CN114260944A - 一种机器人激光校准装置及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光校准领域，提供了一种机器人激光校准装置，包括激光探测腔和校正标准块，激光探测腔包括底座，底座在y轴的方向上竖直设有第一安装板，且在x轴的方向上竖直设有第二安装板，第一安装板面对第二安装板的一侧设有激光感应器A，第二安装板面对第一安装板的一侧设有激光感应器B和激光感应器C，底座上设有激光感应器D、激光感应器E和激光感应器F，校正标准块连接于机器人上，校正标准块包括底板，底板设于底座的上方，底板对应激光感应器A的方向设有第一反射块，底板对应激光感应器B和激光感应器C的位置设有第二反射块；快速较准机器人的位置精度，使机器人的每一次作业都能保持在一致的运作位置，保证作业的精准。

Description

一种机器人激光校准装置及其校准方法

技术领域

本发明属于激光校准领域，具体涉及到一种机器人激光校准装置及其校准方法。

背景技术

随着科技水平的不断发展，工业制造的自动化程度越来越高，工业用机器人正是实现工业生产自动化的一个重要标志。在使用机器人的过程中，机器人有可能发生碰撞，这些都会导致工业机器人的工具中心点(ToolCenterPoint，TCP)产生坐标误差，而TCP的定位精度直接影响工业机器人的作业能力。

现有机器人的中心校准方法主要采用紧配式插销，插入每个轴的原点定位孔中，清除马达编码器多圈参数值，并记录该位置是此轴的机械原点；该方法缺点是步骤繁多、对作业员要求高、耗费时间。或者采用光电传感器取代紧配式插销，通过光电传感器的到位信号来判定每个轴是否对准了原点定位孔；但定位不够精准、安装困难、不方便观测及维护。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种机器人激光校准装置及其校准方法。

本发明是这样实现的：一种机器人激光校准装置，包括激光探测腔和校正标准块，所述激光探测腔包括底座，所述底座在y轴的方向上竖直设有第一安装板，且在x轴的方向上竖直设有第二安装板，所述第一安装板面对所述第二安装板的一侧设有激光感应器A，所述第二安装板面对所述第一安装板的一侧设有激光感应器B和激光感应器C，所述底座上设有激光感应器D、激光感应器E和激光感应器F，所述校正标准块连接于机器人上，所述校正标准块包括底板，所述底板设于所述底座的上方，所述底板对应所述激光感应器A的方向设有第一反射块，所述所述底板对应所述激光感应器B和所述激光感应器C的位置设有第二反射块。

进一步的，所述底座和所述底面之间、所述第一安装板和所述第一反射块之间、所述第二安装板和所述第二反射块之间均相互平行。

进一步的，所述第一安装板和所述第二安装板垂直于所述底座，所述第一反射块和所述第二反射块均垂直于所述底板。

进一步的，所述激光感应器B的发射激光和所述激光感应器C发射激光相互平行。

进一步的，所述激光感应器D的发射激光点、所述激光感应器E的发射激光点和所述激光感应器F的发射激光点相互以直角三角形的三个顶点位置进行排布，所述激光感应器F的发射激光点位于直角顶点的位置。

本发明还提供了一种利用上述的机器人激光校准装置来对机器人进行激光校准的方法，包括如下步骤：

S1、机器人在运转前，设于机器人上的校正标准块位于激光探测腔内的测试位置，激光探测腔内的激光感应器A对校正标准块在y轴方向上的测量值、激光感应器B和激光感应器C对校正标准块在x轴方向上的测量值、激光感应器D和激光感应器E和激光感应器F对校正标准块在z轴方向上的测量值均归为0，并记录机器人当前的TOOL坐标值为pos1；

