CN112797931B - 工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置，包括测试用末端执行器、测量机架和四轴测量仪；测量机架包括安装底板、立柱和样标针；四轴测量仪包括X轴测微台、Y轴测微台、R轴测微转台和Z轴测微台；Z轴移动平台上固定连接有位置检测爪和姿态检测爪；该检测装置检测位姿准确度和重复性的方法包括以下步骤：1)安装测试用末端执行器；2)安装测量机架；3)对测试点进行标定；4)对四轴测量仪进行标定；5)位置准确度和位置重复性测量；6)姿态准确度和姿态重复性测量；本发明的检测装置结构简单、便携，生产成本低，安装方便；检测方法操作简单，能够对大部分工业机器人进行检测，有助于提高工业机器人的产品质量。

Description

工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及机器人性能检测领域，特别是工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置及检测方法。

背景技术

工业机器人是面向工业领域的多自由度机器装置,其末端执行器的位置和姿态是由多轴运动的复合结果。其位姿准确度和位姿重复性是衡量工业机器人技术性能的一项重要指标，对工业机器人保持稳定的工作状态具有重要意义。

GB/T12642中介绍了位姿准确度和位姿重复性的检测方法，也介绍了几种检测装置，但是现有的位姿准确度和位姿重复性检测装置设备结构复杂、价格高昂、操作繁琐、对操作者的技术要求也很高，检测成本居高不下，不适合推广使用。

发明内容

本发明的目的是提供工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置及检测方法，检测装置结构简单、便携，生产成本低，安装方便；检测方法操作简单，对操作人员的技术要求不高，能够对大部分工业机器人进行检测，有助于提高工业机器人的产品质量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置，包括测试用末端执行器、测量机架和四轴测量仪；测试用末端执行器包括探头接口板、探头和若干配重块；探头接口板的一侧固定连接在机器人末端的机械接口法兰盘上，探头固定连接在探头接口板的另一侧，探头靠近尖部处安装有测量销，配重块对称固定连接在探头的两侧；测量机架包括安装底板、立柱和样标针，立柱分为第一立柱、第二立柱、第三立柱、第四立柱和第五立柱且均固定连接在安装底板上，第二立柱与第三立柱的结构相同且高度高于第一立柱的高度；第四立柱和第五立柱的结构相同且高度低于第一立柱的高度；第二立柱、第三立柱、第四立柱和第五立柱顺次围成矩形结构，第一立柱设置在矩形的中心位置；样标针分别安装在各个立柱顶部，当样标针安装在第一立柱顶部时，针尖所在的位置记为P1，当样标针安装在第二立柱顶部时，针尖所在的位置记为P2，当样标针安装在第三立柱顶部时，针尖所在的位置记为P3，当样标针安装在第四立柱顶部时，针尖所在的位置记为P4，当样标针安装在第五立柱顶部时，针尖所在的位置记为P5，所述P1、P2、P3、P4、P5的位置符合GB/T12642的要求；四轴测量仪包括测量仪固定底座、X轴测微台、Y轴测微台、R轴测微转台和Z轴测微台；X轴测微台包括X轴测微台固定底座、X轴移动平台和X轴移动检测量具，X轴移动平台与X轴测微台固定底座之间组成移动运动副，X轴移动检测量具包括固定部和移动位移检测部，X轴移动检测量具的固定部和移动位移检测部分别安装在X轴测微台固定底座和X轴移动平台上；Y轴测微台包括Y轴测微台固定底座、Y轴移动平台和Y轴移动检测量具，Y轴移动平台与Y轴测微台固定底座之间组成移动运动副，Y轴移动检测量具包括固定部和移动位移检测部，Y轴移动检测量具的固定部和移动位移检测部分别安装在Y轴测微台固定底座和Y轴移动平台上；R轴测微转台包括R轴测微转台固定底座、R轴转动平台和R轴转动检测量具，R轴转动平台与R轴测微转台固定底座之间组成转动运动副，R轴转动检测量具包括固定部和转动位移检测部，R轴转动检测量具的固定部和转动位移检测部分别安装在R轴测微转台固定底座和R轴转动平台上；Z轴测微台包括Z轴测微台立柱、Z轴移动平台和Z轴移动检测量具，Z轴移动平台与Z轴测微台立柱之间组成移动运动副，Z轴移动检测量具包括固定部和移动位移检测部，Z轴移动检测量具的固定部和移动位移检测部分别安装在Z轴测微台立柱和Z轴移动平台上；X轴测微台固定底座固定连接在测量仪固定底座顶部，Y轴测微台固定底座固定连接在X轴移动平台顶部，Y轴移动平台的移动方向与X轴移动平台的移动方向垂直；R轴测微转台固定底座固定连接在Y轴移动平台顶部，Z轴测微台立柱固定连接在R轴转动平台顶部，Z轴移动平台的移动方向分别与X轴移动平台的移动方向和Y轴移动平台的移动方向垂直；X轴测微台、Y轴测微台和R轴测微转台均设置有供样标针穿过的通孔；Z轴移动平台上固定连接有位置检测爪和姿态检测爪，位置检测爪上设置有测量槽，以测量槽的一个顶点作为测量点；姿态检测爪上设置有检测刀，检测刀的上平面水平设置，检测刀的侧面倾斜设置，检测刀的侧面与上平面之间的夹角为锐角，检测刀的上平面和侧面的接合处形成直线检测刀刃。

可选的，所述配重块的周向均匀设置有若干螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有配重螺钉。

可选的，所述X轴测微台还包括X轴导轨、X轴移动检测量具的固定部采用X轴测微头，X轴导轨安装在X轴移动平台与X轴测微台固定底座之间，X轴移动平台与X轴测微台固定底座之间设置有X轴夹紧装置，X轴移动平台与X轴测微台固定底座之间设置有X轴复位弹簧；Y轴测微台包括Y轴导轨、Y轴移动检测量具的固定部采用Y轴测微头，Y轴导轨安装在Y轴移动平台与Y轴测微台固定底座之间，Y轴移动平台与Y轴测微台固定底座之间设置有Y轴夹紧装置，Y轴移动平台与Y轴测微台固定底座之间设置有Y轴复位弹簧；R轴测微转台固定底座与R轴转动平台之间设置有R轴夹紧装置，R轴转动检测量具的固定部采用R轴测微头，R轴测微转台固定底座与R轴转动平台之间设置有R轴复位装置；Z轴测微台包括Z轴导轨、Z轴移动检测量具的固定部采用Z轴测微头，Z轴导轨安装在Z轴移动平台与Z轴测微台立柱之间，Z轴移动平台与Z轴测微台立柱之间设置有Z轴夹紧装置，Z轴移动平台与Z轴测微台立柱之间设置有Z轴复位弹簧。

