CN113146613A - 一种工业机器人d-h参数三维自标定校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置及方法,涉及机器人校准领域,为了解决现有技术存在的问题,该装置包括三维校准器、数据传输线缆、零位快速定位夹具、四球校准台、三维角度调整器和控制电脑;三维校准器由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器组成,每个高精度光栅位移传感器通过数据传输线缆与控制电脑相连;三维校准器安装在被校准工业机器人的末端,对四球校准台上的四个标准球进行测量,通过标准球对机器人的TCP点进行高精度定位;零位快速定位夹具,用于对三维校准器的校准;四球校准台下面安装有三维角度调整器。该装置可在保证校准精度的同时,使整个装置的购置成本大为降低,使用方式快捷简便,可在各使用单位大范围推广。
Description
技术领域
本发明涉及机器人校准领域,特别是涉及一种工业机器人D-H参数三维自 标定校准装置及方法。
背景技术
早期的机器人需要工程师手动将机器人定位在所需位置的。由于机器人重 复性的提升,其位姿精确度得到了很大的提升。近些年来,工业机器人的编程 已经发生了很大的进步。如今,几乎所有的机器人制造商都提供定制的3D仿真 软件,允许工业机器人完全离线编程。离线编程可以极大的提升产线上的工作 效率,同时也可以完成很多复杂的动作。
但是,对于很多对机器人位姿和轨迹要求较高的项目,现有的离线编程方 式还存在很多问题。这个问题产生的原因在于,机器人的离线编程是基于理想 的数学模型,而实际的机器人的位姿和轨迹绝对定位精度相比于重复性是有很 大偏差的。
为了解决上述问题,各机器人制造商会不断努力缩小重复性和绝对定位精 度之间的差距,很多研究机构和大学已经在机器人建模、位姿轨迹测量、参数 辨识和D-H参数校准方面取得了很多研究成果。
机器人D-H参数的校准步骤如下:
第一步,需要建立机器人的运动数学模型,现在已经有很多种方法来建立 相应的模型,但最主要的还是基于D-H参数的方法。
第二步,对机器人的位姿进行测量。现有机器人的测量方法主要有接触和 非接触方式。接触式方式有时受到自身测量空间的束缚,不能完全满足客户的 需求;而非接触方式可以避免空间束缚给测量带来的不便。但接触式测量方式 的成本较低而精度更高,测量方法主要有坐标测量机(CMM)、关节臂坐标机、 伸缩球杆等设备,因此很多设备厂商更倾向于选用接触式测量方式。非接触式 测量方式主要有激光跟踪仪、光学坐标机和视觉测量系统等。
第三步,机器人的参数识别。主要是利用机器人位姿测量设备所采集的数 据并应用相应最小二乘算法进行参数识别。
第四步,对相应的计算参数进行补偿。
但上述成果很难在校准成本和校准精度之间找到很好的平衡,从而限制了 设备的推广应用。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的问题,提出一种工业机器人D-H参数三维 自标定校准装置及方法。
其测头部分安装于机器人末端位置(TCP),采用三个互相正交的高精度位 移传感器,并配套研制一种专用四球标准器校准台,通过针对工业机器人的特 定校准算法,可实现对工业机器人D-H参数的快速高精度在线校准。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置,其特征是,其包括三维校 准器、数据传输线缆、零位快速定位夹具、四球校准台、三维角度调整器和控 制电脑;三维校准器由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器组成,每个高精 度光栅位移传感器通过数据传输线缆与控制电脑相连;三维校准器安装在被校 准工业机器人的末端,对四球校准台上的四个标准球进行测量,通过标准球对 机器人的TCP点进行高精度定位;零位快速定位夹具,用于对三维校准器的校 准;四球校准台下面安装有三维角度调整器。
所述零位快速定位夹具由定位标准球和与其连接的定位销组成,定位销可 与三维校准器的定位孔进行精确匹配,用于将三维校准器中心与其自身的三个 高精度光栅位移传感器的中心进行高精度定位;定位标准球用于将三个高精度 光栅位移传感器对零。
一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置的校准方法,其特征是,包 括以下步骤:
步骤一、将三维校准器、四球校准台、控制电脑和工业机器人调整至初始 工作状态,使整个装置满足工业机器人的校准要求;
