CN112710424A - 一种标定机器人末端六维力传感器的方法 - Google Patents

一种标定机器人末端六维力传感器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种标定机器人末端六维力传感器的方法，涉及标定技术领域，包括以下步骤：步骤1、机器人不安装标准质量块运行到三个位姿处，记录六维力传感器的空载测量值；步骤2、安装标准质量块；步骤3、机器人运行到空载时三个位姿处，记录六维力传感器的测量值；步骤4、用步骤3的测量值减去空载测量值，保存数据；步骤5、挑选新的标准质量块安装位置，重复2次步骤2到步骤4；步骤6、将测量数据输入建模节点，建立矩阵方程；步骤7、标定节点计算标定矩阵。本发明提出了一种简单实用的标定安装于机器人末端的六维力传感器的方法，使得机器人可以以更高的精度实现各种柔顺作业，拓宽了机器人的应用场景。

Description

一种标定机器人末端六维力传感器的方法
技术领域
本发明涉及标定技术领域，尤其涉及一种标定机器人末端六维力传感器的方法。
背景技术
随着机器人技术的发展和生产商对于降低制造成本的需求，工业机器人开始被广泛用于码垛、喷漆、焊接等领域。近年来，为了拓宽机器人的应用领域如高精度打磨、装配等领域以及为了提高人机协作的安全性，工业机器人末端开始部署力传感器。
传统的力传感器标定都是通过专用的标定平台，如中国专利授权号CN101571441B，名称为“一种中等量程的六维力传感器标定装置”，采用向力传感器各个轴分别施加参考力，求解参考力和原始测量数据的关系，从而实现标定。
在使用力传感器的过程中，通常在正常工况下使用半年以后，随着传感器内部测量元件的变形，传感器的精度会逐渐下降，因此需要重新标定力传感器以校正传感器精度。对用户而言，采用专用标定平台意味着需要将传感器从机器人上拆除，并且送回厂家才能实现标定，这种方式大幅度提高了时间成本。
六维力传感器的原始测量数据与参考力和参考力矩之间的关系通过仿射变换来表达。
w＝Cs+o
式子中w为6维列向量，其元素为[Fx,Fy,Fz,Tx,Ty,Tz]T，Fx,Fy,Fz为沿着x,y,z轴的力，Tx,Ty,Tz为绕着x,y,z的力矩，上标T为矩阵转置符号；C为标定矩阵；s为传感器原始测量数据；o为传感器零点漂移。六维力传感器的标定工作主要包含辨识标定矩阵C和零点漂移o。
在已知标定矩阵C的情况下，零点漂移的估计在很多专利中已经涉及。如中国专利授权号CN105643641B，名称为“力传感器标定装置、标定方法及力控制机器人”，通过让机器人运行3组位姿，由测量值及关联方程求出零点漂移；中国专利公布号CN109822574A，名称为“一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法”，采用多组机器人位姿，同时估计了机器人零点和机器人基座安装倾角。
但是目前相关专利和文献中没有一种可以不采用专用标定平台就实现辨识标定矩阵C的方法。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种简单实用的标定安装于机器人末端的六维力传感器的方法，使得机器人可以以更高的精度实现打磨、装配、抛光、研磨等各种柔顺作业，拓宽了机器人的应用场景。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在不采用专用标定平台的情况下辨识标定矩阵。
为实现上述目的，本发明提供了一种标定机器人末端六维力传感器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、机器人不安装标准质量块运行到三个位姿处，记录六维力传感器的空载测量值；
步骤2、安装标准质量块；
步骤3、机器人运行到空载时三个位姿处，记录六维力传感器的测量值；
步骤4、用步骤3得到的测量值减去步骤1得到的空载测量值，保存数据；
步骤5、挑选新的标准质量块安装位置，重复2次步骤2到步骤4；
步骤6、将测量数据输入建模节点，建立矩阵方程；
步骤7、标定节点计算标定矩阵。
进一步地，在所述步骤7中，建模节点采用克罗内克积的特性，将矩阵方程中的变量统一提取。
进一步地，在所述步骤7中，计算所述标定矩阵的公式如下：
y＝(BTB)-1BTAx
式中，y是将所述标定矩阵拉伸以后的36维列向量；
x是R0 Tg0，其中，R0为机器人基坐标系在世界坐标系下的旋转矩阵，g0为世界坐标系下的重力加速度；
A是M和R形成的矩阵
Figure BDA0002822484940000021
其中，在所述步骤2到所述步骤5中，所述标准质量块在测量中被安装在相对于传感器坐标系三个不同的位置处，记为M1,M2,M3，对于每种质量配置形式，改变机器人位姿会改变矩阵旋转矩阵R，有三个机器人位姿，记为R1,R2,R3；
B是矩阵
Figure BDA0002822484940000022
其中，第i个质量配置形式的第j个位姿的测量记为sij，s形成的矩阵为S，I6是6阶单位矩阵。
进一步地，所述标定机器人末端六维力传感器的方法使用的硬件包括机器人、六维力传感器、计算机以及所述标准质量块。