可选的，测量机架还包括三块水平设置的三角形的定位板，定位板的顶点处设置有与立柱相匹配的定位孔，安装底板包括第一安装底板和两块第二安装底板，立柱包括底座和接长杆，接长杆可为零个、一个或多个，底座和接长杆均为空心结构，底座和接长杆之间、接长杆与接长杆之间均通过立柱接头可拆卸固定连接；第二立柱的底座和第五立柱的底座固定连接在一块第二安装板上，第三立柱的底座和第四立柱的底座固定连接在另一块第二安装板上，第一立柱的底座固定连接在第一安装板上；第一块定位板通过定位板上的定位孔固定安装在第一立柱、第二立柱和第三立柱的外圆上；第二块定位板通过定位板上的定位孔固定安装在第一立柱、第四立柱和第五立柱的外圆上；第三块定位板通过定位板上的定位孔固定安装在第一立柱、第二立柱和第三立柱的外圆上，第三块定位板位于第一块定位板的上方。

可选的，所述立柱接头的顶部和底部均设置有开口结构的定位槽，底座顶部、接长杆的两端均设置有与定位槽相匹配的定位孔，定位槽与定位孔的配合处设置有定位销，底座和接长杆上设置有用于锁紧立柱接头的锁紧手轮。

可选的，所述四轴测量仪的测量仪固定底座底部固定连接有快换定位装置，快换定位装置包括定位套，定位套上设置有开口结构的定位槽，立柱顶端设置有与定位槽相匹配的定位孔，定位槽和定位孔的配合处设置有定位销，立柱上设置有用于锁紧定位套的锁紧手轮。

工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测方法，包括以下测试步骤：

1)安装测试用末端执行器

将测试用末端执行器的探头接口板固定安装在待测工业机器人末端的机械接口法兰盘上，将探头安装在探头接口板上，将配重块对称固定连接在探头的两侧；配重块外周设置的螺纹孔，可用于加装配重螺钉或增加配重块的数量后利用配重螺钉固定，加装的配重螺钉或配重块可以用来调整配重质量和质心位置；配重块按GB/T12642的要求，可按待测工业机器人的100％额定负载、50％额定负载或10％额定负载选配；

2)安装测量机架

将测量机架的安装底板安装到测量工作台平面上；将第一立柱～第五立柱固定连接在安装底板上，立柱的位置符合GB/T12642的要求，使所体现的测试立方体位于机器人工作空间中预期应用最多的部分；使测试立方体的棱边平行于机器人的机座坐标系；第一立柱的中心线位于机器人机座坐标系x₁o₁z₁平面上；

3)对测试点进行标定

将样标针安装到测量机架第一立柱的顶端，样标针的针尖代表测试点P1，移动机器人，使测试用末端执行器上的探头的尖端与样标针的针尖接触，完成对P1点的标定；

以P1点作为基准，根据GB/T12642有关测试立方体和测试点的确定原则，计算出其它测试点P2、P3、P4和P5在机器人机座坐系中的坐标，并将其作为测试动作编程时的指令位置；

将样标针依次安装到测量机架第二立柱～第五立柱的顶端，使样标针的针尖分别代表测试点P2～P5，以示教方式移动机器人，使测试用末端执行器上的探头的尖端与样标针的针尖接触，完成对测试点P2～P5的标定，并与计算出的指令位置进行比较，计算出相应的偏差值，作为后期数据处理时的第一误差补偿值；

4)对四轴测量仪进行标定

将样标针安装到四轴测量仪内，将位置检测爪上测量槽的测量点与样标针的针尖对准，分别读取四轴测量仪上X向、Y向和Z向测微头的读数，作为后期数据处理时的第二误差补偿值；

5)位置准确度和位置重复性测量

在自动控制模式下，使机器人测试用末端执行器以固定的姿态，按GB/T12642所要求的速度，移动到待测量位置后暂停；将四轴测量仪安装在与待测试点相对应的立柱顶端，保证四轴测量仪的X向、Y向和Z向与待测工业机器人的机座坐标系平行；分别调整四轴测量仪的X向、Y向和Z向测微头的位置，使测量点与机器人测试用末端执行器上的探头的顶尖接触，并分别读取X向、Y向和Z向测微头的位移值；用X向、Y向和Z向测微头的位移值分别减去第一误差补偿值和第二误差补偿值，即可得到待测工业机器人在该测试点的位置偏差值Δx,Δy,Δz；按GB/T12642推荐的顺序和循环测量次数，分别对各测试点进行测量，获得各测试点的位置偏差值Δx_j,Δy_j,Δz_j；

a.测试点的位置准确度计算：

其中，i表示第i测试点，

其中，n为循环次数；

应选择AP₁～AP₅中最差的一个数据作为待测机器人整机的位置准确度；

b.测试点的位置重复度计算：

式中，i表示第i测试点，

6)姿态准确度和姿态重复性测量

在自动控制下，使机器人测量用末端执行器以固定的姿态，按GB/T12642所要求的速度，移动到待测量位置后暂停；将四轴测量仪安装在与待测试点相对应的立柱顶端，保证四轴测量仪的X向、Y向和Z向与待测工业机器人的机座坐标系平行；

