围之外，输出指示机器人臂的故障的信号。

在专利文献2(CN109382817A)中公开了一种校准系统和校准方法，其中是在更换了新的电机以后通过矫正位置的图像识别，并通过图像的位置对电机角度进行调整。

然而，专利文献1(US10471601)虽然提出了通过图像传感器对校准版图像进行处理判决，但其判决具体过程被没有很详细且未就机器人异常类型进行判定，专利文献2(CN109382817A)提出的是更换电机后的机器人位置调整，其中运用到的只有角度调节，而且在诊断过程中并没有涉及到电机老化的定向误差问题。

因此，有必要提供一种改进的机器人校准方式。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种用于机器人校准和校正系统，使得系统可以精确判定机器人故障问题，解决区分机器人精度异常和电机老化异常的问题。

根据本发明的目的提出的一种机器人校准和校正系统，所述系统包括：

待校准的机器人臂；

校准板，显示用于自诊断的校准标记；

距离传感器，安装在机器人臂上并且被配置为测量所述机器人臂至所述校准板的距离；

图像传感器，安装在机器人臂上并且被配置为获得所述校准标记的图像；

处理器，被配置为：具有用以判断故障的第一阈值和第二阈值，所述第二阈值大于所述第一阈值，将所述距离传感器测量获得的距离，计算与校准位置的偏移量，当偏移量大于所述第二阈值时，得到故障结果，当偏移量处于所述第二阈值和第一阈值时，进行所述距离的N 次测量和所述偏移量的N次计算，并取该偏移量的N次计算的平均值，若该平均值大于所述第一阈值，得到故障结果，若该平均值小于所述第一阈值，则进入校准状态，通过所述图像传感器获得的校准标记图像对所述机器人臂进行校准。

优选的，所述处理器还可配置为：当距离传感器测得的图像传感器到校准板距离小于所设第一阈值，图像传感器开始获取校准板图像，通过手眼标定技术得到机器人末端位置信息，与储存的原定校准位置坐标在X,Y,Z，三个方向上做差值，若任意方向上的差值大于第一阈值则系统进入矫正状态进行矫正。

优选的，所述处理器还可被配置为：当进入所述校准状态后，所述图像传感器开始获取所述校准标记的图像，根据机器人臂末端位置信息，与储存的原定校准位置坐标在X,Y,Z，三个方向上做差值，根据所述差值对所述机器人臂对应在X,Y,Z三个方向上的位置误差进行矫正。

优选的，所述机器人臂末端位置信息根据手眼标定技术获取，所述手眼标定技术利用所述距离传感器和所述图像传感器获得机器人臂末端在世界坐标系下的坐标。

优选的，所述处理器还可被配置为：当所述偏移量大于所述第二阈值时，输出的故障结果为电机故障，需要更换电机。

优选的，所述系统还包括存储器，所述存储器可存储通过处理器产生的信息、从距离传感器接收到的距离数据、从图像传感器接收到的图像数据和用户输入。

优选的，所述用户输入包括：第一阈值、第二阈值、预设机器人臂移动到校正位置的时间或时间间隔，根据用户预设的时间或时间间隔，机器人每工作到预设时间或经过预设的时间间隔时，处理器设置中断程序机器人工作进入到校正位置和矫正姿态。

优选的，所述系统还包括通信接口：所述通信接口与安装在机器人臂上的距离传感器和图像传感器通信。

优选的，所述通信接口可从距离传感器接收距离数据，从图像传感器接收图像数据，还可接收用户输入。

一种机器人校准方法，其特征在于，包括：

将机器人臂移动到校准位置；

通过使用安装在机器人臂一端上的距离传感器测量所述机器人臂至所述校准板的距离；

判定所述距离与预设校准位置到校准板距离的偏移量是否大于第一阈值和第二阈值，所述第一阈值小于第二阈值；

当所述偏移量大于所述第二阈值时，得到故障结果，当偏移量处于所述第二阈值和第一阈值时，进行所述距离的N次测量和所述偏移量的N次计算，并取该偏移量的N次计算的平均值，若该平均值大于所述第一阈值，得到故障结果，若该平均值小于所述第一阈值，则进入校准状态，通过所述图像传感器获得的校准标记图像对所述机器人臂进行校准。

相比于用之前的技术，本发明不仅可以检测机器人的精度故障问题，还可以通过计算区分精度随机故障和电机固有故障，从而有针对性地进行相应处理，防止电机持续老化磨损形成更大的问题。

附图说明

图1是机器人校准和校正系统的示意图；

图2是校准板示意图；

图3是故障判定流程图；

图4是故障矫正流程图；

图5是用于控制机器人臂的设备配置框图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。

如图1所示，一种机器人校准和校正系统10，包括：基部11、机器人臂12、图像传感器13、距离传感器14、校准板15，所述基部 11支撑机器人臂12的负荷并在机器人臂12移动时维持系统10的稳定性，所述机器人臂12通过做出线性运动和旋转运动来执行拾取和放置功能；机器人臂12可包括多个关节，每个关节可包括制动器；所述图像传感器13安装在机器人臂上并且被配置为获得图像；所述距离传感器14安装在机器人臂上并且被配置为测量距离；所述校准板15显示用于自诊断的校准标记。