步骤二、设置高精度光栅位移传感器测量范围为0~12mm,设置高精度光 栅位移传感器的触发模式为上升沿触发,等待高精度光栅位移传感器数据发生 变化,并将测量值传递至控制电脑,数据经过控制电脑处理后,通过专用总线 将其传递给工业机器人;
步骤三、通过零位快速定位夹具对三维校准器的三个高精度光栅位移传感 器进行精确对零;
步骤四、通过手操器反复调整工业机器人位姿,使三个高精度光栅位移传 感器的数值再次调整至零点,这时记录工业机器人的当前位姿P1,以此类推, 分别解算出P2、P3和P4,从而得到三维校准器的中心坐标值;
步骤五、建立世界坐标系,使工业机器人在同一位姿下分别定位于四球校 准台的四个球心,以四个球的球心坐标拟合的平面作为Z平面,以球一和球二 建立的直线为X轴方向,以球一和球三建立的直线和球二与球四建立的直线交 点为圆心,建立笛卡尔坐标系;
步骤六、准备工作完成后,使用工业机器人对四球校准台进行检测;根据 运动学误差和非运动学误差分析,通过获得的球心坐标和四个标准球之间的距 离,建立方程组,在校准时需测量至少50个点,应用最小二乘法,解算出结构 参数误差;
步骤七、将步骤六中解算出的结构参数误差导入工业机器人D-H模型中, 并对其进行位姿精度检测以验证校准结果是否满意,如果不满意需在此基础上 继续调整D-H参数。
本发明的有益效果:
1、本发明提供的一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置及方法,采 用的三维校准器安装于机器人执行器末端,每只传感器的精度优于5μm,可实 时将采集数据反馈至上位机,并通过零位快速定位夹具对三维校准器进行零位 标定。通过以上措施,可在保证校准精度的同时,使整个装置的购置成本大为 降低,使用方式快捷简便,可在各使用单位大范围推广。
2.本发明采用的四球校准台,通过高精度坐标测量系统对其球心间距和球心 坐标进行高精度赋值,其四个支点的工作高度和距离可进行现场调整,以适应 不同机器人的测量范围,并利用四球中心误差冗余效应,提升了校准台坐标系 建立精度,可使得工业机器人在特定工作范围内保证较高的校准精度和操作的 便利性。
3.本发明所述的四球校准台支撑部分采用三维角度调整器,可在保证机器人 在不同工作姿态下进行校准,避免了现场空间局限性和操作复杂性对设备校准 的限制。
4.本发明研制了适用于该装置的校准算法,可实现对工业机器的位姿测量、 参数识别和数据补偿。
附图说明
图1为本发明一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置结构示意图;
图中:1-包括三维校准器、2-传感器数据传输线缆、3-零位快速定位夹具、 4-四球校准台、5-三维角度调整器、6-控制电脑、7-被校准工业机器人。
图2为本发明一种工业机器人D-H参数三维自标定校准方法流程图。
图3为本发明所述零位快速定位夹具结构示意图。图中:3-1、定位标准球, 3-2、定位销。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示,一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置,其包括三维 校准器1、数据传输线缆2、零位快速定位夹具3、四球校准台4、三维角度调 整器5和控制电脑6。
三维校准器1由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器组成,每个高精度 光栅位移传感器通过数据传输线缆2与控制电脑6相连;
三维校准器1安装在被校准工业机器人7的末端,对四球校准台4上的四 个标准球进行测量。可通过标准球对机器人的TCP点进行高精度定位。
零位快速定位夹具3,用于对三维校准器1的校准。
四球校准台4上设置有四个标准球,四球校准台4采用铝板结构,下面安 装有三维角度调整器5。
高精度光栅位移传感器1-1的精度优于5μm内。
在安装时,通过精确调整保持三个高精度光栅位移传感器相互垂直。每个 高精度光栅位移传感器的数据通过线缆2传递给控制电脑6进行数据计算。
如图3所示,零位快速定位夹具3由定位标准球3-1和与其连接的定位销 3-2组成,定位销3-2可与三维校准器1的定位孔进行精确匹配,用于将三维校 准器1的中心与其自身的三个位移传感器的中心进行高精度定位。定位标准球 3-1用于将三个位移传感器对零。