调整四轴测量仪的X向、Y向和Z向测微头的位置，使姿态检测爪上的检测刀刃与探头前端的圆柱面接触，将该接触点记作第一测量点，分别读取X向和Z向测微头的位移值，并记作x₁和z₁；把R轴测微转台转动90度，Z向测微头的位置保持不变，调整Y向测微头的位置，使姿态检测爪的检测刀刃与测量用末端执行器上的探头前端的圆柱面接触，读取Y向测微头的位移值，并记作y₁；再次调整四轴测量仪的Y向和Z向测微头的位置，使姿态检测爪的检测刀刃与探头前端的圆柱面另一任意点接触，该接触点记为第二测量点，第二测量点应远离第一测量点，分别读取Y向和Z向测微头的位移值，并记作y₂和z₂；把R轴测微转台回转90度，即R轴测微转台转回至初始位置，Z向测微头的位置保持不变，调整X向测微头的位置，使姿态检测爪的检测刀刃与探头前端的圆柱面接触，读取X向测微头的位移值，并记作x₂；

Δx_i＝x₂-x₁,Δy_i＝y₂-y₁,Δz_i＝z₂-z₁

其中，i表示第i测试点；

按RPY角计算：

俯仰角

偏转角

滚动角α＝θ₆

其中，θ₆表示机器人手腕部机械接口法兰盘的转动角度；

滚动角α的测量与计算：

将R轴测微台转动一个偏转角γ_i，调整四轴测量仪的X向、Y向和Z向测微头的位置，使姿态检测爪的检测刀刃与探头前端的测量销一端外圆表面接触，该接触点记作第三测量点，分别读取Y向和Z向测微头的位移值，并记作y₃和z₃；调整四轴测量仪的X向、Y向和Z向测微头的位置，使姿态检测爪的检测刀刃与探头前端的测量销另一端外圆表面接触，该接触点记作第四测量点，分别读取Y向和Z向测微头的位移值，并记作y₄和z₄；

Δy＝y₄-y₃,Δz＝z₄-z₃

a.姿态准确度计算：

式中，β_c,λ_c,α_c分别为测试点i的指令位姿的姿态角，AP_i,β、AP_i,γ和AP_i,α分别为测试点i姿态角的准确度，

是在同一位姿重复响应n次所得的姿态角的平均值，β_j,λ_j,α_j是第j次实到位姿的姿态角；

b.姿态重复性的计算：

对于整个机器人的姿态准确度和姿态重复性评价，应选取上述各测试点姿态准确度和姿态重复性中的最差值。

本发明的工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置及检测方法具有以下优点：

(1)检测装置结构简单、便携，测量精度高，成本低；零部件之间的安装方便、快捷。

(2)四轴测量仪的操作方法简单，相比于激光跟踪仪等检测装置不需要操作人员具有较高的技术水平。

(3)快换定位装置的安装与拆卸十分便捷，有利于四轴测量仪的快速更换，提高检测效率。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是四轴测量仪的结构示意图。

图3是测量机架的结构示意图。

图4是位置检测爪的结构示意图。

图5是姿态检测爪的结构示意图。

图6是快换定位套与底座的配合示意图。

图7是快换定位套与底座配合的剖面结构示意图。

附图标号：1-测试用末端执行器、101-探头接口板、102-配重块、103-配重螺钉、104-测量销、105-探头、2-四轴测量仪、201-测量仪固定底座、202-X轴移动平台、203-X轴移动检测量具、204-X轴夹紧装置、205-Y轴移动平台、206-Y轴移动检测量具、207-R轴转动平台、208-R轴转动检测量具、209-R轴夹紧装置、210-Z轴测微台立柱、211-Z轴移动平台、212-Z轴移动检测量具、213-Z轴夹紧装置、3-样标针、4-测量机架、401-第一立柱、402-第二立柱、403-第三立柱、404-第四立柱、405-第五立柱、406-第一安装底板、407-第二安装底板、408-底座、409-接长杆、410-定位板、411-锁紧手轮、5-位置检测爪、501-测量槽、502-测量点、6-姿态检测爪、601-检测刀、602-检测刀刃、7-快换定位装置、701-定位套、8-定位销。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，以下描述中以X轴移动平台202的移动方向作为空间坐标系的X轴方向，以Y轴移动平台205的移动方向作为空间坐标系的Y轴方向，以Z轴移动平台211的移动方向作为空间坐标系的Z轴方向。

如图1-图7所示，工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置，包括测试用末端执行器1、测量机架4和四轴测量仪2；测试用末端执行器1包括探头接口板101、探头105和若干配重块102；探头接口板101的一侧固定连接在机器人末端的机械接口法兰盘上，探头105固定连接在探头接口板101的另一侧，在探头105靠近尖部处安装有测量销104；配重块102对称固定连接在探头105的两侧，配重块102按GB/T12642的要求，可按待测工业机器人的100％额定负载、50％额定负载或10％额定负载选配。

测量机架4包括安装底板、立柱和样标针3，立柱分为第一立柱401、第二立柱402、第三立柱403、第四立柱404和第五立柱405且均固定连接在安装底板上，第二立柱402与第三立柱403的结构相同且高度高于第一立柱401的高度；第四立柱404和第五立柱405的结构相同且高度低于第一立柱401的高度；第二立柱402、第三立柱403、第四立柱404和第五立柱405顺次围成正方形结构，第一立柱401设置在正方形的中心位置；样标针3分别可拆卸地安装在各个立柱顶部，样标针3仅在对检测点进行标定和对四轴测量仪2进行标定的时候使用，可拆卸的连接方式能够方便样标针3的拆装，提高标定的效率。

当样标针3安装在第一立柱401顶部时，针尖所在的位置记为P1，当样标针3安装在第二立柱402顶部时，针尖所在的位置记为P2，当样标针3安装在第三立柱403顶部时，针尖所在的位置记为P3，当样标针3安装在第四立柱404顶部时，针尖所在的位置记为P4，当样标针3安装在第五立柱405顶部时，针尖所在的位置记为P5，所述P1、P2、P3、P4、P5的位置符合GB/T12642的要求；样标针3底部安装有快换定位套701。

