CN113334383A - 一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法，通过线激光测量仪采集末端工具的轨迹过程数据，分析数据获得末端工具的偏置数据，不需要获得机器人末端连接件、电主轴、加工工具等零件的信息，也不需要进行仿真建模，操作简单，不需要进行复杂的运算。此外，本发明提出的方法适用于任何尺寸的末端工具，当末端工具改变时，并不需要重新建模，因此本发明适用性强，可广泛应用于各种机器人的末端工具偏置标定。

Description

一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法

技术领域

本发明属于机器人领域，更具体地，涉及一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法。

背景技术

由于不同的运动需求，会在机器人法兰末端安装不同尺寸的执行工具。在进行机器人逆运动学反解时，需要考虑执行工具末端中心点到机器人法兰末端的偏差，该偏差值会影响机器人的定位精度和加工精度。

标定机器人末端工具偏置主要采用两种方法：1、搭建准确的机器人末端模型，在CAD/CAM软件中测量机器人法兰末端到工具末端中心点的各向距离，再根据机器人末端坐标系，确定工具偏置；2、通过四点标定法，固定测量空间一点，使工具末端中心点以不同姿态到达此点，进而计算出机器人末端工具偏置。然而，上述方法存在如下问题：

1、使用模型确定工具偏置，未考虑零件的加工误差与安装误差，得到的偏置数据与实际数据可能存在较大误差；

2、使用四点标定法确定工具偏置，很难使工具末端中心点在机器人不同姿态下到达测量空间中的固定点，且一般使用四点标定法时，都是操作人员进行肉眼标定，无法保证标定精度。

因此，现有的机器人末端工具偏置标定方法的标定精度较低，导致机器人定位精度低，在生成五轴或六轴刀路时，工具偏置的标定误差会引起工具末端运动误差，使工具末端偏离设计轨迹，无法满足设计需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法，由此解决现有机器人末端工具偏置标定方法的标定精度较低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法，其特征在于，包括：

S1，按照设计轨迹，使末端工具进行连续的直线运动和旋转运动，并通过线激光测量仪采集末端工具运动过程中的直线深度数据和旋转深度数据；

其中，所述末端工具为与加工工具的直径相同的圆棒，且在所述旋转运动的起点和终点进行抬刀；

S2，根据所述直线深度数据确定圆棒的精确直径，并基于所述精确直径得到末端工具运动过程中圆棒圆心在线激光坐标系下的位置坐标(x_i，y_i)，以确定旋转运动的起点和终点处圆棒圆心P_a和P_a'的位置坐标；

S3，基于P_a和P_a'的位置坐标及所述旋转运动的旋转角度，确定旋转中心点处圆棒圆心P_m的位置坐标，将P_m投影至直线运动轨迹上，计算P_m到投影点的距离Δx及投影点至P_a的距离Δy；将末端工具的初始偏置x_io，y_io分别与Δx，Δy叠加，得到末端工具的偏置。

优选地，所述直线深度数据为M行N列矩阵；

各行有N_i个深度数据在圆棒横截面范围内，N_i≤N，所述圆棒的精确直径D为N_i与数据间隔Δl乘积的最大值。

优选地，所述基于所述精确直径得到末端工具运动过程中圆棒圆心在线激光坐标系下的位置坐标(x_i，y_i)，具体为：

其中，D为圆棒的精确直径，l_i＝Δl·N_i，l_i'＝Δl·N_i'，N_i'为靠近线激光坐标系原点一侧、不在圆棒横截面范围内的深度数据个数。

优选地，所述按照设计轨迹使末端工具进行连续的直线运动和旋转运动之前，还包括：

获取末端工具的设计轨迹在线激光坐标系下的离散刀位点并将其变换至机器人基坐标系下；

标定末端工具的初始偏置(x_io，y_io，z_io)，基于机器人基坐标系下的离散刀位点及所述初始偏置生成机器人可识别的末端工具的设计轨迹代码。

优选地，根据工具轴方向矢量由线激光坐标系到机器人基坐标系的变换矩阵对所述离散刀位点进行坐标变换，得到机器人基坐标系下的离散刀位点。

优选地，采用尖点工具三点法标定机器人末端工具的初始偏置(x_io，y_io，z_io)。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定系统，包括：

控制和采集模块，用于按照设计轨迹，使末端工具进行连续的直线运动和旋转运动，并通过线激光测量仪采集末端工具运动过程中的直线深度数据和旋转深度数据；

其中，所述末端工具为与加工工具的直径相同的圆棒，且在所述旋转运动的起点和终点进行抬刀；

圆棒圆心位置坐标确定模块，用于根据所述直线深度数据确定圆棒的精确直径，并基于所述精确直径得到末端工具运动过程中圆棒圆心在线激光坐标系下的位置坐标(x_i，y_i)，以确定旋转运动的起点和终点处圆棒圆心P_a和P_a'的位置坐标；