四球校准台4上设置有4个标准球4-1,球的直径为φ30mm,相邻两个球 检测距离为300mm,每个校准球的直径、圆度和球间距均经过高精度设备测量 并赋值。根据被测机器人的尺寸不同,四球校准台4与标准球直接可设置不同 长度的延长杆4-2。四球校准台4采用铝板结构,下面安装有三维角度调整器5, 可根据机器人的位姿进行相应调试,以便适用于不同位姿的校准。
一种工业机器人D-H参数三维自标定校方法,包括以下步骤:
步骤一、将三维校准器1、四球工作台4、控制电脑6、工业机器人7和调 整至初始工作状态,使整个装置满足工业机器人的校准要求;
步骤二、光栅位移传感器1-1测量范围为(0~12)mm,设置传感器的触 发模式为上升沿触发,等待传感器数据发生变化,并将测量值传递至上位机控 制上,上位机数据经过处理后,通过专用总线,将其传递给机器人;
步骤三、通过零位快速定位夹具对三维校准器的三个位移传感器进行精确 对零,
步骤四、通过手操器,反复调整机器人位姿,使三个位移传感器的数值再 次调整至零点,这时记录机器人的当前位姿P1,以此类推,分别结算处P2、P3 和P4,从而可解算出三维标准器的中心坐标值;
步骤五、建立世界坐标系,使机器人在同一位姿下分别定位于四球校准器 的四个球心,以四个球的球心坐标拟合的平面作为Z平面,以球一和球二建立 的直线为X轴方向,以球一和球3建立的直线和球2与球4建立的直线交点为 圆心,建立笛卡尔坐标系;
步骤六、准备工作完成后,使用机器人对四球校准台进行检测。
(1)采用一种6轴工业机器人,其有6个角度转动关节,结构参数采用了 D-H模型。该模型共计9个坐标系,世界坐标系{w},工具坐标系{t},基座坐 标系{0}和机器人关节坐标系{1~6}。世界坐标系定义在四球校准台的球1上, x轴指向球2,工具坐标系{t}的x轴,y轴和z轴与世界坐标系对齐。
机器人关节变量如公式(1)所示:
q=[θ1,θ2,…θ6,] (1)
世界坐标系{w}到工具坐标系{t}的转换矩阵为:
根据D-H模型的结构参数,坐标转换矩阵的表达式为:
α,a,θ,d是机器人的D-H参数,sθ代表sinθ,cθ代表cosθ。
机器人的末端位姿可表示为:
P=f(α,a,θ,d) (6)
由机器人运动误差得:
根据公式(7),可以得到在空间内任意一点Pi的方程为:
根据运动学误差和非运动学误差分析,在校准时需测量至少50个点,应用 最小二乘法法结算:
AΔ=P (9)
其中:
A为雅克比行列式的系数矩阵,其各参数都是角度的函数;
Δ为要求得的Δα,Δa,Δθ,Δd;
P为各点误差值。
通过获得的球心坐标和四个标准球之间的距离,建立方程组,解算出Δα, Δa,Δθ,Δd。
(2)整个系统运行过程如下:
1)通过移动机器人的位姿,使位移传感器的测头与标准球接触,设置标称 为qd;
2)从上位机软件向位移传感器发送数据请求;
3)将3个位移传感器的数据发回给上位机软件,命名为rx,ry,rz;
3)将rx,ry,rz位置坐标传送到机器人控制器中;
4)将工具坐标系替换为r=[rx,ry,rz];
5)设位置偏移最小值为γ,重复上述步骤2)至4)直到|r|<γ;
6)当满足步骤5的γ时,在软件中存储当前机器人的位置坐标qa;
7)重复步骤1)至6),直到所有的测量点均测量完成为止。
注:预设参数γ一般大于机器人的重复性,否则将很难达到检测要求。
步骤七、将识别完成的参数导入工业机器人D-H模型中,并对其进行位姿 精度检测以验证校准结果是否满意,如果不满意需在此基础上继续调整D-H参 数。
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的 一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置,其特征是,其包括三维校准器(1)、数据传输线缆(2)、零位快速定位夹具(3)、四球校准台(4)、三维角度调整器(5)和控制电脑(6);
三维校准器(1)由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器(1-1)组成,每个高精度光栅位移传感器通过数据传输线缆(2)与控制电脑(6)相连;
三维校准器(1)安装在被校准工业机器人(7)的末端,对四球校准台(4)上的四个标准球进行测量,通过标准球对机器人的TCP点进行高精度定位;
零位快速定位夹具(3),用于对三维校准器(1)的校准;
四球校准台(4)下面安装有三维角度调整器(5)。
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置,其特征在于,所述高精度光栅位移传感器(1-1)的精度小于5μm。