四轴测量仪2包括测量仪固定底座201、X轴测微台、Y轴测微台、R轴测微转台和Z轴测微台；X轴测微台包括X轴测微台固定底座408、X轴移动平台202和X轴移动检测量具203，X轴移动平台202与X轴测微台固定底座408之间组成移动运动副，该移动运动副可通过滚动轨道、滑动轨道等连接结构实现，X轴移动检测量具203能够测量出工业机器人在X轴向的位移偏差，X轴移动检测量具203包括固定部和移动位移检测部，X轴移动检测量具203的固定部安装在X轴测微台固定底座408上，X轴移动检测量具203的移动位移检测部安装在X轴移动平台202上。

Y轴测微台包括Y轴测微台固定底座408、Y轴移动平台205和Y轴移动检测量具206，Y轴移动平台205与Y轴测微台固定底座408之间组成移动运动副，该移动运动副可通过滚动轨道、滑动轨道等连接结构实现，Y轴移动检测量具206能够测量出工业机器人在Y轴向的位移偏差，Y轴移动检测量具206包括固定部和移动位移检测部，Y轴移动检测量具206的固定部安装在Y轴测微台固定底座408上，Y轴移动检测量具206的移动位移检测部安装在Y轴移动平台205上。

R轴测微转台包括R轴测微转台固定底座408、R轴转动平台207和R轴转动检测量具208，R轴转动平台207与R轴测微转台固定底座408之间组成转动运动副，该转动运动副可通过轴承等结构实现。在位置准确度和重复性的检测过程中，在X轴、Y轴、Z轴的位移偏差测量遇到干涉时，可通过R轴测微转台调整测量点502的角度，防止出现因测试用末端执行器1的结构与四轴测量仪2的结构互相干涉，而无法对X轴、Y轴、Z轴的位移偏差进行测量的情况；在姿态准确度和重复性的检测过程中，R轴测微转台可用来测量工业机器人的位姿角度。R轴转动检测量具208包括固定部和转动位移检测部，R轴转动检测量具208的固定部安装在R轴测微台固定底座408上，R轴转动检测量具208的移动位移检测部安装在R轴转动平台207上。

Z轴测微台包括Z轴测微台立柱210、Z轴移动平台211和Z轴移动检测量具212，Z轴移动平台211与Z轴测微台立柱210之间组成移动运动副，该移动运动副可通过滚动轨道、滑动轨道等连接结构实现，Z轴移动检测量具212能够测量出工业机器人在Z轴向的位移偏差，Z轴移动检测量具212包括固定部和移动位移检测部，Z轴移动检测量具212的固定部安装在Z轴测微台固定底座408上，Z轴移动检测量具212的移动位移检测部安装在Z轴移动平台211上。

X轴测微台、Y轴测微台、R轴测微转台和Z轴测微台的移动或转动可以采用手动、电动或其它伺服驱动；X轴测微台、Y轴测微台、R轴测微转台和Z轴测微台的检测量具可以采用测微头、百分表等机械式量具，也可以采用接触式或非接触式位移传感器。

X轴测微台固定底座408固定连接在测量仪固定底座201顶部；Y轴测微台固定底座408固定连接在X轴移动平台202顶部，Y轴移动平台205的移动方向与X轴移动平台202的移动方向垂直；R轴测微转台固定底座408固定连接在Y轴移动平台205顶部；Z轴测微台立柱210固定连接在R轴转动平台207顶部，Z轴移动平台211的移动方向分别与X轴移动平台202的移动方向和Y轴移动平台205的移动方向垂直。X轴测微转台固定底座408可以与测量仪固定底座201为一体结构；Y轴测微转台固定底座408可以与X轴移动平台202为一体结构；R轴测微转台固定底座408可以与Y轴移动平台205为一体结构；Z轴测微台立柱210可以与R轴转动平台207为一体结构，X轴测微台、Y轴测微台和R轴测微转台的安装顺序和连接形式包括但不限于上述结构。

X轴测微台、Y轴测微台和R轴测微转台均设置有供样标针3穿过的通孔，在对四轴测量仪2进行标定时，样标针3安装在四轴测量仪2内部，利用样标针3的针尖对测量点502进行标定。

Z轴移动平台211上固定连接有位置检测爪5和姿态检测爪6，位置检测爪5上设置有测量槽501，以测量槽501的一个顶点作为测量点502，测量点502用于测量工业机器人在X轴、Y轴、Z轴上的位移偏差；姿态检测爪6上设置有检测刀601，检测刀601的上平面水平设置，检测刀601的侧面倾斜设置，检测刀601的侧面与上平面之间的夹角为锐角，检测刀601的上平面和侧面的接合处形成直线检测刀刃602，检测刀刃602用于测量工业机器人的位姿角度。

进一步，所述配重块102的周向均匀设置有若干螺纹孔，螺纹孔可用于加装配重螺钉103或增加配重块102的数量后利用配重螺钉103固定，加装的配重螺钉103或配重块102可以用来调整配重质量和质心位置。

进一步，所述X轴测微台还包括X轴导轨、X轴移动检测量具203的固定部采用X轴测微头，X轴导轨安装在X轴移动平台202与X轴测微台固定底座408之间，X轴移动平台202与X轴测微台固定底座408之间设置有X轴夹紧装置204，X轴夹紧装置204锁紧时，能够限制四轴测量仪2在X轴方向上的移动，X轴移动平台202与X轴测微台固定底座408之间设置有X轴复位弹簧，X轴复位弹簧能够使X轴移动平台202与X轴移动检测量具203保持一致性，即X轴移动检测量具203的移动量与X轴移动平台202的移动量相同。

Y轴测微台包括Y轴导轨、Y轴移动检测量具206的固定部采用Y轴测微头，Y轴导轨安装在Y轴移动平台205与Y轴测微台固定底座408之间，Y轴移动平台205与Y轴测微台固定底座408之间设置有Y轴夹紧装置，Y轴夹紧装置锁紧时，能够限制四轴测量仪2在Y轴方向上的移动，Y轴移动平台205与Y轴测微台固定底座408之间设置有Y轴复位弹簧，Y轴复位弹簧能够使X轴移动平台202与Y轴移动检测量具206保持一致性，即Y轴移动检测量具206的移动量与Y轴移动平台205的移动量相同。