进一步地，所述标定机器人末端六维力传感器的方法使用的软件包括信息采集节点、机器人节点、建模节点和标定节点，所述信息采集节点用于实时读入所述力传感器的原始测量数据；所述机器人节点用于控制所述机器人实现运动，从而改变安装于所述力传感器末端的所述标准质量块的姿态；所述建模节点用于建立原始测量数据、标定矩阵以及参考力和参考力矩之间的方程关系；所述标定节点将方程关系映射到线性空间向量等价关系获得标定矩阵从而实现标定。
进一步地，所述机器人包括机器人控制柜和1个机械臂，所述机械臂用于生成不同的位姿，所述力传感器安装于所述机械臂末端，所述标准质量块安装于所述力传感器上，所述机器人控制柜与所述计算机通过网线连接。
进一步地，所述建模节点中，传感器原始数据及参考力和参考力矩的平衡方程中包含了机器人基座的倾斜变量。
进一步地，所述标定节点将方程关系映射到线性空间，通过求解最相邻向量的方式获取所述标定矩阵。
进一步地，所述计算机装有所述机器人节点、所述信息采集节点、所述建模节点和所述标定节点。
进一步地，所述机器人的安装基座可以是水平的或倾斜的。
本发明提出了一种简单实用的标定安装于机器人末端的六维力传感器的方法，使得机器人可以以更高的精度实现打磨、装配、抛光、研磨等各种柔顺作业，拓宽了机器人的应用场景。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的一种标定机器人末端六维力传感器的方法的系统示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的一种标定机器人末端六维力传感器的方法的运行流程图。
其中，1-世界坐标系；2-机器人安装基座；3-机器人基坐标系；4-机器人；5-网线；6-计算机；7-六维力传感器；8-转接板；9-标准质量块。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
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。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本发明所述一种标定机器人末端六维力传感器的方法，主要硬件包括一台UR5机器人4、一个ATI六维力传感器7、一台计算机6以及一个标准质量块9。软件部分包括信息采集节点、机器人节点、建模节点、标定节点。
所述信息采集节点用于实时读入力传感器的原始测量数据。在计算机上运行的信息采集节点通过网线实时读取和记录力传感器上的原始测量数据。
六维力传感器的原始测量数据与参考力和参考力矩之间的关系通过仿射变换来表达。
w＝Cs+o (1)
所述机器人节点用于控制机器人实现运动，从而改变安装于力传感器末端的标准质量块的姿态，借助重力实现附加于力传感器上的参考力和参考力矩。设标准质量块质量为m，质心相对于传感器坐标系的位置向量为r，r为三维列向量，其元素为[rx,ry,rz]T。由于本文不涉及对零点漂移的辨识，且在实际应用中，力传感器下方经常会安装有其他末端执行器，因此应用式(1)的过程中，我们采用相同机器人位姿未安装标准质量块以及安装标准质量块后两次测量的差值来进行计算，使得式(1)中w为标准质量块生成的力和力矩，s为标准质量块的原始测量值，原点漂移o在两次测量中被消去。使得式(1)退化为
w＝Cs (2)
借由重力产生的参考力和参考力矩在传感器坐标系下的表达式为
w＝Mg＝MRTR0 Tg0 (3)
其中M为质量矩阵形式，
Figure BDA0002822484940000041
I3为三阶单位矩阵，rx为位置向量r生成的3行3列反对称向量。g为重力加速度在传感器坐标系下的表达，R为传感器坐标系在机器人基坐标系下的旋转矩阵，R0为机器人基坐标系在世界坐标系下的旋转矩阵，g0为世界坐标系下的重力加速度。
合并式(2)和式(3)得到
MRTR0 Tg0＝Cs (4)
由式(4)我们可知，改变机器人位姿会改变矩阵旋转矩阵R，从而改变参考力和参考力矩。
所述建模节点用于建立原始测量数据、标定矩阵以及参考力和参考力矩之间的方程关系。式(4)已经给出了一个关系方程，式中M为已知的质量矩阵，R可以从机器人控制器以及装配关系获得，g0为已知量，s为已知的测量值。因此我们的目标是在R0未知的情况下，经由已知信息获取标定矩阵。为了确保后续矩阵可逆，同一个质量块多次测量中被安装在相对于传感器坐标系三个不同的位置处，记为M1,M2,M3，对于每种质量配置形式，我们采用了三个机器人位姿，记为R1,R2,R3，相应的第i个质量配置形式的第j个位姿的测量记为sij。注意到式(4)方程两边的运算结果均为6维向量，因此将多次测量沿着列排列形成一个高维向量
Figure BDA0002822484940000051
其中，vec为将矩阵按列拉伸为列向量的运算。记式(5)左侧M和R形成的矩阵为A，R0 Tg0为x，s形成的矩阵为S，则式(5)化为
Ax＝vec(CS) (6)
由于目前这种形式是无法求解的，因此建模节点采用了克罗内克积的特性
Figure BDA0002822484940000052
将式(6)化为
Figure BDA0002822484940000053
记式(8)右侧矩阵
Figure BDA0002822484940000054
为B，vec(C)为y，则式(8)化为
Ax＝By (9)