图像传感器13可安装在机器人臂12上。如图1所示，图像传感器安装在机器人臂12可拾取和放置模块的一端。

距离传感器14可安装在机器人臂12上。如图1所示，距离传感器安装在机器人臂12的所述一端，在这种情况下，距离传感器14可与图像传感器13一起安装在机器人臂12的同一端。

距离传感器14可设置在图像传感器13中。

距离传感器14测量距离。距离传感器14可以测量从机器人臂 12的所述一端到校准板15的距离。在实际应用过程中，首先设置空间中一位置作为校正位置，距离传感器14测量机器人臂12所述的一端到校准板15的距离并存储改数据。

校准板15安装在基部11上，作为一种具体的实施方式如图1所示，校准板15安装在基部11的侧表面上。

校准板15还可安装在与基部11的顶表面平行的平面上，例如，校准板15还可安装在校正系统10的台子的顶表面上。

当系统10被初始驱动时，处理器130可将机器人臂12移动到校正位置。处理器130可根据用户输入在预定时间或预定时间间隔将机器人臂12移动到校正位置。

校正位置可以预先被设定。例如，校正位置可以是机器人臂12 的安装在基部11侧表面上的校准板15的整个顶表面通过安装在机器人臂12的一端上的图像传感器13被取像的位置。可选的，校正位置可以是机器人臂12距安装在基部11侧表面上的校准板15的顶表面的距离能够通过距离传感器14测量的位置。

图3是根据示例性实施例的机器人校准和校正系统的故障判定流程图。

参照图3，在操作S100中，包括在系统10中的处理器130将机器人臂12移动到校正位置，但是由于机器人精度异常和电机老化等问题，常见当前判定移动到的校正位置与预设的校正位置存在偏差。

在操作S100之前，处理器130可以预设距离的第一阈值和第二阈值，其中第一阈值<第二阈值。

接下来，在操作S110中，通过使用安装在机器人臂12上的距离传感器14测量当前位置距校准板15的距离。

在操作S110中，处理器130确定测量的距离大于预设的第一阈值时，该方法进入S160操作。在S160操作中，系统10进入矫正状态对距离问题对应电机进行矫正。

当在S110操作中确定通过距离传感器14测量的距离小于第一阈值时，该方法进行到S120操作。在S120操作中，通过安装在机器人臂12上的图像传感器13开始获取关于校准板15的校准图像。

接下来，在S130中，通过手眼标定获得机器人末端位置信息。

接下来，在操作S140中，将通过操作S130获得的机器人末端位置信息与存储的原定校正位置信息进行比对，在X,Y,Z,三个方向上做差值，将得到的差值分别与第一阈值比较，若任一方向上的差值大于第一阈值则进入操作S150，系统10进入矫正状态对电机各方向进行矫正，否则流程结束。

图4是根据示例性实施例的操作S150故障矫正流程图。

参照图4，在操作S150流程中，首先进行操作S151。在操作S151 中由故障判定程序定位故障电机。

接下来，在操作S152中计算偏移位移，即机器人末端位置信息与校正位置信息在X,Y,Z三个方向上的偏移量。

接下来进入操作S153，处理器130判定各个方向上的偏移量是否大于预先设定的第二阈值(第二阈值>第一阈值)，若是，则该方法进入操作S158，判定机器偏转过大，机器的精度偏移非随机原因产生，而是电机老化磨损等情况，需要更换电机。

在操作S153中，若判定结果为各个方向上的偏移量处于预先设定的第二阈值与第一阈值之间，则进入操作S154，校准电机位置，即对电机位置进行调整，重新校准其初始位置，并记录此次的位移偏移量，系统10进入待定状态。

接下来，在操作S155中，n次重复操作S154，记录未来n次检测的位移偏离度。

操作S156，计算总偏离均值点，即根据操作S155中所记录的n 次偏移量计算平均位移量，得到一总偏离均值点，在计算偏移量时，各个方向上如X轴上正偏移和负偏移可以抵消。

接下来进入操作S157，由处理器130判断总均值点与校准位置在X,Y,Z各方向上的差值是否超出第一阈值，若是，则判定机器的精度偏移非随机产生的而是因为电机老化或电机故障等异常，需更换电机，若小于第一阈值则系统解除待定状态进入正常模式。

如图5所示，根据示例性实施例的用于控制机器人臂12的设备 100的配置的框图。

参照图5,根据示例性实施例的设备100包括通信接口110、存储器120和处理器130。

设备100可与机器人校准和校正系统10(见图1)分开,并可与机器人校准和校正系统10通信。设备100可执行控制机器人臂12(见图 1)、图像传感器13(见图1)和距离传感器14(见图1)中的至少一个的相关控制操作。