偏置确定模块，用于基于P_a和P_a'的位置坐标及所述旋转运动的旋转角度，确定旋转中心点处圆棒圆心P_m的位置坐标，将P_m投影至直线运动轨迹上，计算P_m到投影点的距离Δx及投影点至P_a的距离Δy；将末端工具的初始偏置x_io，y_io分别与Δx，Δy叠加，得到末端工具的偏置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的方法通过线激光测量仪采集末端工具的轨迹过程数据，分析数据获得末端工具的偏置数据，不需要获得机器人末端连接件、电主轴、加工工具等零件的信息，也不需要进行仿真建模，操作简单，不需要进行复杂的运算。此外，本发明提出的方法适用于任何尺寸的末端工具，并且当末端工具改变时，并不需要重新建模，因此本发明适用性强，可广泛应用于各种机器人的末端工具偏置标定。

2、本发明提供的方法采用线激光测量仪采集到的末端工具的轨迹过程数据计算末端工具的偏置数据，相对于现有的标定方法，标定精度更高；现有标定方法的精度只能保证在数毫米内，而本发明提出的方法的标定精度可以达到微米级别，具体与使用的线激光测量仪的轮廓数据间隔有关。因此，本发明提高了机器人末端偏置的标定精度，可应用于机器人的精加工领域。

3、本发明提供的末端偏置标定方法的适用范围不仅局限于加工工具，任何可通过连接器连接在机器人末端的工具都可被标定。

附图说明

图1为本发明提供的基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法流程示意图；

图2是本发明提供的线激光测量仪与机器人结构示意图；

图3是本发明提供的圆棒运动轨迹示意图；

图4是本发明提供的线激光测量仪采集的深度数据示意图；

图5是本发明提供的末端工具偏置标定计算示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-机器人本体；2-电主轴；3-圆棒；4-线激光测量仪；5-工装台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法，如图1所示，包括：

S1，按照设计轨迹，使末端工具进行连续的直线运动和旋转运动，并通过线激光测量仪采集末端工具运动过程中的直线深度数据和旋转深度数据。

其中，所述末端工具为与加工工具的直径相同的圆棒，且在所述旋转运动的起点和终点进行抬刀。

具体地，运行末端工具的设计轨迹，通过线激光测量仪采集末端工具的深度数据；其中，所述末端工具为与加工工具的直径相同的圆棒，所述设计轨迹包括连续的直线轨迹和旋转轨迹，在所述旋转轨迹的起点和终点均进行抬刀运动。

进一步地，所述圆棒的长度可以与加工工具相同，也可以不同；当圆棒的长度与加工工具不同时，需要根据加工工具与圆棒的长度差补偿刀路的高度值。

进一步地，在所述步骤S1之前，还包括：

首先，获取末端工具的设计轨迹在线激光坐标系下的离散刀位点并将其变换至机器人基坐标系下；其中，所述设计轨迹包括连续的直线轨迹和旋转轨迹。

具体地，所述末端工具可以为刀具、焊接工具等任意一种加工工具。

设计末端工具路径轨迹，得到设计轨迹在线激光坐标系下的离散位点

所述线激光坐标系的建立方法为：以线激光测量仪工作光线上靠近机器人的最近点为原点，以工作光线及其垂线为坐标轴线，建立坐标轴方向与机器人基坐标系方向一致的线激光坐标系。机器人基坐标系与工装台坐标系平行，由于装配误差可能导致线激光坐标系与工装台坐标系的x轴存在夹角，所述夹角可通过计算获取。

进一步地，根据工具轴方向矢量由线激光坐标系到机器人基坐标系的变换矩阵⁰T_tool,n对所述线激光坐标系下的离散刀位点

进行坐标变换，得到机器人基坐标系下的离散刀位点。

具体地，如图2所示，以六自由度机器人为例，该六自由度机器人包括机器人本体1和电主轴2，圆棒3安装在机器人末端主轴上，线激光测量仪4放置在工装台5上；CL_n包括线激光坐标系下离散位点的坐标与工具轴方向矢量：

CL_n＝[x_n,y_n，z_n，i_n，j_n，k_n] (1)