3.根据权利要求1所述的一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置,其特征在于,所述零位快速定位夹具(3)由定位标准球(3-1)和与其连接的定位销(3-2)组成,定位销(3-2)可与三维校准器(1)的定位孔进行精确匹配,用于将三维校准器(1)的中心与其自身的三个高精度光栅位移传感器(1-1)的中心进行高精度定位;定位标准球(3-1)用于将三个高精度光栅位移传感器(1-1)对零。
4.基于权利要求1所述的一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置的校准方法,其特征是,包括以下步骤:
步骤一、将三维校准器(1)、四球校准台(4)、控制电脑(6)和工业机器人(7)调整至初始工作状态,使整个装置满足工业机器人的校准要求;
步骤二、设置高精度光栅位移传感器(1-1)测量范围为0~12mm,设置高精度光栅位移传感器(1-1)的触发模式为上升沿触发,等待高精度光栅位移传感器(1-1)数据发生变化,并将测量值传递至控制电脑(6),数据经过控制电脑(6)处理后,通过专用总线将其传递给工业机器人(7);
步骤三、通过零位快速定位夹具(3)对三维校准器(1)的三个高精度光栅位移传感器(1-1)进行精确对零,
步骤四、通过手操器反复调整工业机器人(7)位姿,使三个高精度光栅位移传感器(1-1)的数值再次调整至零点,这时记录工业机器人(7)的当前位姿P1,以此类推,分别解算出P2、P3和P4,从而得到三维校准器(1)的中心坐标值;
步骤五、建立世界坐标系,使工业机器人(7)在同一位姿下分别定位于四球校准台(4)的四个球心,以四个球的球心坐标拟合的平面作为Z平面,以球一和球二建立的直线为X轴方向,以球一和球三建立的直线和球二与球四建立的直线交点为圆心,建立笛卡尔坐标系;
步骤六、准备工作完成后,使用工业机器人(7)对四球校准台进行检测;根据运动学误差和非运动学误差分析,通过获得的球心坐标和四个标准球之间的距离,建立方程组,在校准时需测量至少50个点,应用最小二乘法,解算出结构参数误差;
步骤七、将步骤六中解算出的结构参数误差导入工业机器人D-H模型中,并对其进行位姿精度检测以验证校准结果是否满意,如果不满意需在此基础上继续调整D-H参数。
5.根据权利要求4所述的一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置的校准方法,其特征在于,所述步骤六的具体过程如下:
1)采用一种六轴工业机器人,其有六个角度转动关节,结构参数采用了D-H模型,该模型共计九个坐标系,世界坐标系{w},工具坐标系{t},基座坐标系{0}和机器人关节坐标系{1~6};世界坐标系定义在四球校准台的球上,x轴指向球二,工具坐标系{t}的x轴,y轴和z轴与世界坐标系对齐;
机器人关节变量如公式(1)所示:
q=[θ1,θ2,…θ6,] (1)
世界坐标系{w}到工具坐标系{t}的转换矩阵为:
根据D-H模型的结构参数,坐标转换矩阵的表达式为:
α,a,θ,d是机器人的D-H参数,sθ代表sinθ,cθ代表cosθ;
工业机器人的末端位姿可表示为:
P=f(α,a,θ,d) (6)
由机器人运动误差得:
根据公式(7),可以得到在空间内任意一点Pi的方程为:
2)根据运动学误差和非运动学误差分析,在校准时需测量至少50个点,应用最小二乘法法结算:
AΔ=P (9)
其中:
A为雅克比行列式的系数矩阵,其各参数都是角度的函数;
Δ为要求得的Δα,Δa,Δθ,Δd;
P为各点误差值;
通过获得的球心坐标和四个标准球之间的距离,建立方程组,解算出Δα,Δa,Δθ,Δd;
3)整个系统运行过程如下:
a)通过移动机器人的位姿,使位移传感器的测头与标准球接触,设置标称为qd;
b)从上位机软件向位移传感器发送数据请求;
c)将3个位移传感器的数据发回给上位机软件,命名为rx,ry,rz;
d)将rx,ry,rz位置坐标传送到机器人控制器中;
e)将工具坐标系替换为r=[rx,ry,rz];
f)设位置偏移最小值为γ,重复上述步骤b)至d)直到|r|<γ;参数γ大于机器人的重复性;
g)当满足步骤f的γ时,在软件中存储当前机器人的位置坐标qa;
h)重复步骤a)至f),直到所有的测量点均测量完成为止。
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