CN113103234A - 一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统 - Google Patents

一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统，包含固定支架、拉线传感器固定支架、磁吸装置，拉线传感器安装在拉线传感器固定支架上，与固定板成45度角。磁吸装置包含半球形磁铁装置，四个锥形吸附装置、推力轴承、旋转轴承以及转接基座。半球形磁铁装置能够根据拉线传感器的预紧力而调整自身姿态。拉线传感器的线端固定在锥形吸附装置的顶侧孔内，锥形吸附装置的底侧吸附面与半球形磁铁装置的球面相同，保证两个表面之间的完全贴合，有效降低连接处造成的测量误差。本发明能够实现工业机器人的高精度位置数据测量，系统成本较低，提出的磁吸附连接机构简单易用，能够保证测量精度。

Description

一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统
技术领域
本发明属于工业机器人测试技术领域，具体涉及一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统。
技术背景
随着工业机器人技术的快速发展，越来越多的工业机器人被应用于高端制造领域，譬如激光焊接、激光切割以及航空航天等领域。而工业机器人绝对定位精度仍无法较好地满足高端制造的精度需求。
机器人标定技术能够有效地提升工业机器人的绝对定位精度，机器人标定过程主要分为建模、测量、辨识和补偿。其中测量是指利用测量设备实现工业机器人末端位置、姿态的误差测量。目前常用的测量设备主要有激光跟踪仪、多目视觉测量系统、经纬仪等。此类测量设备均具有较高的测量精度和测量范围，但测量设备的价格较高，譬如激光跟踪仪的价格在百万元以上，而多目视觉测量系统的价格也在数十万元以上。专利CN201710704692.1中提出利用单个拉线传感器结合滑轮结构实现工业机器人的末端位置测量，但由于测量信息的非完整性，系统所获得的末端位置数据依赖于优化算法。专利CN201610017524.0中提出利用单个拉线传感器融合两个角度传感器实现工业机器人的位置测量，该系统将拉线传感器固定在工业机器人末端，编码器的测量精度严重影响末端位置数据的计算精度；专利CN201610913686.2中提出利用六个拉线传感器构成工业机器人末端位置测量系统，拉线传感器的末端通过螺栓固定在机器人末端平台上，但拉线传感器的末端固定是通过螺丝固定，对测量精度的影响较大。因此，亟待发明设计一种新型、廉价的工业机器人末端位置测量系统，能够实现高精度的机器人末端位置测量。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统，该装置能够实现工业机器人末端位置的高精度测量。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统，包含固定支架、拉线传感器固定支架、工业机器人、磁吸装置，其中固定支架是由铝型材加工组装而成的立方体框架结构，固定支架安装在地面上或水平台上，所述工业机器人安装放置在固定支架内部，在测量过程中固定支架不能移动。所述拉线传感器固定支架包含四个拉线传感器、四个传感器固定座以及固定板。固定板为方环结构，固定板通过螺丝安装在固定支架上。四个传感器固定座分别通过螺丝安装在固定板的四个角下方，所述拉线传感器固定在传感器固定座上，拉线传感器与固定板成45°角。磁吸装置包含半球形磁铁装置，四个锥形吸附装置、推力轴承、旋转轴承以及转接基座。所述半球形磁铁装置底侧有一圆柱凸台，分别将推力轴承和旋转轴承套接在该圆柱凸台上，并安装在转接基座的中心孔内，有效降低半球形磁铁装置与转接基座间的摩擦力，半球形磁铁装置能够根据四个拉线传感器的预紧力而调整自身姿态。转接基座通过螺丝固定安装在工业机器人的末端。拉线传感器的线端固定在锥形吸附装置的顶侧孔内，锥形吸附装置的底侧吸附面为球面结构，与半球形磁铁装置的球面相同，能够保证两个表面之间的完全贴合，有效降低连接处造成的测量误差。同时半球形磁铁装置表面光滑，锥形吸附装置能够在其表面滑动，保持四个拉线传感器的线始终汇聚在半球形磁铁装置的球心位置。
拉线传感器提供RS-485通信接口，PC机通过RS-485通讯接口读取每个拉线传感器的数据，并根据数据计算工业机器人的末端位置，具体的步骤如下：
