CN113733102A - 一种用于工业机器人的误差标定装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于工业机器人的误差标定装置，包括标定组件，设置于工业机器人上，包括基座和三个光学测头，基座与工业机器人连接，三个光学测头倾斜设置于基座上且其测量轴线相交于空间内的一点；回转装置，包括位于回转中心的且不随回装装置旋转的固定球以及通过悬臂结构承载的多个可围绕回转中心旋转的活动球；回转装置固定于工作台上，工业机器人通过与标定组件连接对回转装置上的固定球和活动球进行误差标定。还公开了一种利用上述装置进行误差标定的方法，利用上述标定装置和标定方法可以实现对工业机器人的精准误差标定。

Description

一种用于工业机器人的误差标定装置和方法

技术领域

本发明属于工业机器人的测量装置的技术领域，具体涉及一种用于工业机器人的误差标定装置和方法。

背景技术

目前五轴机床的相关测量和需求方式中一般采用R-test装置和球杆仪的测量方式进行机床误差测定。R-test装置，其原理为三维测量头与标准球配合，分析出二者相对位置关系，进而确定机床旋转轴的误差。三维测量头由三个高精度位移传感器组成，可精确确定标准球球心的实际位置，测量时一方固定在机床主轴上，另一方固定在工作台上(根据实际情况，可互换)。通过计算，即可用测量出的标准球球心位置，与安装时计算出的球心位置进行比较，来确定机床主轴的位置和误差。球杆仪，主体为一根带有伸缩结构的位移计，两端各固定有一个标准球。测量时两端与磁力座吸附连接，而两个磁力座分别安装在机床的主轴与工作台上(或者安装在车床的主轴与刀塔上)。通过测量两轴插补运动形成的圆形轨迹，并将这一轨迹与标准圆形轨迹进行比较，从而评价机床产生误差的种类和幅值。

当前工业机器人相关领域中不存在专用的误差标定装置，而直接使用五轴机床的相关装置会有如下不足：不方便测量空间误差，特别是高度方向上的变化较难涉及；流程具有局限性，如球杆仪必须以一定的轨迹和速度连续测量，且一定是走平面内的圆，期间如果出现高度方向的跳动反而会影响测量结果；R-test装置只能在布置有标准球的位置进行单点测量(常用于测量单一旋转轴误差)，如果需要多个测量位置就需要布置多个球，或是在测量过程中变换球的位置，较为繁琐(将标准球和测头位置互换也相同)。

发明内容

为了解决现有技术中直接实用五轴机床的相关装置存在的不方便测量空间误差、流程具有局限性的问题，本申请提供一种用于工业机器人的误差标定装置和方法，以弥补球杆仪和R-test装置的不足。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于工业机器人的误差标定装置，包括：

标定组件，设置于工业机器人上，包括基座和三个光学测头，基座与工业机器人连接，三个光学测头倾斜设置于基座上且其测量轴线相交于空间内的一点；

回转装置，包括位于回转中心且不随回装装置旋转的固定球以及通过悬臂结构承载的多个可围绕回转中心旋转的活动球；

回转装置固定于工作台上，工业机器人通过与标定组件连接对回转装置上的固定球和活动球进行误差标定。

优选的，基座上设置有三个锥面，三个光学测头通过固定座分别固定于基座上的三个锥面上。利用锥面固定座的方式便于光学测头的安装。

进一步优选的，光学测头为激光位移计。采用激光位移计能够更加精准的进行测量。

优选的，多个活动球具有不同的回转半径。凭借该设置能够获取不同位置下的工业机器人的误差。

进一步优选的，多个活动球与固定球位于相同或不同的水平面，多个活动球之间具有相同或不同的水平面。凭借该设置能够获取在不同空间位置下的工业机器人的误差。

根据本发明的第二方面，提出了一种采用上述标定装置的用于工业机器人的误差标定方法，包括：

S1、确定回转装置上固定球和活动球的空间位置信息以及活动球的回转半径；

S2、对三个光学测头进行姿态校准，以使得三个光学测头的和中心构成的平面保持水平；

S3、操控工业机器人将三个光学测头对准回转装置的固定球，对三个光学测头进行调零；

S4、工业机器人跟随活动球的回转轨迹的点位分别对多个活动球的多个点位进行测量计算，基于活动球的实际轨迹、工业机器人的实际轨迹和工业机器人的理论轨迹计算获得多个点位下的误差值。