所述标定节点将方程关系映射到线性空间向量等价关系获得标定矩阵从而实现标定。方程相等的关系与线性子空间中向量重合是等价的，在存在测量噪音的情况下，以最小二乘法求解的方程变量与线性子空间中求得的距离最近的向量是等价的。在式(9)中，三维向量x的范数是定值。(重力加速度的在不同坐标系下的方向不同，但是范数恒定)由投影约束关系，式(9)方程左右两边构成的子空间中两个向量的距离为
d＝||Ax-B(BTB)-1BTAx|| (10)
其中d为距离，上标-1为矩阵求逆，||.||符号为求范数运算，求矩阵导数可得使得距离d最小的向量xmin。由投影关系可得
y＝(BTB)-1BTAx (11)
y是将标定矩阵拉伸以后的36维列向量，为了恢复成标准6乘6标定矩阵C，将y每6行放入新的列，获得标定矩阵C。
如图2所示，本发明的具体步骤如下：
1、机器人不安装质量块运行到三个位姿处，记录力传感器测量值。
2、安装质量块。
3、机器人运行到空载时三个位姿处，记录力传感器测量值。
4、从当前测量值减去空载测量值，保存数据。
5、挑选新的质量块安装位置，重复2次步骤2到步骤4。
6、将测量数据输入建模节点，建立矩阵方程。
7、标定节点计算标定矩阵。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种标定机器人末端六维力传感器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、机器人不安装标准质量块运行到三个位姿处，记录六维力传感器的空载测量值；
步骤2、安装标准质量块；
步骤3、机器人运行到空载时三个位姿处，记录六维力传感器的测量值；
步骤4、用步骤3得到的测量值减去步骤1得到的空载测量值，保存数据；
步骤5、挑选新的标准质量块安装位置，重复2次步骤2到步骤4；
步骤6、将测量数据输入建模节点，建立矩阵方程；
步骤7、标定节点计算标定矩阵。
2.如权利要求1所述的一种标定机器人末端六维力传感器的方法，其特征在于，在所述步骤7中，建模节点采用克罗内克积的特性，将矩阵方程中的变量统一提取。
3.如权利要求2所述的一种标定机器人末端六维力传感器的方法，其特征在于，在所述步骤7中，计算所述标定矩阵的公式如下：
y＝(BTB)-1BTAx
式中，y是将所述标定矩阵拉伸以后的36维列向量；
x是R0 Tg0，其中，R0为机器人基坐标系在世界坐标系下的旋转矩阵，g0为世界坐标系下的重力加速度；
A是M和R形成的矩阵
Figure FDA0002822484930000011
其中，在所述步骤2到所述步骤5中，所述标准质量块在测量中被安装在相对于传感器坐标系三个不同的位置处，记为M1,M2,M3，对于每种质量配置形式，改变机器人位姿会改变矩阵旋转矩阵R，有三个机器人位姿，记为R1,R2,R3；
B是矩阵
Figure FDA0002822484930000012
其中，第i个质量配置形式的第j个位姿的测量记为sij，s形成的矩阵为S，I6是6阶单位矩阵。
4.如权利要求3所述的一种标定机器人末端六维力传感器的方法，其特征在于，所述标定机器人末端六维力传感器的方法使用的硬件包括机器人、六维力传感器、计算机以及所述标准质量块。
5.如权利要求4所述的一种标定机器人末端六维力传感器的方法，其特征在于，所述标定机器人末端六维力传感器的方法使用的软件包括信息采集节点、机器人节点、建模节点和标定节点，所述信息采集节点用于实时读入所述力传感器的原始测量数据；所述机器人节点用于控制所述机器人实现运动，从而改变安装于所述力传感器末端的所述标准质量块的姿态；所述建模节点用于建立原始测量数据、标定矩阵以及参考力和参考力矩之间的方程关系；所述标定节点将方程关系映射到线性空间向量等价关系获得标定矩阵从而实现标定。
6.如权利要求4所述的一种标定机器人末端六维力传感器的方法，其特征在于，所述机器人包括机器人控制柜和1个机械臂，所述机械臂用于生成不同的位姿，所述力传感器安装于所述机械臂末端，所述标准质量块安装于所述力传感器上，所述机器人控制柜与所述计算机通过网线连接。
7.如权利要求5所述的一种标定机器人末端六维力传感器的方法，其特征在于，所述建模节点中，传感器原始数据及参考力和参考力矩的平衡方程中包含了机器人基座的倾斜变量。
8.如权利要求5所述的一种标定机器人末端六维力传感器的方法，其特征在于，所述标定节点将方程关系映射到线性空间，通过求解最相邻向量的方式获取所述标定矩阵。
9.如权利要求5所述的一种标定机器人末端六维力传感器的方法，其特征在于，所述计算机装有所述机器人节点、所述信息采集节点、所述建模节点和所述标定节点。
10.如权利要求4所述的一种标定机器人末端六维力传感器的方法，其特征在于，所述机器人的安装基座可以是水平的或倾斜的。
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Patentee after: Chongqing Research Institute of Shanghai Jiaotong University

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Patentee before: SHANGHAI JIAO TONG University

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