步骤一：将四个拉线传感器的安装位置分别记为(xi,yi,zi)，其中i＝1，2，3，4。其中每个拉线传感器的输出记为Lij，其中j为第j个测量的目标位置序号，为降低测量误差，首先将锥形吸附装置从半球形磁铁装置上取下，使得每个拉线传感器处于初始状态，此时数据分别记为Li0，拉线传感器的实际输出数据为Lij-Li0；
步骤二：将四个锥形吸附装置放置在半球形磁铁装置上，并控制工业机器人分别运动到50个位置，记为Pj＝(xRj,yRj,zRj)，第j个点对应的四个拉线传感器的值记为L1j、L2j、L3j、L4j，满足以下方程，
Figure BDA0003021606960000021
由于加工误差和组装误差的存在，拉线传感器的安装位置(xi,yi,zi)无法获得准确值，为计算得到高精度的位置测量，
拉线传感器的安装位置包含12个未知参数，每增加一个目标点，增加3个坐标未知参数，但可以建立4个约束方程，因此，以n为所需测量点数，则12+3n<4n，因此，n至少需要12个点。本专利基于已获得的50个点数据完成拉线传感器的安装位置校准。具体步骤如下:
S1.根据方程构建优化目标函数J；
Figure BDA0003021606960000022
S2.以拉线传感器的名义安装位置(xin,yin,zin)代入优化算法，利用LM算法或遗传算法等智能优化算法计算得到使得J最小的目标点坐标值(xRj,yRj,zRj)；
S3.将以上目标点的坐标值作为已知量代入优化算法，计算拉线传感器的安装位置(xi,yi,zi)；
S4.反复执行S2，S3，直至拉线传感器的安装位置的前一次数值与本次数值的差值小于0.0001mm。
步骤三：控制工业机器人运动到任一位置，记为P＝(xR,yR,zR)，并以步骤二计算得到的拉线传感器坐标值构建方程如下:
Figure BDA0003021606960000031
根据方程构建优化目标函数J1；
Figure BDA0003021606960000032
利用LM算法或遗传算法等智能优化算法计算得到使得J最小的目标点坐标值(xR,yR,zR)。
本发明的有益效果是：
一、能够实现工业机器人的高精度位置数据测量，系统成本较低；二、该装置的连接机构简单易用，能够保证测量精度。
附图说明
图1是本发明的基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统结构图；
图2是本发明的拉线传感器固定架的示意图；
图3是本发明的磁吸装置安装在工业机器人上的示意图；
图4是本发明的半球形磁铁装置结构图；
图5是本发明的磁吸装置的下视图；
图6是本发明的磁吸装置的同心示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
参见图1所示，本发明所述的一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统主要包含固定支架101、拉线传感器固定支架102、工业机器人103、磁吸装置104四部分组成。其中工业机器人103可以为并联型工业机器人，也可以为串联型工业机器人，固定支架101是由铝型材加工组装而成的立方体结构，固定支架101安装在地面上或水平台上，将工业机器人103安装放置在其内部，在测量过程中固定支架不能移动。
参见图2所示，拉线传感器固定支架102主要包含四个拉线传感器202、203、204、205、四个传感器固定座206、207、208、209以及固定板201。固定板201为四边形中空结构，通过螺丝安装在固定支架101上。传感器固定座206、207、208、209分别通过螺丝安装在固定板201的四个角上，而拉线传感器202、203、204、205依次固定在传感器固定座206、207、208、209上，拉线传感器202、203、204、205与固定板201成45°角。