优选的，步骤S4中的点位的测量计算具体为通过以下方程式求得活动球在点位P下的坐标P(x_P,y_P,z_P)：

其中，L_A、L_B、L_C由光学测头测量获得，A₀、B₀、C₀分别为三个光学测头镜头的几何中心，A₀、B₀、C₀的坐标

活动球半径r和方向夹角α_A、α_B、α_C、β_A、β_B、β_C均由步骤S3中对固定球调零后获得，α_A、α_B、α_C表示光学测头的轴线与Z轴正方向的夹角，β_A、β_B、β_C表示光学测头的轴线与X轴正方向的夹角。

优选的，步骤S4中的误差值

其中，P₀、P₁、P₂分别为工业机器人处于同一位置时活动球轨迹、工业机器人实际轨迹和理论轨迹上的对应点，O₀为固定球的球心，O₂为工业机器人坐标原点。

优选的，工业机器人跟随活动球的回转轨迹获取在不同活动球的不同回转轨迹的不同点位上的误差值。

进一步优选的，根据不同点位上的误差值获取工业机器人的平均误差值。通过该步骤可以获取工业机器人的最终平均误差。

本发明的一种用于工业机器人的误差标定装置和方法利用工业机器人上设置的基座和光学测头对回转装置上的固定球和活动球进行测量，通过计算可获取在不同回转轨迹位置上的点位的误差情况，弥补了球杆仪和R-test装置只能布置在有标准球的位置进行单点测量，不便于测量空间误差，可以涵盖高度方向上的变化、测量流程可以是整圆轨迹或单点测量，结构简单，具有一定的自动化程度。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是根据本发明的用于工业机器人的误差标定装置的结构示意图；

图2是根据本发明的一个具体实施例的标定组件的结构示意图；

图3是根据本发明的一个具体实施例的回转装置的结构示意图；

图4是本发明的一个实施例的用于工业机器人误差的标定方法的流程图；

图5a-b是根据本发明的一个具体的实施例的光学测头的坐标示意图；

图6是根据本发明的一个具体的实施例的机器人末端位置误差测量原理图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。

图1示出了本发明的用于工业机器人的误差标定装置的结构示意图，如图1所示，该标定装置包括标定组件1和回转装置2，其中，标定组件1与工业机器人的末端固定连接，跟随工业机器人运动，回转装置2固定设置于工作台上。标定组件1随工业机器人运动对回转装置2上的标定球进行测量获取在不同轨迹上的误差情况。

图2示出了根据本发明的一个具体实施例的标定组件的结构示意图，如图2所示，该标定组件1包括基座10、固定架11和光学测头12，三个光学测头12通过三个固定架11固定设置于基座10上，基座10上设置有三个锥面，光学测头12固定于该锥面上并使得三个光学测头倾斜设置且三个光学测头的测量轴线相交于空间内的一点。

在优选的实施例中，光学测头12为激光位移计，激光位移计是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光位移计能够精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化。

图3示出了根据本发明的一个具体实施例的回转装置的结构示意图，如图3所示，该回转装置2包括旋转座20、固定球21、悬臂22、球座23和活动球24，其中，旋转座20可旋转地固定于工作台上，在旋转座20的中部设置有一固定球21，该固定球21位于旋转座20的旋转中心的球座23内，不跟随旋转座20的旋转，旋转座20的上方延伸出多个悬臂22，每个悬臂22的末端对应设置有球座23，活动球24置于球座23内。优选的，多个悬臂22可以具有不同的回转半径，并且可以通过支架使得多个活动球24位于不同的水平面上，以用于测量不同平面的误差情况。

在具体的实施例中，回转装置2为自动回转机构，其固定于工作台上，包括无刷伺服电机、悬臂22、一个固定陶瓷球和多个活动陶瓷球。固定陶瓷球固定在自动回转装置的回转轴线(圆心)上，不随电机旋转而运动；活动陶瓷球均固定在悬臂末端，不同的陶瓷球可以固定在不同的高度和半径，悬臂22与电机连接，使活动陶瓷球随着无刷伺服电机旋转作平面内圆周运动。

