CN114589692B - 一种机器人零点标定方法及其标定设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车部件模具领域，具体是一种机器人零点标定方法及其标定设备，该方法具体步骤如下：S1、机器人接触标准球；S2、检测IO信号；S3、探针接触标准球；S4、求出P_c和r；S5、红宝石移动；S6、不同的姿态去接触标准球；S7、求出标准球的球心位置P_b；S8、第一个姿态下；S9、求出P_t；S10、建立标准球坐标系；S11、R_f和P_f相对于姿态和位置；S12、红宝石中心与标准球球心的距离；S13、零点偏差修正；包括标准球、支架、探针，将探针安装在机器人上，并操作机器人使得探针以同一个姿态接触标准球的5个位置，接着换一种姿态去接触标准球的5个位置，重复此操作20次，最后基于最小二乘算法以及球面约束，求出各关节的零点偏差，精准度高。

Description

一种机器人零点标定方法及其标定设备

技术领域

本发明涉及机器人零点校准技术领域，具体是一种机器人零点标定方法及其标定设备。

背景技术

随着机器人技术的发展，国内机器人市场已成为全球最大的机器人市场，每年都有数以万计的机器人投入使用。而机器人在使用过程中，如果操作失误导致机器人与外部设备发生碰撞，可能导致机器人零点的偏移，进而影响到机器人的精度。为了恢复机器人的精度，碰撞后需要重新校准机器人的零点。

目前有两种零点标定方式得到了广泛应用，一种是使用激光跟踪仪对机器人进行标定，如中国专利号为201810718695.5的一种基于激光跟踪仪的机器人标定发明所述，这种标定方式是通过让机器人的所有轴分别单独旋转，然后利用高精度激光跟踪仪采集机器人旋转时末端靶球的多个位置，考虑到这些靶球位置均在同一个圆上，因而可以利用这些靶球位置拟合出各轴的轴线，最后基于所有轴的轴线求出机器人DH参数，完成机器人的标定，这种方式的优点在于激光跟踪仪的测量精度很高，可以实现高精度的校准，但也因为激光跟踪仪的使用，其硬件设备成本在50万以上，一般机器人生产厂家或研究机构才有能力购置，普通用户承担不起。另一种标定方式是利用两个尖点对齐的方式来实现。

又如中国专利号为201711070239.6一种高效便捷的简易机器人标定发明所述，这种标定方式的实现原理是在机器人末端装上一个工具尖点，在机器人外侧再固定一个测量尖点，操作机器人使得其末端的工具尖点以20个不同的姿态对齐测量尖点，然后利用工具尖点和测量尖点的位置相同来求解机器人的零点偏差。这种标定方式的优点在于其成本低，不足千元，而缺点是两个尖点对齐是由人工示教完成的，效率低，而且精度无法保证。

又如中国专利号为201811464713.8的一种用于双机器人相对空间位置标定的发明中，使用了标准球并标定出机器人工具坐标系，但是通过3D传感器，基于视觉或激光的非接触测量，通过传感器能直接测量出标准球球心位置，优点是精度高，缺点是成本高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种机器人零点标定方法及其标定设备。

一种机器人零点标定方法，其具体步骤如下：

S1、机器人接触标准球：操作机器人使得探针以某个姿态去接触标准球；

S2、检测IO信号：探针接触到标准球时，机器人能够检测到IO信号由低电平变为高电平，并记录下此时机器人法兰中心的位置P₁和关节位置J₁；

S3、探针接触标准球：在不改变探针姿态的情况下，操作机器人使探针接触标准球的其他4个位置，记录下IO信号由低电平变为高电平时机器人法兰中心的位置P₂～P₅及关节位置J₂～J₅；