S2、机器人运转工作后回到测试位置时，校正标准块的位置坐标相较于pos1，在y轴方向上的偏差△y由激光感应器A测量得到，在x轴方向上的偏差△x由激光感应器C测量得到，在z轴方向上的偏差△z由激光感应器D测量得到，在Rx方向上的偏差△Rx由激光感应器D和激光感应器F测量后转换得到，在Ry方向上的偏差△Ry由激光感应器E和激光感应器F测量后转换得到，在Rz方向上的偏差△Rz由激光感应器B和激光感应器C测量后转换得到，即机器人的位置偏差值坐标为(△x，△y，△z，△Rx，△Ry，△Rz)；

S3、机器人的驱动装置读△Rx偏差量，对校正标准块在Rx方向上进行补偿，使△Rx变为0；读△Ry偏差量，对校正标准块在Ry方向上进行补偿，使△Ry变为0；读△Rz偏差量，对校正标准块在在Rz方向上进行补偿，使△Rz变为0，即机器人的位置偏差值坐标为(△x，△y，△z)；

S4、机器人的驱动装置再对校正标准块在x轴方向、y轴方向和z轴方向上进行补偿，使得△x，△y，△z归为0，此时校正标准块的所有偏差值均为0，并记录机器人此时的TOOL坐标值为pos2；

S5、得到机器人在TOOL坐标系的偏差为△pos_T＝pos2-pos1；

S6、对机器人的TOOL坐标值按照△pos_T偏差量修正，之后机器人的驱动程序以新的TOOL坐标值來运行。

进一步的，将激光感应器A的测量比较值记为a，将激光感应器B的测量比较值记为b，将激光感应器C的测量比较值记为c，将激光感应器D的测量比较值记为d，将激光感应器E的测量比较值记为e，将激光感应器F的测量比较值记为f。

进一步的，将激光感应器E和激光感应器F在y轴方向上的安装间距记为L1，将激光感应器D和激光感应器F在x轴方向上的安装间距记为L2，将激光感应器B和激光感应器C在y轴方向上的安装间距记为L3。

进一步的，将校正标准块的△y记为a，△x记为c，△z记为d，且校正标准块的转轴偏差△Ry＝arctan((e-f)/L1)，△Rx＝arctan((d-f)/L2)，△Rz＝arctan((b-c)/L3)。

进一步的，当机器人的工具中心点TCP的角度小于5°时，△Rx＝(d-f)/L2，△Ry＝(e-f)/L1，△Rz＝(b-c)/L3。

本发明提供的一种机器人激光校准装置及其校准方法，激光探测腔和校正标准块的体积小，避免影响机器人的正常生产运行，激光感应器A、激光感应器B、激光感应器C、激光感应器D、激光感应器E和激光感应器F相互配合能在机器人在X、Y、Z、Rx、Ry、Rz这六个方向进行偏差补偿，快速较准机器人的位置精度，使得机器人的每一次作业都能保持在相一致的运作位置，保证作业的精准和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1是本发明提供的结构示意图。

图2是本发明中激光感应器A、激光感应器B、激光感应器C、激光感应器D、激光感应器E和激光感应器F的发射激光位置示意图。

图3是本发明中激光感应器A、激光感应器B、激光感应器C、激光感应器D、激光感应器E和激光感应器F的发射激光位置俯视图。

图4是本发明中当机器人的工具中心点TCP的角度小于5°时△Rx的补偿计算示意图。

图5是本发明中机器人在六个方向的运转示意图。

附图标号说明：1、激光探测腔；11、底座；12、第一安装板；13、第二安装板；2、校正标准块；21、底板；22、第一反射块；23、第二反射块；3、激光感应器A；4、激光感应器B；5、激光感应器C；6、激光感应器D；7、激光感应器E；8、激光感应器F。

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。

请参阅图1-图5，为发明公开的一种机器人激光校准装置，包括激光探测腔1和校正标准块2，所述激光探测腔1包括底座11，所述底座11在y轴的方向上竖直设有第一安装板12，且在x轴的方向上竖直设有第二安装板13，所述第一安装板12面对所述第二安装板13的一侧设有激光感应器A3，所述第二安装板13面对所述第一安装板12的一侧设有激光感应器B4和激光感应器C5，所述底座11上设有激光感应器D6、激光感应器E7和激光感应器F8，所述校正标准块2连接于机器人上，所述校正标准块2包括底板21，所述底板21设于所述底座11的上方，所述底板21对应所述激光感应器A3的方向设有第一反射块22，所述所述底板21对应所述激光感应器B4和所述激光感应器C5的位置设有第二反射块23。