在具体的实施例中，自动回转装置的悬臂具有不同长度和高度，且有多个固定孔位，可以同时连接多个陶瓷球，使其各自以不同的半径回转。且自动回转装置的动作可以通过上位机程序控制，自行与待测量的工业机器人配合运动。

图4示出了根据本发明的用于工业机器人的误差标定装置的标定方法流程图，如图4所示，该标定方法包括以下步骤：

S201：确定回转装置上固定球和活动球的空间位置信息以及活动球的回转半径。在上述装置开始安装前，对自动回转装置上的各个陶瓷球空间位置进行标定，事先确定各个陶瓷求的回转半径和高度，标定后不可更改，以标定数据为准。将三点光学测头固定在工业机器人的末端，自动回转装置固定于光学平台上。

S202：对三个光学测头进行姿态校准，以使得三个光学测头的和中心构成的平面保持水平。

S203：操控工业机器人将三个光学测头对准回转装置的固定球，对三个光学测头进行调零。

S204：工业机器人跟随活动球的回转轨迹的点位分别对多个活动球的多个点位进行测量计算，基于活动球的实际轨迹、工业机器人的实际轨迹和工业机器人的理论轨迹计算获得多个点位下的误差值。启动所述计算机控制程序自动测量，机器人带着三点光学测头跟随活动球走过指定圆弧路径，途中自动记录需要的数据，流程结束后生成需要的点数据文件和误差辨识结果。下面结合图5和图6对该误差标定的原理和计算过程进行详细说明：

图5a-b示出了根据本发明的一个具体的实施例的光学测头的坐标示意图，图5a为正视图，图5b为俯视图，其中，O为坐标系原点，A₀、B₀、C₀为三个位移计镜头的几何中心，P为陶瓷球球心，A₁、B₁、C₁为位移计激光照射在陶瓷球上的位置，β_A、α_B、α_C表示位移计轴线与Z轴正方向的夹角，β_A、β_B、β_C表示位移计轴线与X轴正方向的夹角。则存在以下关系式：

即：

其中A₁、B₁、C₁的空间位置坐标(x,y,z)分别为：

将关系式写成方程组形式：

其中，P(x_P,y_P,z_P)为未知量，L_A、L_B、L_C由位移计测量结果得到，A₁、B₁、C₁的坐标(x,y,z)、陶瓷球半径r和方向夹角α_A、α_B、α_C、β_A、β_B、β_C均由标定获得。利用上述方程组即可得到P点坐标P(x_P,y_P,z_P)。

在具体的实施例中，图6示出了根据本发明的一个具体的实施例的机器人末端位置误差测量原理图，如图6所示，L₂为机器人末端理论轨迹线，即理论末端位置数据，由机器人控制器的闭环控制所确定，O₂为轨迹中心(视为坐标系原点)；L₀为移动球实际轨迹线，即表示自动回转装置的相关位置数据，可经由标定获得，即

O₀为轨迹中心，即自动回转装置的固定球球心，在测量开始前人为放置在坐标系原点，但实际数据则由三点光学测头在固定球位置上测得，P₀为当前活动球球心所在位置；L₁为机器人末端实际轨迹线，即表示末端实际位置数据，O₁为轨迹中心(认为与理论轨迹的中心O₂重合)。P₀、P₁、P₂分别为机器人处于同一位置时轨迹线L₀、L₁、L₂上的对应点。则待求的误差即为轨迹上各个对应点之间的矢量

从图6中可以看出有如下矢量关系：

在具体的实施例中，测量过程包括以下步骤：

(1)控制机器人末端移动至O₂(O₁)点，确定坐标系原点；此时三点光学测头测得自动回转装置的固定球球心O₀的位置，可确定

等效于

(为定值，全程不变)。该位置确定的具体方式可参见上述图5中的P点坐标的确定。

(2)控制机器人末端移动至P₂点，此过程即可确定

此时移动球已在P₀点待机，机器人到位后三点光学测头测量出自动回转装置移动球球心P₀相对于P₁的位置，可以确定

任意位置上的

都已经由事先完成的标定工作获得，至此可以计算出一个点位上的误差

(3)控制上位机，使自动回转装置旋转，机器人也随之运动，前往下一个目标的P₀、P₂位点，重复步骤(2)；

(4)完成预设数量的测量过程后即可获得一组误差数据；如有需要，还可以更换目标的移动球，在不同回转半径、高度上进行其他的实验组，获取一定空间范围内的多组误差数据。

在一些优选的实施例中，对于上述不同回转半径、高度上的点位上的误差数据，可以进一步获取误差值的平均值，获取工业机器人的误差幅值情况进行误差评价，还可以将该误差平均值录入工业机器人程序中，一定程度上实现误差的矫正，提高工业机器人的精度。