S4、求出P_c和r：考虑到P₁～P₅处于同一个球面上，假设此球面的球心位置为P_c，半径为r_c，则对于任意一点P_i有式a成立：

将P₁～P₅的数据代入，并利用最小二乘法即可求出P_c和r_c；

S5、红宝石移动：当机器人法兰中心移动到P_c处，此时探针的红宝石将位于标准球的球心处；

S6、不同的姿态去接触标准球：操作机器人使得探针以不同的姿态去接触标准球，所有的P_c与标准球的球心位置P_b的距离相同，令此距离为r_b，因而有式b成立：

S7、求出标准球的球心位置P_b：通过20个姿态下测量出的P_c，结合上式，基于最小二乘算法即可求出标准球的球心位置P_b；

S8、第一个姿态下：假设在第一个姿态下，法兰坐标系的姿态为R₁，当法兰中心在P_c1处时，标准球球心P_b在法兰坐标系下的位置为P_t，则有式c成立：

P_c1+R₁·P_t＝P_b (c)；

S9、求出P_t：根据几何关系可知，红宝石中心在法兰坐标系下的位置也为P_t，利用上式可以求出P_t如式d所示：

S10、建立标准球坐标系：在标准球球心处，建立一个标准球坐标系，坐标系的朝向与机器人基坐标系相同；

S11、R_f和P_f相对于姿态和位置：在已知探针标定时各轴关节位置J的情况下，则红宝石的中心在标准球坐标系下的位置P如式e所示，式中R_f和P_f分别为法兰坐标系相对于机器人坐标系的姿态和位置；

P＝R_f·P_t+P_f-P_b (e)；

S12、红宝石中心与标准球球心的距离：考虑到红宝石中心与标准球球心的距离为r，则有式f成立：

r＝P·P^T (f)；

S13、零点偏差修正：基于上式利用最小二乘算法进行迭代优化，最终可求出ΔJ、ΔP_b和ΔP_t的值，机器人走到ΔJ位置处进行清零，即可实现零点偏差的修正。

所述的S6中，在每种姿态下，均可以通过接触标准球上的5个位置计算出对应的P_c。

所述的S11中，函数fk()为机器人正解函数。

所述的S12中，若机器人关节位置J以及P_t、P_b存在偏差，则式f不成立，此时有式g成立。

在式g中，式中函数jb()为误差雅克比函数，ΔJ为关节零点偏差，ΔP_b和ΔP_t分别为P_t和P_b的偏差，具体为：

Δr＝r-P·P^T＝jb(ΔJ,ΔP_b,ΔP_t) (g)

利用机器人零点标定方法的标定设备，包括利用球的球面上任一一点距离球心的距离相同这一个特征来进行求解计算的标准球、用于支撑标准球的支架、用来测量标准球位置的探针。

所述的探针包括探针主体、设置在探针主体上的若干组引线、相对于探针主体伸缩的测量杆、安装在测量杆末端上的红宝石。

所述的引线具体为三组，分别为接24V直流稳压电源的P线、用于接地的N线、接收信号的S线。

当探针与外部物体发生接触时，S线能输出24V高电平信号，反之输出0V低电平信号。

所述的探针主体内部包括测量元件及信号转换电路。

本发明的有益效果是：探针在接触物体时，能发生变形以保护探针不被损坏，脱离接触后变形量能恢复，通过非接触式设备，如激光位移传感器，当测量出的距离大于设定距离时，返回高电平，反之返回低电平，降低测量成本；将探针安装在机器人上，并操作机器人使得探针以同一个姿态接触标准球的5个位置，接着换一种姿态去接触标准球的5个位置，重复此操作20次，最后基于最小二乘算法以及球面约束，求出各关节的零点偏差，精准度高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的探针结构示意图；

图2为本发明的探针测量标准球结构示意图；

图3为本发明的机器人标定时探针相对于标准球的姿态示意图；

附图标记：1、引线；2、探针主体；3、测量杆；4、红宝石；5、探针；6、标准球；7、标准球支架。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1至图3所示，一种机器人零点标定方法，其具体步骤如下：

S1、机器人接触标准球6：操作机器人使得探针5以某个姿态去接触标准球6，如图2中实线所示；

S2、检测IO信号：探针5接触到标准球6时，机器人能够检测到IO信号由低电平变为高电平，并记录下此时机器人法兰中心的位置P₁和关节位置J₁；

S3、探针5接触标准球6：在不改变探针姿态的情况下，操作机器人使探针5接触标准球6的其他4个位置，如图2中的虚线所示，并记录下IO信号由低电平变为高电平时机器人法兰中心的位置P₂～P₅及关节位置J₂～J₅；

S4、求出P_c和r：考虑到P₁～P₅处于同一个球面上，假设此球面的球心位置为P_c，半径为r_c，则对于任意一点P_i有式a成立：

将P₁～P₅的数据代入，并利用最小二乘法即可求出P_c和r_c；

S5、红宝石4移动：当机器人法兰中心移动到P_c处，此时探针5的红宝石4将位于标准球6的球心处；

S6、不同的姿态去接触标准球6：操作机器人使得探针5以不同的姿态去接触标准球6，如图3中的虚线所示，所有的P_c与标准球6的球心位置P_b的距离相同，令此距离为r^b，因而有式b成立：