参见图3、图4、图5、图6所示，磁吸装置104固定安装在工业机器人103上，磁吸装置104主要包含半球形磁铁装置302，四个锥形吸附装置303、304、305、306、推力轴承307、旋转轴承308以及转接基座301。半球形磁铁装置302底侧有一圆柱凸台，分别将推力轴承307和旋转轴承308套接在该圆柱凸台上，并安装在转接基座301的中心孔内，有效降低半球形磁铁装置302与转接基座301间的摩擦力，半球形磁铁装置302能够根据四个拉线传感器202、203、204、205的预紧力而调整自身姿态。转接基座301通过螺丝固定安装在工业机器人103的末端。拉线传感器202、203、204、205的线4端固定分别依次在锥形吸附装置303、304、305、306的顶侧孔内，锥形吸附装置303、304、305、306的底侧吸附面为球面结构，与半球形磁铁装置302的球面相同，能够保证两个表面之间的完全贴合，有效降低连接处造成的测量误差。同时半球形磁铁装置302的表面光滑，锥形吸附装置303、304、305、306能够在其表面滑动，因锥形吸附装置303、304、305、306的强磁吸附，不会脱离半球形磁铁装置302的表面，保持四个拉线传感器202、203、204、205的线4始终汇聚在半球形磁铁装置302的球心位置。
拉线传感器202、203、204、205提供RS-485通信接口，PC机通过RS-485通讯接口读取拉线传感器202、203、204、205的数据，并根据数据计算工业机器人103的末端位置，具体的步骤如下：
步骤一：将四个拉线传感器202、203、204、205的安装位置分别记为(xi,yi,zi)，其中i＝1，2，3，4。其中拉线传感器202、203、204、205的输出记为Lij，其中j为第j个测量的目标位置序号。
为降低测量误差，首先将锥形吸附装置303、304、305、306从半球形磁铁装置302上取下，使得拉线传感器202、203、204、205处于初始状态，此时数据分别记为Li0，因此，拉线传感器202、203、204、205的实际输出数据为Lij-Li0；
步骤二：将四个锥形吸附装置303、304、305、306放置在半球形磁铁装置302上，并控制工业机器人103分别运动到50个位置，记为Pj＝(xRj,yRj,zRj)，第j个点对应的四个拉线传感器202、203、204、205的值记为L1j、L2j、L3j、L4j，满足以下方程，
Figure BDA0003021606960000051
由于加工误差和组装误差的存在，拉线传感器202、203、204、205的安装位置(xi,yi,zi)无法获得准确值，需通过自标定过程计算得到高精度的位置测量。拉线传感器202、203、204、205的安装位置包含12个未知参数，每增加一个目标点，增加3个坐标未知参数，但可以建立4个约束方程，因此，以n为所需测量点数，则12+3n<4n，因此，n至少需要12个点。本专利基于已获得的50个点数据完成拉线传感器202、203、204、205的安装位置校准。具体步骤如下：
S1.根据方程构建优化目标函数J；
Figure BDA0003021606960000052
S2.以拉线传感器202、203、204、205的名义安装位置(xin,yin,zin)代入优化算法，利用LM算法或遗传算法等智能优化算法计算得到使得J最小的目标点坐标值(xRj,yRj,zRj)；
S3.将以上目标点的坐标值作为已知量代入优化算法，计算拉线传感器202、203、204、205的安装位置(xi,yi,zi)；
S4.反复执行S2，S3，直至拉线传感器202、203、204、205的安装位置的前一次数值与本次数值的差值小于0.0001mm。
步骤三：控制工业机器人103运动到任一位置，记为P＝(xR,yR,zR)，并以步骤二计算得到的拉线传感器202、203、204、205坐标值构建方程如下：
Figure BDA0003021606960000053
根据方程构建优化目标函数J1；
Figure BDA0003021606960000054
利用LM算法或遗传算法等智能优化算法计算得到使得J最小的目标点坐标值(xR,yR,zR)；
本发明所述的一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统，能够实现工业机器人的高精度位置数据测量，系统成本较低；而且装置的连接机构简单易用，能够保证测量精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统，其特征在于：包含固定支架(101)、拉线传感器固定支架(102)、工业机器人(103)、磁吸装置(104)，其中固定支架(101)是由型材加工组装而成的立方体框架结构，固定支架(101)安装在地面上或水平台上，所述工业机器人(103)安装放置在固定支架(101)内部，所述拉线传感器固定支架(102)包含四个拉线传感