本发明提出的用于工业机器人的误差标定装置和方法可以为六轴工业机器人进行误差标定，弥补了球杆仪和R-test装置的不足，采用非接触式的测量，装置重复精度高，不易损坏。涵盖了高度方向上的变化、测量流程不限于整圆或者单点，结构简单，并且具有移动的机动化程度。还可以通过其他设备(如三坐标测量仪)对回转装置上的固定球和活动球的标定来保证自身的精度。

显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。

Claims (10)

1.一种用于工业机器人的误差标定装置，其特征在于，包括：

标定组件，与所述工业机器人末端连接，包括基座和三个光学测头，所述基座与所述工业机器人连接，所述三个光学测头倾斜设置于所述基座上且其测量轴线相交于空间内的一点；

回转装置，包括位于回转中心且不随所述回装装置旋转的固定球以及通过悬臂结构承载的多个可围绕所述回转中心旋转的活动球；

所述回转装置固定于工作台上，所述工业机器人通过与所述标定组件连接对所述回转装置上的所述固定球和所述活动球进行误差标定。

2.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人的误差标定装置，其特征在于，所述基座上设置有三个锥面，所述三个光学测头通过固定座分别固定于所述基座上的三个锥面上。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于工业机器人的误差标定装置，其特征在于，所述光学测头为激光位移计。

4.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人的误差标定装置，其特征在于，所述多个活动球具有不同的回转半径。

5.根据权利要求4所述的一种用于工业机器人的误差标定装置，其特征在于，所述多个活动球与所述固定球位于相同或不同的水平面，所述多个活动球之间具有相同或不同的水平面。

6.一种采用如权利要求1-5中任一项所述标定装置的用于工业机器人的误差标定方法，其特征在于，包括：

S1、确定所述回转装置上所述固定球和所述活动球的空间位置信息以及所述活动球的回转半径；

S2、对所述三个光学测头进行姿态校准，以使得所述三个光学测头的和中心构成的平面保持水平；

S3、操控所述工业机器人将所述三个光学测头对准所述回转装置的所述固定球，对所述三个光学测头进行调零；

S4、所述工业机器人跟随所述活动球的回转轨迹的点位分别对所述多个活动球的多个点位进行测量计算，基于所述活动球的实际轨迹、所述工业机器人的实际轨迹和所述工业机器人的理论轨迹计算获得所述多个点位下的误差值。

7.根据权利要求6所述的一种误差标定方法，其特征在于，所述步骤S4中的点位的测量计算具体为通过以下方程式求得所述活动球在点位P下的坐标P(x_P,y_P,z_P)：

其中，L_A、L_B、L_C由光学测头测量获得，A₀、B₀、C₀分别为三个光学测头镜头的几何中心，A₀、B₀、C₀的坐标

活动球半径r和方向夹角α_A、α_B、α_C、β_A、β_B、β_C均由所述步骤S3中对所述固定球调零后获得，α_A、α_B、α_C表示光学测头的轴线与Z轴正方向的夹角，β_A、β_B、β_C表示光学测头的轴线与X轴正方向的夹角。

8.根据权利要求6所述的一种误差标定方法，其特征在于，所述步骤S4中的误差值

其中，P₀、P₁、P₂分别为所述工业机器人处于同一位置时活动球轨迹、工业机器人实际轨迹和理论轨迹上的对应点，O₀为所述固定球的球心，O₂为所述工业机器人坐标原点。

9.根据权利要求6所述的一种误差标定方法，其特征在于，所述工业机器人跟随所述活动球的回转轨迹获取在不同活动球的不同回转轨迹的不同点位上的误差值。

10.根据权利要求9所述的一种误差标定方法，其特征在于，根据不同点位上的误差值获取所述工业机器人的平均误差值。

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