R轴测微转台固定底座408与R轴转动平台207之间设置有R轴夹紧装置209，R轴转动检测量具208的固定部采用R轴测微头，R轴测微转台固定底座408与R轴转动平台207之间设置有R轴复位装置，R轴复位装置能够使R轴转动平台207与R轴转动检测量具208保持一致性，即R轴转动检测量具208的转动量与R轴转动平台207的转动量相同。

Z轴测微台包括Z轴导轨、Z轴移动检测量具212的固定部采用Z轴测微头，Z轴导轨安装在Z轴移动平台211与Z轴测微台立柱210之间，Z轴移动平台211与Z轴测微台立柱210之间设置有Z轴夹紧装置213，Z轴夹紧装置213锁紧时，能够限制四轴测量仪2在Z轴方向上的移动，Z轴移动平台211与Z轴测微台立柱210之间设置有Z轴复位弹簧，Z轴复位弹簧能够使Z轴移动平台211与Z轴移动检测量具212保持一致性，即Z轴移动检测量具212的移动量与Z轴移动平台211的移动量相同。

进一步，测量机架4还包括三块水平设置的三角形的定位板410，定位板410的顶点处设置有与立柱相匹配的定位孔，安装底板包括第一安装底板406和两块第二安装底板407，立柱包括底座408和接长杆409，接长杆409可为零个、一个或多个，第四立柱404和第五立柱405不安装接长杆409，第一立柱401安装有一个接长杆409，第二立柱402和第三立柱403安装有两个接长杆409。

底座408和接长杆409均为空心结构，底座408和接长杆409之间、接长杆409与接长杆409之间均通过立柱接头可拆卸固定连接；第二立柱402的底座408和第五立柱405的底座408固定连接在一块第二安装板上，第三立柱403的底座408和第四立柱404的底座408固定连接在另一块第二安装板上，第一立柱401的底座408固定连接在第一安装板上；第一块定位板410通过定位板410上的定位孔固定安装在第一立柱401、第二立柱402和第三立柱403的外圆上；第二块定位板410通过定位板410上的定位孔固定安装在第一立柱401、第四立柱404和第五立柱405的外圆上；第三块定位板410通过定位板410上的定位孔固定安装在第一立柱401、第二立柱402和第三立柱403的外圆上，第三块定位板410位于第一块定位板410的上方，定位板410能够确定立柱的安装位置，还能够增强立柱之间的稳定性，确保测量结果的精确性。

进一步，所述立柱接头的顶部和底部均设置有开口结构的定位槽，底座408顶部、接长杆409的两端均设置有与定位槽相匹配的定位孔，定位槽与定位孔的配合处设置有定位销8，底座408和接长杆409上设置有用于锁紧立柱接头的锁紧手轮411。

立柱接头插入底座408或接长杆409中时，可利用定位销8插入立柱接头的定位槽和底座408或接长杆409上的定位孔中，对立柱接头在水平方向上的转动进行限制，再利用锁紧手轮411抵住立柱接头的侧壁，对立柱接头在竖直方向上的移动进行限制，立柱接头的位置被限制之后，其上、下所连接的部分也受到相同的限制，即底座408、接长杆409的位置不会发生改变，提高了测量机架4的稳定性，进而提高检测结果的精确性。

在对立柱进行拆卸时，只需要将松开锁紧手轮411，就能够拔出立柱接头，拆卸时不用对定位销8进行操作，方便了立柱的拆卸。

进一步，所述四轴测量仪2的测量仪固定底座201底部固定连接有快换定位装置7，快换定位装置7包括定位套701，定位套701与立柱的连接方式与立柱接头与底座408或接长杆409的连接方式相同，定位套701上设置有开口结构的定位槽，立柱顶端设置有与定位槽相匹配的定位孔，定位槽和定位孔的配合处设置有定位销8，立柱上设置有用于锁紧定位套701的锁紧手轮411。

定位套701插入立柱顶部时，可利用定位销8插入定位套701的定位槽和立柱的定位孔中，对定位套701在水平方向上的转动进行限制，再利用锁紧手轮411抵住定位套701的侧壁，对定位套701在竖直方向上的移动进行限制，定位套701的位置被限制之后，与其固定连接的四轴测量仪2也受到相同的限制，即四轴测量仪2稳定地安装在立柱顶端，有利于后续的标定、检测等操作。

四轴测量仪2需要完成P1～P5五个测试点的参数检测，在四轴测量仪2更换立柱时，只需要将松开锁紧手轮411，就能够取下四轴测量仪2，拆卸更换时不用对定位销8进行操作，四轴测量仪2的更换简单、快速，能够提高检测效率。

一种工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测方法，包括以下测试步骤：

1)安装测试用末端执行器1

将测试用末端执行器1的探头接口板101固定安装在待测工业机器人末端的机械接口法兰盘上，将探头105安装在探头接口板101上，将配重块102对称固定连接在探头105的两侧；配重块102外周设置的螺纹孔，可用于加装配重螺钉103或增加配重块102的数量后利用配重螺钉103固定，加装的配重螺钉103或配重块102可以用来调整配重质量和质心位置；配重块102按GB/T12642的要求，可按待测工业机器人的100％额定负载、50％额定负载或10％额定负载选配；

2)安装测量机架4

将测量机架4的安装底板安装到测量工作台平面上；将第一立柱401～第五立柱405固定连接在安装底板上，立柱的位置符合GB/T12642的要求，使所体现的测试立方体位于机器人工作空间中预期应用最多的部分；使测试立方体的棱边平行于机器人的机座坐标系；第一立柱401的中心线位于机器人机座坐标系x₁o₁z₁平面上；

3)对测试点进行标定

将样标针3安装到测量机架4第一立柱401的顶端，样标针3的针尖代表测试点P1，移动机器人，使测试用末端执行器1上的探头105的尖端与样标针3的针尖接触，完成对P1点的标定；

以P1点作为基准，根据GB/T12642有关测试立方体和测试点的确定原则，计算出其它测试点P2、P3、P4和P5在机器人机座坐系中的坐标，并将其作为测试动作编程时的指令位置；