器(202)、(203)、(204)、(205)、四个传感器固定座(206)、(207)、(208)、(209)以及固定板(201)；固定板(201)为方环结构，固定板(201)通过螺丝安装在固定支架(101)上；四个拉线传感器(202)、(203)、(204)、(205)固定座分别通过螺丝安装在固定板(201)的四个角下方，所述拉线传感器(202)、(203)、(204)、(205)固定在传感器固定座(206)、(207)、(208)、(209)上，拉线传感器(202)、(203)、(204)、(205)与固定板(201)成45°角；磁吸装置包含半球形磁铁装置(302)、四个锥形吸附装置(303)、(304)、(305)、(306)、推力轴承(307)、旋转轴承(308)以及转接基座(301)；所述半球形磁铁装置(302)底侧有一圆柱凸台，分别将推力轴承(307)和旋转轴承(308)套接在该圆柱凸台上，并安装在转接基座(301)的中心孔内，转接基座(301)通过螺丝固定安装在工业机器人(103)的末端；拉线传感器的线(4)端固定在锥形吸附装置(303)、(304)、(305)、(306)的顶侧孔内，锥形吸附装置(303)、(304)、(305)、(306)的底侧吸附面为球面结构，与半球形磁铁装置(302)的球面相同。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统，其特征在于：固定支架(101)是由铝型材加工而成的。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统，其特征在于：所述工业机器人(103)为并联型工业机器人或者串联型工业机器人。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁吸附的多拉线传感器位置测量系统的测量方法，其特征在于：拉线传感器提供RS-485通信接口，PC机通过RS-485通讯接口读取每个拉线传感器的数据，并根据数据计算工业机器人的末端位置，具体的步骤如下：
步骤一：将四个拉线传感器(202)、(203)、(204)、(205)的安装位置分别记为(xi,yi,zi)，其中i＝1，2，3，4；其中每个拉线传感器的输出记为Lij，其中j为第j个测量的目标位置序号，为降低测量误差，首先将锥形吸附装置从半球形磁铁装置上取下，使得每个拉线传感器处于初始状态，此时数据分别记为Li0，拉线传感器的实际输出数据为Lij-Li0；
步骤二：将四个锥形吸附装置(303)、(304)、(305)、(306)放置在半球形磁铁装置(302)上，并控制工业机器人分别运动到50个位置，记为Pj＝(xRj,yRj,zRj)，第j个点对应的四个拉线传感器的值记为L1j、L2j、L3j、L4j，满足以下方程，
Figure FDA0003021606950000021
由于加工误差和组装误差的存在，拉线传感器的安装位置(xi,yi,zi)无法获得准确值，为计算得到高精度的位置测量，采用如下方法：
拉线传感器的安装位置包含12个未知参数，每增加一个目标点，增加3个坐标未知参数，但能够建立4个约束方程，因此，以n为所需测量点数，则12+3n<4n，因此，n至少需要12个点；基于已获得的50个点数据完成拉线传感器的安装位置校准；具体步骤如下：
S1.根据方程构建优化目标函数J；
Figure FDA0003021606950000022
S2.以拉线传感器的名义安装位置(xin,yin,zin)代入优化算法，利用LM算法或遗传算法计算得到使得J最小的目标点坐标值(xRj,yRj,zRj)；
S3.将以上目标点的坐标值作为已知量代入优化算法，计算拉线传感器的安装位置(xi,yi,zi)；
S4.反复执行S2，S3，直至拉线传感器的安装位置的前一次数值与本次数值的差值小于0.0001mm；
步骤三：控制工业机器人运动到任一位置，记为P＝(xR,yR,zR)，并以步骤二计算得到的拉线传感器坐标值构建方程如下:
Figure FDA0003021606950000023
根据方程构建优化目标函数J1；
Figure FDA0003021606950000024
利用LM算法或遗传算法计算得到使得J最小的目标点坐标值(xR,yR,zR)。
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