其中，[x_n,y_n,z_n]为线激光坐标系下离散位点的坐标，[i_n,j_n,k_n]为工具轴方向矢量，N为位点总个数。

用⁰T_tool,n表示工具轴矢量到机器人基坐标系的齐次变换矩阵，其表达式为：

⁰T_tool,n＝⁰T_wb*^wbT_lj*^ljT_tool,n (2)

其中：⁰T_wb表示从工装台坐标系到机器人基坐标系的齐次变换矩阵，

^wbT_lj表示从线激光坐标系到工装台坐标系的齐次变换矩阵，

^ljT_tool,n表示由第n个铣削位点的工具轴方向矢量转换的齐次变换矩阵；

第n个铣削位点CL_n和齐次变换矩阵^ljT_tool,n满足：

其次，标定末端工具的初始偏置(x_io，y_io，z_io)，基于机器人基坐标系下的离散刀位点及所述初始偏置生成机器人可识别的设计轨迹代码；其中，旋转轨迹的起点和终点均进行抬刀运动。

优选地，采用尖点工具三点法标定机器人末端工具的初始偏置(x_io，y_io，z_io)。

具体地，将尖点工具安装在机器人末端的主轴上，并记录尖点工具与所用工具的长度差Δz_j，并规定当尖点工具比工具更长时其值为正，当尖点工具比工具更短时其值为负。运行机器人，使尖点与工装台原点重合，并保持机器人末端姿态为(x，y，z，0，90，0)，使尖点工具与机器人基座标系的Z轴方向重合，在示教器上读取机器人末端的位姿为pos_j(x_j，y_j，z_j，0，90，0)，其满足：

pos_j＝MP(⁰T_wb*T_os) (4)

其中：MP表示从齐次变换矩阵到z-y-z欧拉角位姿的变换。

T_os表示机器人末端尖点偏置的齐次变换矩阵，其满足：

MP(T_os)＝(-x_io,-y_io,z_io-Δz_j,0,90,0) (5)

其中x_io、y_io和z_io分别为机器人末端工具初始x向偏置、y向偏置和z向偏置。

进一步地，根据上述末端工具初始偏置(x_io，y_io，z_io)，生成机器人可识别的工具路径设计轨迹代码，考虑线激光坐标系的固定存在较大误差，如图3所示，该轨迹应具体包括：在线激光坐标系中，位点初始位姿为(0，y₁，z₁，0，0，0)，其中y₁的取值应保证圆棒中心点在线激光正方向，z₁为所用线激光测量仪的基准距离；然后将圆棒运动到(0，y₂，z₁，0，0，0)，其中y₂的取值应保证圆棒中心点在线激光负方向，且能保证圆棒截面在线激光的测量范围内；接着，将圆棒运动到(0，y₂，z₁+z₀，0，0，0)，其中z₀为使圆棒不运动到超过线激光测量仪量程的距离，即抬刀运动，再让圆棒回到(0，y₂，z₁，0，0，0)；最后旋转位点，到(0，y₂，z₁，0，0，α)，然后运动到(0，y₂，z₁+z₀，0，0，α)，即进行抬刀运动。其中，抬刀运动用于确定旋转运动的初始点与结束点。

所述旋转轨迹的旋转角度α可以为大于0°的任意值；优选地，所述旋转轨迹的旋转角度α为90°。

优选地，将末端工具替换为直径和长度相同的圆棒，运行所述设计轨迹代码，通过线激光测量仪采集圆棒的深度数据。

具体地，将机器人末端工具替换为直径与长度相同的圆棒，安装在机器人末端主轴上。运行机器人程序并使用线激光测量仪采集线激光投射到圆棒上的深度信息，即当机器人运行程序启动时，启动线激光采集程序，直至机器人运行完毕，线激光测量仪结束数据采集。

S2，根据所述直线深度数据确定圆棒的精确直径D，并基于精确直径D得到末端工具进行直线运动过程中圆棒圆心在线激光坐标系下的位置坐标(x_i，y_i)，以确定旋转运动的起点和终点处圆棒圆心P_a和P_a'的位置坐标；

进一步地，所述根据所述直线深度数据确定圆棒的精确直径D，具体为：

所述直线深度数据为M行N列矩阵；

各行有N_i个深度数据在圆棒横截面范围内，N_i≤N，所述圆棒的精确直径D为N_i与数据间隔Δl乘积的最大值。

具体地，根据深度数据的深度信息确定抬刀运动情况，以划分直线轨迹深度数据和旋转轨迹深度数据。

对线激光采集到的包含所有位点的深度值的矩阵数据进行换算；其中，当圆棒运行直线轨迹时，其在竖直方向的位移为0，因此，如图4所示，线激光测量仪采集到的圆棒上各点(即N_i个数据)的深度值a应保持不变，并且由于线激光测量仪固定不动，圆棒相对于线激光测量仪在运动，因此线激光测量仪采集到的所有点中，有部分点(即N_i'个数据和N_i”个数据，其中，N_i'个数据靠近线激光坐标系的原点)不在圆棒上，该部分点的深度值b远大于圆棒上各点的深度值a。