将样标针3依次安装到测量机架4第二立柱402～第五立柱405的顶端，使样标针3的针尖分别代表测试点P2～P5，以示教方式移动机器人，使测试用末端执行器1上的探头105的尖端与样标针3的针尖接触，完成对测试点P2～P5的标定，并与计算出的指令位置进行比较，计算出相应的偏差值，作为后期数据处理时的第一误差补偿值；

4)对四轴测量仪2进行标定

将样标针3安装到四轴测量仪2内，将位置检测爪5上测量槽501的测量点502与样标针3的针尖对准，分别读取四轴测量仪2上X向、Y向和Z向测微头的读数，作为后期数据处理时的第二误差补偿值；

5)位置准确度和位置重复性测量

在自动控制模式下，使机器人测试用末端执行器1以固定的姿态，按GB/T12642所要求的速度，移动到待测量位置后暂停；将四轴测量仪2安装在与待测试点相对应的立柱顶端，保证四轴测量仪2的X向、Y向和Z向与待测工业机器人的机座坐标系平行；分别调整四轴测量仪2的X向、Y向和Z向测微头的位置，使测量点502与机器人测试用末端执行器1上的探头105的顶尖接触，并分别读取X向、Y向和Z向测微头的位移值；用X向、Y向和Z向测微头的位移值分别减去第一误差补偿值和第二误差补偿值，即可得到待测工业机器人在该测试点的位置偏差值Δx,Δy,Δz；按GB/T12642推荐的顺序和循环测量次数，分别对各测试点进行测量，获得各测试点的位置偏差值Δx_j,Δy_j,Δz_j；

a.测试点的位置准确度计算：

其中，i表示第i测试点，

其中，n为循环次数；

应选择AP₁～AP₅中最差的一个数据作为待测机器人整机的位置准确度；

b.测试点的位置重复度计算：

式中，i表示第i测试点，

6)姿态准确度和姿态重复性测量

在自动控制下，使机器人测量用末端执行器以固定的姿态，按GB/T12642所要求的速度，移动到待测量位置后暂停；将四轴测量仪2安装在与待测试点相对应的立柱顶端，保证四轴测量仪2的X向、Y向和Z向与待测工业机器人的机座坐标系平行；

调整四轴测量仪2的X向、Y向和Z向测微头的位置，使姿态检测爪6上的检测刀刃602与探头105前端的圆柱面接触，将该接触点记作第一测量点，分别读取X向和Z向测微头的位移值，并记作x₁和z₁；把R轴测微转台转动90度，Z向测微头的位置保持不变，调整Y向测微头的位置，使姿态检测爪6的检测刀刃602与测量用末端执行器上的探头105前端的圆柱面接触，读取Y向测微头的位移值，并记作y₁；再次调整四轴测量仪2的Y向和Z向测微头的位置，使姿态检测爪6的检测刀刃602与探头105前端的圆柱面另一任意点接触，该接触点记为第二测量点，第二测量点应远离第一测量点，分别读取Y向和Z向测微头的位移值，并记作y₂和z₂；把R轴测微转台回转90度，即R轴测微转台转回至初始位置，Z向测微头的位置保持不变，调整X向测微头的位置，使姿态检测爪6的检测刀刃602与探头105前端的圆柱面接触，读取X向测微头的位移值，并记作x₂；

Δx_i＝x₂-x₁,Δy_i＝y₂-y₁,Δz_i＝z₂-z₁

其中，i表示第i测试点；

按RPY角计算：

俯仰角

偏转角

滚动角α＝θ₆

其中，θ₆表示机器人手腕部机械接口法兰盘的转动角度；

滚动角α的测量与计算：

将R轴测微台转动一个偏转角γ_i，调整四轴测量仪2的X向、Y向和Z向测微头的位置，使姿态检测爪6的检测刀刃602与探头105前端的测量销104一端外圆表面接触，该接触点记作第三测量点，分别读取Y向和Z向测微头的位移值，并记作y₃和z₃；调整四轴测量仪2的X向、Y向和Z向测微头的位置，使姿态检测爪6的检测刀刃602与探头105前端的测量销104另一端外圆表面接触，该接触点记作第四测量点，分别读取Y向和Z向测微头的位移值，并记作y₄和z₄；