所述底座11和所述底面之间、所述第一安装板12和所述第一反射块22之间、所述第二安装板13和所述第二反射块23之间均相互平行。更优的，所述第一安装板12和所述第二安装板13垂直于所述底座11，所述第一反射块22和所述第二反射块23均垂直于所述底板21，保证所述激光感应器A3、所述激光感应器B4、所述激光感应器C5、所述激光感应器D6、所述激光感应器E7和所述激光感应器F8的六个激光束提供平整高精的反射面，使得激光束能顺利反射回对应的激光感应器上，更利于检测所述校正标准块2的位置数据。

由于机器人在运转时会在至少六个方向上进行转动，即机器人至少拥有六个自由度，分别是在X、Y、Z、Rx、Ry、Rz这六个方向上，如图5所示。在本发明中，在X、Y、Z方向上测量偏差就需要三个激光传感器，而Rx、Ry、Rz角度方向上的偏差不能直接由激光传感器测量出来，即在Rx、Ry和Rz每个方向上至少需要两个激光器配合进行角度偏差测量，即一般所需激光传感器的最多数量N＝3+3*2＝9个。但是，因为X、Y、Z方向已设置三个激光传感器，即所述所述激光感应器A3、所述激光感应器C5和所述激光感应器D6，再此基础上再搭配另外三个激光感应器即可对所述校正标准块2测量在Rx、Ry、Rz方向上的角度偏差，所以实际上激光传感器的数量N＝3+3＝6个，即在所述激光探测腔1内设有所述激光感应器A3、所述激光感应器B4、所述激光感应器C5、所述激光感应器D6、所述激光感应器E7和所述激光感应器F8这六个激光感应器就足够对所述校正标准块2进行测量偏差并且补偿，即可校准机器人的位置。目的在于能将所述激光探测腔1的体积压缩至最小，所需的所述校正标准块2也能相对应地压缩体积，避免对正在运行的机器人产生干涉、影响正常的生产运行。

本发明还提供了一种利用上述的机器人激光校准装置来对机器人进行激光校准的方法，包括如下步骤：

S1、机器人在运转前，设于机器人上的所述校正标准块2位于激光探测腔1内的测试位置，所述激光探测腔1内的所述激光感应器A3对所述校正标准块2在y轴方向上的测量值、所述激光感应器B4和所述激光感应器C5对所述校正标准块2在x轴方向上的测量值、所述激光感应器D6和所述激光感应器E7和所述激光感应器F8对所述校正标准块2在z轴方向上的测量值均归为0，并记录机器人当前的TOOL坐标值为pos1。

S2、机器人运转工作后回到测试位置时，所述校正标准块2的位置坐标相较于pos1，在y轴方向上的偏差△y由所述激光感应器A3测量得到，机器人的驱动程序将所述激光感应器A3的测量比较值记为a，即△y＝a；所述校正标准块2在x轴方向上的偏差△x由所述激光感应器C5测量得到，将所述激光感应器C5的测量比较值记为c，即△x＝c；在z轴方向上的偏差△z由所述激光感应器D6测量得到，将所述激光感应器D6的测量比较值记为d，即△z＝d；