通信接口110与安装在机器人臂12上的距离传感器14和图像传感器13通信。

通信接口110可从距离传感器14接收距离数据。

通信接口110可从图像传感器13接收图像数据。

通信接口110可接收用户输入。用户输入可包括与机器人臂12 移动到校正位置的时间或时间间隔、第一阈值和第二阈值。

存储器120可存储通过通信接口110接收到的信息和通过处理器130产生的信息。

存储器120可存储从距离传感器14接收到的距离数据、从图像传感器13接收到的图像数据和用户输入。

存储器120可存储机器人臂12的校正位置、机器人臂12移动到校正位置的时间或时间间隔、图像传感器13的规格、距离传感器14 的规格、第一阈值、第二阈值、测量的距离和图像测量值。

虽然以上通过附图和实施例对本发明进行了详细描述，但是这样的图示和描述应被理解为是说明性或示例性而非限制性的。本发明并不局限于所公开的实施例。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它部件或步骤，并且“一个”或特定“多个”应当被理解为”至少一个”或”至少特定多个”。权利要求中的任何参考标记都不应当被理解为对其范围加以限制。通过研习附图、说明书和所附权利要求，针对上述实施例的其它变化形式可以由本领域技术人员在无需创造性劳动即可理解并实施，而这些实施方式仍将落入本发明所附权利要求书的范围之内。

Claims (7)

1.一种机器人校准系统，其特征在于，包括：

待校准的机器人臂；

校准板，显示用于自诊断的校准标记；

距离传感器，安装在机器人臂上并且被配置为测量所述机器人臂至所述校准板的距离；

图像传感器，安装在机器人臂上并且被配置为获得所述校准标记的图像；

处理器，被配置为：具有用以判断故障的第一阈值和第二阈值，所述第二阈值大于所述第一阈值，根据所述距离传感器测量获得的距离，计算当前位置与校准位置的偏移量，当偏移量大于所述第二阈值时，得到故障结果，当偏移量处于所述第二阈值和第一阈值之间时，进行所述距离的N次测量和所述偏移量的N次计算，并取该偏移量的N次计算的平均值，若该平均值大于所述第一阈值，得到故障结果，若该平均值小于所述第一阈值，则进入校准状态，通过所述图像传感器获得的校准标记图像对所述机器人臂进行校准；

处理器还被配置为：当进入所述校准状态后，所述图像传感器开始获取所述校准标记的图像，根据机器人臂末端位置信息与储存的原定校准位置坐标，在X,Y,Z三个方向上做差值，根据所述差值对所述机器人臂对应在X，Y，Z三个方向上的位置误差进行矫正；

当所述偏移量大于所述第二阈值时，输出的故障结果为电机故障，需要更换电机；

当所述平均值在第一阈值和第二阈值之间时，输出的故障结果为电机故障，需要更换电机。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述机器人臂末端位置信息根据手眼标定技术获取，所述手眼标定技术利用所述距离传感器和所述图像传感器获得机器人臂末端在世界坐标系下的坐标。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：还包括存储器，所述存储器可存储通过处理器产生的信息、从距离传感器接收到的距离数据、从图像传感器接收到的图像数据和用户输入。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述用户输入包括：第一阈值、第二阈值、预设机器人臂移动到校正位置的时间或时间间隔，根据用户预设的时间或时间间隔，机器人每工作到预设时间或经过预设的时间间隔时，处理器设置中断程序，机器人工作进入到校正位置和矫正姿态。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括通信接口：所述通信接口与安装在机器人臂上的距离传感器和图像传感器通信。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述通信接口可从距离传感器接收距离数据，从图像传感器接收图像数据，还可接收用户输入。

7.一种机器人校准方法，其特征在于，包括：

将机器人臂移动到校准位置；

通过使用安装在机器人臂一端上的距离传感器测量所述机器人臂至校准板的距离；

判定所述距离与预设校准位置到校准板距离的偏移量是否大于第一阈值和第二阈值，所述第一阈值小于第二阈值；

当所述偏移量大于所述第二阈值时，得到故障结果，当偏移量处于所述第二阈值和第一阈值之间时，进行所述距离的N次测量和所述偏移量的N次计算，并取该偏移量的N次计算的平均值，若该平均值大于所述第一阈值，得到故障结果，若该平均值小于所述第一阈值，则进入校准状态，通过图像传感器获得的校准标记图像对所述机器人臂进行校准；

当进入所述校准状态后，所述图像传感器开始获取所述校准标记的图像，根据机器人臂末端位置信息与储存的原定校准位置坐标，在X,Y,Z三个方向上做差值，根据所述差值对所述机器人臂对应在X，Y，Z三个方向上的位置误差进行矫正；

当所述偏移量大于所述第二阈值时，输出的故障结果为电机故障，需要更换电机；

当所述平均值在第一阈值和第二阈值之间时，输出的故障结果为电机故障，需要更换电机。

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