Δy＝y₄-y₃,Δz＝z₄-z₃

a.姿态准确度计算：

式中，β_c,λ_c,α_c分别为测试点i的指令位姿的姿态角，AP_i,β、AP_i,γ和AP_i,α分别为测试点i姿态角的准确度，

是在同一位姿重复响应n次所得的姿态角的平均值，β_j,λ_j,α_j是第j次实到位姿的姿态角；

b.姿态重复性的计算：

对于整个机器人的姿态准确度和姿态重复性评价，应选取上述各测试点姿态准确度和姿态重复性中的最差值。

以上所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，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的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置，其特征在于，包括测试用末端执行器、测量机架和四轴测量仪；测试用末端执行器包括探头接口板、探头和若干配重块；探头接口板的一侧固定连接在机器人末端的机械接口法兰盘上，探头固定连接在探头接口板的另一侧，探头靠近尖部处安装有测量销，配重块对称固定连接在探头的两侧；测量机架包括安装底板、立柱和样标针，立柱分为第一立柱、第二立柱、第三立柱、第四立柱和第五立柱且均固定连接在安装底板上，第二立柱与第三立柱的结构相同且高度高于第一立柱的高度；第四立柱和第五立柱的结构相同且高度低于第一立柱的高度；第二立柱、第三立柱、第四立柱和第五立柱顺次围成矩形结构，第一立柱设置在矩形的中心位置；样标针分别安装在各个立柱顶部，当样标针安装在第一立柱顶部时，针尖所在的位置记为P1，当样标针安装在第二立柱顶部时，针尖所在的位置记为P2，当样标针安装在第三立柱顶部时，针尖所在的位置记为P3，当样标针安装在第四立柱顶部时，针尖所在的位置记为P4，当样标针安装在第五立柱顶部时，针尖所在的位置记为P5，所述P1、P2、P3、P4、P5的位置符合GB/T12642的要求；四轴测量仪包括测量仪固定底座、X轴测微台、Y轴测微台、R轴测微转台和Z轴测微台；X轴测微台包括X轴测微台固定底座、X轴移动平台和X轴移动检测量具，X轴移动平台与X轴测微台固定底座之间组成移动运动副，X轴移动检测量具包括固定部和移动位移检测部，X轴移动检测量具的固定部和移动位移检测部分别安装在X轴测微台固定底座和X轴移动平台上；Y轴测微台包括Y轴测微台固定底座、Y轴移动平台和Y轴移动检测量具，Y轴移动平台与Y轴测微台固定底座之间组成移动运动副，Y轴移动检测量具包括固定部和移动位移检测部，Y轴移动检测量具的固定部和移动位移检测部分别安装在Y轴测微台固定底座和Y轴移动平台上；R轴测微转台包括R轴测微转台固定底座、R轴转动平台和R轴转动检测量具，R轴转动平台与R轴测微转台固定底座之间组成转动运动副，R轴转动检测量具包括固定部和转动位移检测部，R轴转动检测量具的固定部和转动位移检测部分别安装在R轴测微转台固定底座和R轴转动平台上；Z轴测微台包括Z轴测微台立柱、Z轴移动平台和Z轴移动检测量具，Z轴移动平台与Z轴测微台立柱之间组成移动运动副，Z轴移动检测量具包括固定部和移动位移检测部，Z轴移动检测量具的固定部和移动位移检测部分别安装在Z轴测微台立柱和Z轴移动平台上；X轴测微台固定底座固定连接在测量仪固定底座顶部，Y轴测微台固定底座固定连接在X轴移动平台顶部，Y轴移动平台的移动方向与X轴移动平台的移动方向垂直；R轴测微转台固定底座固定连接在Y轴移动平台顶部，Z轴测微台立柱固定连接在R轴转动平台顶部，Z轴移动平台的移动方向分别与X轴移动平台的移动方向和Y轴移动平台的移动方向垂直；X轴测微台、Y轴测微台和R轴测微转台均设置有供样标针穿过的通孔；Z轴移动平台上固定连接有位置检测爪和姿态检测爪，位置检测爪上设置有测量槽，以测量槽的一个顶点作为测量点；姿态检测爪上设置有检测刀，检测刀的上平面水平设置，检测刀的侧面倾斜设置，检测刀的侧面与上平面之间的夹角为锐角，检测刀的上平面和侧面的接合处形成直线检测刀刃。

2.如权利要求1所述的工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置，其特征在于，所述配重块的周向均匀设置有若干螺纹孔，螺纹孔内螺纹连接有配重螺钉。

3.如权利要求1所述的工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置，其特征在于，所述X轴测微台还包括X轴导轨、X轴移动检测量具的固定部采用X轴测微头，X轴导轨安装在X轴移动平台与X轴测微台固定底座之间，X轴移动平台与X轴测微台固定底座之间设置有X轴夹紧装置，X轴移动平台与X轴测微台固定底座之间设置有X轴复位弹簧；Y轴测微台包括Y轴导轨、Y轴移动检测量具的固定部采用Y轴测微头，Y轴导轨安装在Y轴移动平台与Y轴测微台固定底座之间，Y轴移动平台与Y轴测微台固定底座之间设置有Y轴夹紧装置，Y轴移动平台与Y轴测微台固定底座之间设置有Y轴复位弹簧；R轴测微转台固定底座与R轴转动平台之间设置有R轴夹紧装置，R轴转动检测量具的固定部采用R轴测微头，R轴测微转台固定底座与R轴转动平台之间设置有R轴复位装置；Z轴测微台包括Z轴导轨、Z轴移动检测量具的固定部采用Z轴测微头，Z轴导轨安装在Z轴移动平台与Z轴测微台立柱之间，Z轴移动平台与Z轴测微台立柱之间设置有Z轴夹紧装置，Z轴移动平台与Z轴测微台立柱之间设置有Z轴复位弹簧。

4.如权利要求1所述的工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置，其特征在于，测量机架还包括三块水平设置的三角形的定位板，定位板的顶点处设置有与立柱相匹配的定位孔，安装底板包括第一安装底板和两块第二安装底板，立柱包括底座和接长杆，接长杆为零个、一个或多个，底座和接长杆均为空心结构，底座和接长杆之间、接长杆与接长杆之间均通过立柱接头可拆卸固定连接；第二立柱的底座和第五立柱的底座固定连接在一块第二安装底板上，第三立柱的底座和第四立柱的底座固定连接在另一块第二安装底板上，第一立柱的底座固定连接在第一安装底板上；第一块定位板通过定位板上的定位孔固定安装在第一立柱、第二立柱和第三立柱的外圆上；第二块定位板通过定位板上的定位孔固定安装在第一立柱、第四立柱和第五立柱的外圆上；第三块定位板通过定位板上的定位孔固定安装在第一立柱、第二立柱和第三立柱的外圆上，第三块定位板位于第一块定位板的上方。

5.如权利要求4所述的工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置，其特征在于，所述立柱接头的顶部和底部均设置有开口结构的定位槽，底座顶部、接长杆的两端均设置有与定位槽相匹配的定位孔，定位槽与定位孔的配合处设置有定位销，底座和接长杆上设置有用于锁紧立柱接头的锁紧手轮。

6.如权利要求1或5所述的工业机器人位姿准确度和位姿重复性检测装置，其特征在于，所述四轴测量仪的测量仪固定底座底部固定连接有快换定位装置，快换定位装置包括定位套，定位套上设置有开口结构的定位槽，立柱顶端设置有与定位槽相匹配的定位孔，定位槽和定位孔的配合处设置有定位销，立柱上设置有用于锁紧定位套的锁紧手轮。

7.利用权利要求1-6任一所述装置所进行的工业机器人位姿准确度和重复性的检测方法，其特征在于，包括以下测试步骤：

1)安装测试用末端执行器

将测试用末端执行器的探头接口板固定安装在待测工业机器人末端的机械接口法兰盘上，将探头安装在探头接口板上，将配重块对称固定连接在探头的两侧；配重块外周设置的螺纹孔，用于加装配重螺钉或增加配重块的数量后利用配重螺钉固定，加装的配重螺钉或配重块以用来调整配重质量和质心位置；配重块按GB/T12642的要求，按待测工业机器人的100％额定负载、50％额定负载或10％额定负载选配；