同理的，所述激光感应器B4的测量比较值记为b，将所述激光感应器E7的测量比较值记为e，将所述激光感应器F8的测量比较值记为f；在Rx方向上的偏差△Rx由所述激光感应器D6和所述激光感应器F8测量后转换得到，转换计算方法为：将所述激光感应器D6和所述激光感应器F8在x轴方向上的安装间距记为L2，如图3所示，△Rx＝arctan((d-f)/L2)；同理的，在Ry方向上的偏差△Ry由所述激光感应器E7和所述激光感应器F8测量后转换得到，将所述激光感应器E7和所述激光感应器F8在y轴方向上的安装间距记为L1，△Ry＝arctan((e-f)/L1)；在Rz方向上的偏差△Rz由所述激光感应器B4和所述激光感应器C5测量后转换得到，将所述激光感应器B4和所述激光感应器C5在y轴方向上的安装间距记为L3，△Rz＝arctan((b-c)/L3)。综上所述，即机器人的位置偏差值坐标为(△x，△y，△z，△Rx，△Ry，△Rz)。

进一步的，为便于对L1、L2和L3进行测量，所述激光感应器B4的发射激光和所述激光感应器C5发射激光相互平行，且所述激光感应器D6的发射激光点、所述激光感应器E7的发射激光点和所述激光感应器F8的发射激光点相互以直角三角形的三个顶点位置进行排布，所述激光感应器F8的发射激光点位于直角顶点的位置。更准确的测量出所述校正标准块2的位置偏差坐标。

如图4所示，当机器人的工具中心点TCP的角度，即图中的α小于5°时，对于△Rx、△Ry和△Rz的计算转换方式机器人的驱动程度会进行相对应的简化，图4中具体为△Rx的简化方式△Rx＝(d-f)/L2，同理的，△Ry＝(e-f)/L1，△Rz＝(b-c)/L3。在不影响位置偏差计算的同时能更快速的得出计算结果。

S3、机器人的驱动装置读△Rx偏差量，对所述校正标准块2在Rx方向上进行补偿，使△Rx变为0；读△Ry偏差量，对所述校正标准块2在Ry方向上进行补偿，使△Ry变为0；读△Rz偏差量，对所述校正标准块2在在Rz方向上进行补偿，使△Rz变为0，即机器人的位置偏差值坐标为(△x，△y，△z)；

S4、机器人的驱动装置再对所述校正标准块2在x轴方向、y轴方向和z轴方向上进行补偿，使得△x，△y，△z归为0，此时所述校正标准块2的所有偏差值均为0，并记录机器人此时的TOOL坐标值为pos2；

S5、得到机器人在TOOL坐标系的偏差为△pos_T＝pos2-pos1；

S6、对机器人的TOOL坐标值按照△pos_T偏差量修正，之后机器人的驱动程序以新的TOOL坐标值來运行。

能快速较准机器人的位置精度，使得机器人的每一次作业都能保持在相一致的运作位置，保证作业的精准，在一定程度上能提高作业效率和保证和保证作业质量。

以上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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人激光校准装置，其特征在于：包括激光探测腔(1)和校正标准块(2)，所述激光探测腔(1)包括底座(11)，所述底座(11)在y轴的方向上竖直设有第一安装板(12)，且在x轴的方向上竖直设有第二安装板(13)，所述第一安装板(12)面对所述第二安装板(13)的一侧设有激光感应器A(3)，所述第二安装板(13)面对所述第一安装板(12)的一侧设有激光感应器B(4)和激光感应器C(5)，所述底座(11)上设有激光感应器D(6)、激光感应器E(7)和激光感应器F(8)，所述校正标准块(2)连接于机器人上，所述校正标准块(2)包括底板(21)，所述底板(21)设于所述底座(11)的上方，所述底板(21)对应所述激光感应器A(3)的方向设有第一反射块(22)，所述所述底板(21)对应所述激光感应器B(4)和所述激光感应器C(5)的位置设有第二反射块(23)。

2.根据权利要求1所述的一种机器人激光校准装置，其特征在于：所述底座(11)和所述底面之间、所述第一安装板(12)和所述第一反射块(22)之间、所述第二安装板(13)和所述第二反射块(23)之间均相互平行。

3.根据权利要求2所述的一种机器人激光校准装置，其特征在于：所述第一安装板(12)和所述第二安装板(13)垂直于所述底座(11)，所述第一反射块(22)和所述第二反射块(23)均垂直于所述底板(21)。