进一步地，由于末端工具的设计轨迹包括连续的直线轨迹和旋转轨迹，可以理解的是，直线运动的终点即为旋转运动的起点，并且，所述旋转轨迹的起点和终点均进行抬刀运动，因此，在旋转运动的起点及终点处，激光测量仪采集到的圆棒上的点的深度值c应大于直线轨迹时圆棒上各点的深度值a，且小于不在圆棒上部分点的深度值b，即a<c<b，其中，c的值可根据抬刀运动的距离z₀确定。

因此，可以根据K行N列深度数据的深度值确定抬刀运动情况，从而确定M行N列直线轨迹深度数据，M<K，以及旋转运动的起点处线激光测量仪采集的深度数据所在行M1，和处线激光测量仪采集的深度数据所在行M2。

进一步地，所述根据几何三角关系获取圆棒圆心在线激光坐标系下的位置坐标(x_i，y_i)，具体为：

其中，D为圆棒的精确直径，N_i为M行N列直线轨迹深度数据中在圆棒横截面范围内的数据个数；l_i＝Δl·N_i，l_i'＝Δl·N_i'，N_i'＝N-N_i，N_i'为M行N列直线轨迹深度数据矩阵中，各行深度数据靠近线激光坐标系的原点、且不在圆棒横截面范围内的数据个数。

根据所用线激光测量仪的轮廓数据间隔Δl与轮廓数据数量N_i'和N_i，将矩阵数据转换为测量的长度信息与l_i'和l_i：

根据设计轨迹，得到的最长的l_i即为圆棒的精确直径D，由此可计算出运动过程中圆棒圆心在线激光坐标系下的所有位置数据(x_i,y_i)。

进一步地，根据直线轨迹数据，可计算出线激光坐标系与工装台坐标系的x轴的夹角；根据设计轨迹中的抬刀运动与所得数据的深度信息，获得工具轴旋转起始点P_a与结束点P_a'的数据位置，并得到这两点在线激光坐标系下的圆棒中心点P_a和P_a'位置坐标。

S3，基于P_a和P_a'的位置坐标及所述旋转运动的旋转角度，确定旋转中心点处圆棒圆心P_m的位置坐标，将P_m投影至直线运动轨迹上，计算P_m到投影点的距离Δx及投影点至P_a的距离Δy；将末端工具的初始偏置x_io，y_io分别与Δx，Δy叠加，得到末端工具的偏置。

具体地，根据等腰三角形的几何关系，基于旋转起点与终点处圆棒圆心的P_a和P_a'位置坐标、旋转角度α，确定旋转运动的中心点处圆棒圆心P_m在线激光坐标系下的位置坐标。

如图5所示，P_a表示实际的圆棒圆心点，P_m为标定的圆棒圆心点(即标定的末端工具中心点)，O表示机器人末端中心点，P_a'表示P_a以P_m为圆心、以预设半径旋转90°后实际的圆棒圆心点(即P_a为旋转运动的起点处的圆棒圆心，P_a'为旋转运动的终点处的圆棒圆心)，O'表示旋转后的机器人末端中心，Δx和Δy分别为补偿的x向偏置和y向偏置；由于在生成机器人可识别的设计轨迹代码时，是基于标定的机器人末端工具的初始偏置生成，因此，设计轨迹中的旋转轨迹是围绕着机器人标定的圆棒圆心点P_m旋转；X_eY_e为机器人末端坐标轴系，X_lY_l为线激光坐标轴系，在本例中，Δx、Δy便分别为负值和正值。将P_m投影至直线运动轨迹上，P_m到投影点的距离Δx即为末端工具偏置需进行补偿的x向偏置，投影点至P_a的距离Δy即为末端工具偏置需进行补偿的y向偏置。

将末端工具的初始x向偏置x_io、初始y向偏置y_io分别与Δx、Δy叠加，得到准确的末端工具x向偏置x_o和y向偏置y_o，即：

下面对本发明提供的一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定系统进行描述，下文描述的一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定系统与上文描述的一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法可相互对应参照。