S7、求出标准球6的球心位置P_b：通过20个姿态下测量出的P_c，结合上式，基于最小二乘算法即可求出标准球6的球心位置P_b；

S8、第一个姿态下：假设在第一个姿态下，法兰坐标系的姿态为R₁，当法兰中心在P_c1处时，标准球6球心P_b在法兰坐标系下的位置为P_t，则有式c成立：

P_c1+R₁·P_t＝P_b (c)；

S9、求出P_t：根据几何关系可知，红宝石4中心在法兰坐标系下的位置也为P_t，利用上式可以求出P_t如式d所示：

S10、建立标准球坐标系：在标准球6球心处，建立一个标准球坐标系，坐标系的朝向与机器人基坐标系相同；

S11、R_f和P_f相对于姿态和位置：在已知探针标定时各轴关节位置J的情况下，则红宝石4的中心在标准球坐标系下的位置P如式e所示，式中R_f和P_f分别为法兰坐标系相对于机器人坐标系的姿态和位置；

P＝R_f·P_t+P_f-P_b (e)；

S12、红宝石4中心与标准球6球心的距离：考虑到红宝石4中心与标准球6球心的距离为r，则有式f成立：

r＝P·P^T (f)；

S13、零点偏差修正：基于上式利用最小二乘算法进行迭代优化，最终可求出ΔJ、ΔP_b和ΔP_t的值，机器人走到ΔJ位置处进行清零，即可实现零点偏差的修正。

所述的S6中，在每种姿态下，均可以通过接触标准球6上的5个位置计算出对应的P_c。

所述的S11中，函数fk()为机器人正解函数。

所述的S12中，若机器人关节位置J以及P_t、P_b存在偏差，则式f不成立，此时有式g成立。

在式g中，式中函数jb()为误差雅克比函数，ΔJ为关节零点偏差，ΔP_b和ΔP_t分别为P_t和P_b的偏差，具体为：

Δr＝r-P·P^T＝jb(ΔJ,ΔP_b,ΔP_t) (g)

利用机器人零点标定方法的标定设备，包括利用球的球面上任一一点距离球心的距离相同这一个特征来进行求解计算的标准球6、用于支撑标准球6的标准球支架7、用来测量标准球6位置的探针5。

探针5的P线接入机器人电柜中的24V输出上，探针5的N线接入电柜中的地线上以及探针5的S线接入IO输入通道上。

在机器人标定时，探针5需要与一个标准球6进行接触，通过以20个姿态去接触标准球6的5个不同位置，来实现零点的校正。

所述的探针5包括探针主体2、设置在探针主体2上的若干组引线1、相对于探针主体2伸缩的测量杆3、安装在测量杆3末端上的红宝石4。

探针5的测量杆3可以相对于探针主体2伸缩，如图1中的虚线所示，也可以相对于探针主体2偏转，如图1中的点线所示。

探针5在接触物体时，能发生变形以保护探针5不被损坏，脱离接触后变形量能恢复。

通过非接触式设备，如激光位移传感器，当测量出的距离大于设定距离时，返回高电平，反之返回低电平，降低测量成本。

将探针5安装在机器人上，并操作机器人使得探针5以同一个姿态接触标准球的5个位置，接着换一种姿态去接触标准球6的5个位置，重复此操作20次，最后基于最小二乘算法以及球面约束，求出各关节的零点偏差，精准度高。

所述的引线1具体为三组，分别为接24V直流稳压电源的P线、用于接地的N线、接收信号的S线。

所述的标准球6是标定中的一个关键部件，当探针5以不同姿态接触标准球6的时候，利用球的球面上任一一点距离球心的距离相同这一个特征来进行求解计算。

当探针5与外部物体发生接触时，S线能输出24V高电平信号，反之输出0V低电平信号，探针5能够在接触物体时，返回高电平信号，脱离接触时返回低电平信号。

所述的探针主体2内部包括测量元件及信号转换电路。

机器人标定时除了机器人末端需要安装探针5外，还需要在机器人周围固定一个标准球6，如图2所示，标准球6安装在标准球支架7上，让探针5以同一个姿态接触标准球6的5个不同位置，根据这些位置利用球面拟合算法即可求出球心的位置，从而实现对球心位置的测量。

红宝石4的测量原理是当红宝石4与其他物体发生接触时，输出高电平信号，脱离接触的时候，输出低电平信号，利用电平信号从低到高的变化来识别接触的时刻，利用从高到低的变化来识别脱离接触的时刻。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种机器人零点标定方法，其特征在于：其具体步骤如下：