2)安装测量机架

将测量机架的安装底板安装到测量工作台平面上；将第一立柱～第五立柱固定连接在安装底板上，立柱的位置符合GB/T12642的要求，使所体现的测试立方体位于机器人工作空间中预期应用最多的部分；使测试立方体的棱边平行于机器人的机座坐标系；第一立柱的中心线位于机器人机座坐标系x₁o₁z₁平面上；

3)对测试点进行标定

将样标针安装到测量机架第一立柱的顶端，样标针的针尖代表测试点P1，移动机器人，使测试用末端执行器上的探头的尖端与样标针的针尖接触，完成对P1点的标定；

以P1点作为基准，根据GB/T12642有关测试立方体和测试点的确定原则，计算出其它测试点P2、P3、P4和P5在机器人机座坐系中的坐标，并将其作为测试动作编程时的指令位置；

将样标针依次安装到测量机架第二立柱～第五立柱的顶端，使样标针的针尖分别代表测试点P2～P5，以示教方式移动机器人，使测试用末端执行器上的探头的尖端与样标针的针尖接触，完成对测试点P2～P5的标定，并与计算出的指令位置进行比较，计算出相应的偏差值，作为后期数据处理时的第一误差补偿值；

4)对四轴测量仪进行标定

将样标针安装到四轴测量仪内，将位置检测爪上测量槽的测量点与样标针的针尖对准，分别读取四轴测量仪上X向、Y向和Z向测微头的读数，作为后期数据处理时的第二误差补偿值；

5)位置准确度和位置重复性测量

在自动控制模式下，使机器人测试用末端执行器以固定的姿态，按GB/T12642所要求的速度，移动到待测量位置后暂停；将四轴测量仪安装在与待测试点相对应的立柱顶端，保证四轴测量仪的X向、Y向和Z向与待测工业机器人的机座坐标系平行；分别调整四轴测量仪的X向、Y向和Z向测微头的位置，使测量点与机器人测试用末端执行器上的探头的顶尖接触，并分别读取X向、Y向和Z向测微头的位移值；用X向、Y向和Z向测微头的位移值分别减去第一误差补偿值和第二误差补偿值，即可得到待测工业机器人在测试点的位置偏差值Δx,Δy,Δz；按GB/T12642推荐的顺序和循环测量次数，分别对各测试点进行测量，获得各测试点的位置偏差值Δx_i,j,Δy_i,j,Δz_i,j；

a.测试点的位置准确度计算：

其中，i表示第i测试点，j表示在第i测试点的第j次测量；

其中，n为循环次数；

应选择AP₁～AP₅中最差的一个数据作为待测机器人整机的位置准确度；

b.测试点的位置重复度计算：

式中，i表示第i测试点，j表示在第i测试点的第j次测量；

6)姿态准确度和姿态重复性测量

在自动控制下，使机器人测量用末端执行器以固定的姿态，按GB/T12642所要求的速度，移动到待测量位置后暂停；将四轴测量仪安装在与待测试点相对应的立柱顶端，保证四轴测量仪的X向、Y向和Z向与待测工业机器人的机座坐标系平行；

调整四轴测量仪的X向、Y向和Z向测微头的位置，使姿态检测爪上的检测刀刃与探头前端的圆柱面接触，将接触点记作第一测量点，分别读取X向和Z向测微头的位移值，并记作x₁和z₁；把R轴测微转台转动90度，Z向测微头的位置保持不变，调整Y向测微头的位置，使姿态检测爪的检测刀刃与测量用末端执行器上的探头前端的圆柱面接触，读取Y向测微头的位移值，并记作y₁；再次调整四轴测量仪的Y向和Z向测微头的位置，使姿态检测爪的检测刀刃与探头前端的圆柱面另一任意点接触，接触点记为第二测量点，第二测量点应远离第一测量点，分别读取Y向和Z向测微头的位移值，并记作y₂和z₂；把R轴测微转台回转90度，即R轴测微转台转回至初始位置，Z向测微头的位置保持不变，调整X向测微头的位置，使姿态检测爪的检测刀刃与探头前端的圆柱面接触，读取X向测微头的位移值，并记作x₂；

Δx'_i,j＝x₂-x₁,Δy'_i,j＝y₂-y₁,Δz'_i,j＝z₂-z₁

其中，i表示第i测试点，j表示在第i测试点的第j次测量；

按RPY角计算：

俯仰角

偏转角

滚动角α_i,j＝θ_6i,j

其中，θ_6i,j表示在第i测试点，第j次测量机器人手腕部机械接口法兰盘的转动角度；

滚动角α_i,j的测量与计算：

将R轴测微台转动一个偏转角γ_i,j，调整四轴测量仪的X向、Y向和Z向测微头的位置，使姿态检测爪的检测刀刃与探头前端的测量销一端外圆表面接触，接触点记作第三测量点，分别读取Y向和Z向测微头的位移值，并记作y₃和z₃；调整四轴测量仪的X向、Y向和Z向测微头的位置，使姿态检测爪的检测刀刃与探头前端的测量销另一端外圆表面接触，接触点记作第四测量点，分别读取Y向和Z向测微头的位移值，并记作y₄和z₄；

Δy”_i,j＝y₄-y₃,Δz”_i,j＝z₄-z₃

a.姿态准确度计算：

式中，β_i,c,γ_i,c,α_i,c分别为测试点i的指令位姿的姿态角，AP_i,β、AP_i,γ和AP_i,α分别为测试点i姿态角的准确度，

是在同一位姿重复响应n次所得的姿态角的平均值，β_i,j,γ_i,j,α_i,j是测试点i第j次实到位姿的姿态角；

b.姿态重复性的计算：

对于整个机器人的姿态准确度和姿态重复性评价，应选取上述各测试点姿态准确度和姿态重复性中的最差值。

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