本发明实施例提供一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定系统，包括：

控制和采集模块，用于按照设计轨迹，使末端工具进行连续的直线运动和旋转运动，并通过线激光测量仪采集末端工具运动过程中的直线深度数据和旋转深度数据；

其中，所述末端工具为与加工工具的相同的圆棒，且在所述旋转运动的起点和终点进行抬刀；

圆棒圆心位置坐标确定模块，用于根据所述直线深度数据确定圆棒的精确直径D，并基于精确直径D得到末端工具进行直线运动过程中圆棒圆心在线激光坐标系下的位置坐标(x_i，y_i)，以确定旋转运动的起点和终点处圆棒圆心P_a和P_a'的位置坐标；

偏置确定模块，用于基于P_a和P_a'的位置坐标及所述旋转运动的旋转角度，确定旋转中心点处圆棒圆心P_m的位置坐标，将P_m投影至直线运动轨迹上，计算P_m到投影点的距离Δx及投影点至P_a的距离Δy；将末端工具的初始偏置x_io，y_io分别与Δx，Δy叠加，得到末端工具的偏置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法，其特征在于，包括：

S1，按照设计轨迹，使末端工具进行连续的直线运动和旋转运动，并通过线激光测量仪采集末端工具运动过程中的直线深度数据和旋转深度数据；

其中，所述末端工具为与加工工具的直径相同的圆棒，且在所述旋转运动的起点和终点进行抬刀；

S2，根据所述直线深度数据确定圆棒的精确直径，并基于所述精确直径得到末端工具运动过程中圆棒圆心在线激光坐标系下的位置坐标(x_i，y_i)，以确定旋转运动的起点和终点处圆棒圆心P_a和P_a'的位置坐标；

S3，基于P_a和P_a'的位置坐标及所述旋转运动的旋转角度，确定旋转中心点处圆棒圆心P_m的位置坐标，将P_m投影至直线运动轨迹上，计算P_m到投影点的距离Δx及投影点至P_a的距离Δy；将末端工具的初始偏置x_io，y_io分别与Δx，Δy叠加，得到末端工具的偏置。

2.如权利要求1所述的基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法，其特征在于，所述直线深度数据为M行N列矩阵；

各行有N_i个深度数据在圆棒横截面范围内，N_i≤N，所述圆棒的精确直径D为N_i与数据间隔Δl乘积的最大值。

3.如权利要求2所述的基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法，其特征在于，所述基于所述精确直径得到末端工具运动过程中圆棒圆心在线激光坐标系下的位置坐标(x_i，y_i)，具体为：

其中，D为圆棒的精确直径，l_i＝Δl·N_i，l_i'＝Δl·N_i'，N_i'为靠近线激光坐标系原点一侧、不在圆棒横截面范围内的深度数据个数。

4.如权利要求1所述的基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法，其特征在于，所述按照设计轨迹使末端工具进行连续的直线运动和旋转运动之前，还包括：

获取末端工具的设计轨迹在线激光坐标系下的离散刀位点并将其变换至机器人基坐标系下；

标定末端工具的初始偏置(x_io，y_io，z_io)，基于机器人基坐标系下的离散刀位点及所述初始偏置生成机器人可识别的末端工具的设计轨迹代码。

5.如权利要求4所述的基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法，其特征在于，根据工具轴方向矢量由线激光坐标系到机器人基坐标系的变换矩阵对所述离散刀位点进行坐标变换，得到机器人基坐标系下的离散刀位点。

6.如权利要求4所述的基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定方法，其特征在于，采用尖点工具三点法标定机器人末端工具的初始偏置(x_io，y_io，z_io)。

7.一种基于线激光测量仪的机器人末端工具偏置标定系统，其特征在于，包括：

控制和采集模块，用于按照设计轨迹，使末端工具进行连续的直线运动和旋转运动，并通过线激光测量仪采集末端工具运动过程中的直线深度数据和旋转深度数据；

其中，所述末端工具为与加工工具的直径相同的圆棒，且在所述旋转运动的起点和终点进行抬刀；

圆棒圆心位置坐标确定模块，用于根据所述直线深度数据确定圆棒的精确直径，并基于所述精确直径得到末端工具运动过程中圆棒圆心在线激光坐标系下的位置坐标(x_i，y_i)，以确定旋转运动的起点和终点处圆棒圆心P_a和P_a'的位置坐标；

偏置确定模块，用于基于P_a和P_a'的位置坐标及所述旋转运动的旋转角度，确定旋转中心点处圆棒圆心P_m的位置坐标，将P_m投影至直线运动轨迹上，计算P_m到投影点的距离Δx及投影点至P_a的距离Δy；将末端工具的初始偏置x_io，y_io分别与Δx，Δy叠加，得到末端工具的偏置。

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