S1、机器人接触标准球(6)：操作机器人使得探针(5)以某个姿态去接触标准球(6)；

S2、检测IO信号：探针(5)接触到标准球(6)时，机器人能够检测到IO信号由低电平变为高电平，并记录下此时机器人法兰中心的位置P₁和关节位置J₁；

S3、探针(5)接触标准球(6)：在不改变探针姿态的情况下，操作机器人使探针(5)接触标准球(6)的其他4个位置，记录下IO信号由低电平变为高电平时机器人法兰中心的位置P₂～P₅及关节位置J₂～J₅；

S4、求出P_c和r：考虑到P₁～P₅处于同一个球面上，假设此球面的球心位置为P_c，半径为r_c，则对于任意一点P_i有式(a)成立：

将P₁～P₅的数据代入，并利用最小二乘法即可求出P_c和r_c；

S5、红宝石(4)移动：当机器人法兰中心移动到P_c处，此时探针(5)的红宝石(4)将位于标准球(6)的球心处；

S6、不同的姿态去接触标准球(6)：操作机器人使得探针(5)以不同的姿态去接触标准球(6)，所有的P_c与标准球(6)的球心位置P_b的距离相同，令此距离为r^b，因而有式(b)成立：

S7、求出标准球(6)的球心位置P_b：通过20个姿态下测量出的P_c，结合上式，基于最小二乘算法即可求出标准球(6)的球心位置P_b；

S8、第一个姿态下：假设在第一个姿态下，法兰坐标系的姿态为R₁，当法兰中心在P_c1处时，标准球(6)球心P_b在法兰坐标系下的位置为P_t，则有式(c)成立：

P_c1+R₁·P_t＝P_b (c)；

S9、求出P_t：根据几何关系可知，红宝石(4)中心在法兰坐标系下的位置也为P_t，利用上式可以求出P_t如式(d)所示：

S10、建立标准球坐标系：在标准球(6)球心处，建立一个标准球坐标系，坐标系的朝向与机器人基坐标系相同；

S11、R_f和P_f相对于姿态和位置：在已知探针标定时各轴关节位置J的情况下，则红宝石(4)的中心在标准球坐标系下的位置P如式(e)所示，式中R_f和P_f分别为法兰坐标系相对于机器人坐标系的姿态和位置；

P＝R_f·P_t+P_f-P_b (e)；

所述的S11中，函数fk()为机器人正解函数；

S12、红宝石(4)中心与标准球(6)球心的距离：考虑到红宝石(4)中心与标准球(6)球心的距离为r，则有式(f)成立：

r＝P·P^T (f)；

S13、零点偏差修正：基于上式利用最小二乘算法进行迭代优化，最终可求出ΔJ、ΔP_b和ΔP_t的值，机器人走到ΔJ位置处进行清零，即可实现零点偏差的修正；

所述的S12中，若机器人关节位置J以及P_t、P_b存在偏差，则式(f)不成立，此时有式(g)成立；

在式(g)中，式中函数jb()为误差雅克比函数，ΔJ为关节零点偏差，ΔP_b和ΔP_t分别为P_t和P_b的偏差，具体为：

Δr＝r-P·P^T＝jb(ΔJ,ΔP_b,ΔP_t) (g)。

2.根据权利要求1所述的一种机器人零点标定方法，其特征在于：所述的S6中，在每种姿态下，均可以通过接触标准球(6)上的5个位置计算出对应的P_c。

3.利用权利要求1至2中任一项所述的一种机器人零点标定方法的标定设备，其特征在于：包括利用球的球面上任一一点距离球心的距离相同这一个特征来进行求解计算的标准球(6)、用于支撑标准球(6)的标准球支架(7)、用来测量标准球(6)位置的探针(5)。

4.根据权利要求3所述的标定设备，其特征在于：所述的探针(5)包括探针主体(2)、设置在探针主体(2)上的若干组引线(1)、相对于探针主体(2)伸缩的测量杆(3)、安装在测量杆(3)末端上的红宝石(4)。

5.根据权利要求4所述的标定设备，其特征在于：所述的引线(1)具体为三组，分别为接24V直流稳压电源的P线、用于接地的N线、接收信号的S线。

6.根据权利要求5所述的标定设备，其特征在于：当探针(5)与外部物体发生接触时，S线能输出24V高电平信号，反之输出0V低电平信号。

7.根据权利要求4所述的标定设备，其特征在于：所述的探针主体(2)内部包括测量元件及信号转换电路。