4.根据权利要求1所述的一种机器人激光校准装置，其特征在于：所述激光感应器B(4)的发射激光和所述激光感应器C(5)发射激光相互平行。

5.根据权利要求1所述的一种机器人激光校准装置，其特征在于：所述激光感应器D(6)的发射激光点、所述激光感应器E(7)的发射激光点和所述激光感应器F(8)的发射激光点相互以直角三角形的三个顶点位置进行排布，所述激光感应器F(8)的发射激光点位于直角顶点的位置。

6.一种机器人激光校准方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、机器人在运转前，设于机器人上的校正标准块(2)位于激光探测腔(1)内的测试位置，激光探测腔(1)内的激光感应器A(3)对校正标准块(2)在y轴方向上的测量值、激光感应器B(4)和激光感应器C(5)对校正标准块(2)在x轴方向上的测量值、激光感应器D(6)和激光感应器E(7)和激光感应器F(8)对校正标准块(2)在z轴方向上的测量值均归为0，并记录机器人当前的TOOL坐标值为pos1；

S2、机器人运转工作后回到测试位置时，校正标准块(2)的位置坐标相较于pos1，在y轴方向上的偏差△y由激光感应器A(3)测量得到，在x轴方向上的偏差△x由激光感应器C(5)测量得到，在z轴方向上的偏差△z由激光感应器D(6)测量得到，在Rx方向上的偏差△Rx由激光感应器D(6)和激光感应器F(8)测量后转换得到，在Ry方向上的偏差△Ry由激光感应器E(7)和激光感应器F(8)测量后转换得到，在Rz方向上的偏差△Rz由激光感应器B(4)和激光感应器C(5)测量后转换得到，即机器人的位置偏差值坐标为(△x，△y，△z，△Rx，△Ry，△Rz)；

S3、机器人的驱动装置读△Rx偏差量，对校正标准块(2)在Rx方向上进行补偿，使△Rx变为0；读△Ry偏差量，对校正标准块(2)在Ry方向上进行补偿，使△Ry变为0；读△Rz偏差量，对校正标准块(2)在在Rz方向上进行补偿，使△Rz变为0，即机器人的位置偏差值坐标为(△x，△y，△z)；

S4、机器人的驱动装置再对校正标准块(2)在x轴方向、y轴方向和z轴方向上进行补偿，使得△x，△y，△z归为0，此时校正标准块(2)的所有偏差值均为0，并记录机器人此时的TOOL坐标值为pos2；

S5、得到机器人在TOOL坐标系的偏差为△pos_T＝pos2-pos1；

S6、对机器人的TOOL坐标值按照△pos_T偏差量修正，之后机器人的驱动程序以新的TOOL坐标值來运行。

7.根据权利要求6所述的一种机器人激光校准方法，其特征在于：将激光感应器A(3)的测量比较值记为a，将激光感应器B(4)的测量比较值记为b，将激光感应器C(5)的测量比较值记为c，将激光感应器D(6)的测量比较值记为d，将激光感应器E(7)的测量比较值记为e，将激光感应器F(8)的测量比较值记为f。

8.根据权利要求7所述的一种机器人激光校准方法，其特征在于：将激光感应器E(7)和激光感应器F(8)在y轴方向上的安装间距记为L1，将激光感应器D(6)和激光感应器F(8)在x轴方向上的安装间距记为L2，将激光感应器B(4)和激光感应器C(5)在y轴方向上的安装间距记为L3。

9.根据权利要求8所述的一种机器人激光校准方法，其特征在于：将校正标准块(2)的△y记为a，△x记为c，△z记为d，且校正标准块(2)的转轴偏差△Ry＝arctan((e-f)/L1)，△Rx＝arctan((d-f)/L2)，△Rz＝arctan((b-c)/L3)。

10.根据权利要求9所述的一种机器人激光校准方法，其特征在于：当机器人的工具中心点TCP的角度小于5°时，△Rx＝(d-f)/L2，△Ry＝(e-f)/L1，△Rz＝(b-c)/L3。

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