CN114734435A - 一种基于超球面的编码器校准方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于超球面的编码器校准方法、装置及系统，所述方法包括：S1、获取机器人上电后的初始关节角度和初始姿态；S2、根据机器人的初始姿态，基于超球面搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态，将关节角度变化量最小的机器人姿态作为目标姿态；S3、规划机器人从初始姿态运动至目标姿态的速度曲线，根据球面线性插值获取机器人每个插补周期的姿态并据此获取各周期的关节插补量，机器人根据各周期的关节插补量运动至目标姿态，运动过程中对编码器的零位进行校准。本发明具体实施例的有益效果在于：机器人上电后自动实现编码器的零位校准，机器人末端的运动范围可控。

Description

一种基于超球面的编码器校准方法、装置及系统
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，特别是涉及一种基于超球面的编码器校准方法、装置及系统。
背景技术
工业机器人包括传统的工业机器人和新型的协作机器人，机器人包括多个关节以作为其动力源，通过对关节运动的控制实现对机器人运动的控制。机器人关节设置有编码器，编码器能够检测关节角度信息。
通常来说，机器人自动存储有编码器的零位信息，但是，机器人自己存储的零位信息准确性不佳，需要进行校准。现有技术中，通过用户使用标定工装等方式可以实现对机器人编码器的零位校准，但操作较为复杂，尤其是针对大批量使用机器人的场景，将增加用户的时间成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超球面的编码器校准方法、装置及系统，以解决现有技术中机器人的编码器存储的零位信息不准确的问题，实现对编码器零位的自动校准，同时保证校准过程中机器人末端的姿态变化范围可控。
为实现上述目标，本发明可采用如下技术方案：一种基于超球面的编码器校准方法，应用于机器人，包括如下步骤：S1、获取机器人上电后的初始关节角度和初始姿态；S2、根据机器人的初始姿态，基于超球面搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态，将关节角度变化量最小的机器人姿态作为目标姿态；S3、规划机器人从初始姿态运动至目标姿态的速度曲线，根据球面线性插值获取机器人每个插补周期的姿态并据此获取各周期的关节插补量，机器人根据各周期的关节插补量运动至目标姿态，运动过程中对编码器的零位进行校准。
进一步的，所述方法还包括：S4、完成编码器的零位校准后，控制机器人根据所述各周期的关节插补量从目标姿态回到初始姿态。
进一步的，步骤S2还包括：以初始姿态为中心，根据预设的跟随步长，基于超球面遍历搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态。
进一步的，步骤S2基于超球面搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态，将关节角度变化量最小的机器人姿态作为目标姿态包括：重复执行搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态，迭代更新关节角度变化量较小的机器人姿态作为目标姿态；当机器人的搜索范围超出预设的搜索范围时，停止搜索机器人姿态，确定目标姿态。
进一步的，机器人的编码器包括至少一个索引，关节旋转时检测编码器的索引以实现零位校准，所述预设的搜索条件为：机器人的关节旋转量不小于能够检测到索引所需的最大运动量。
进一步的，所述编码器包括N个索引，所述预设的搜索条件为：机器人的关节旋转角度大于或等于360/N度。
进一步的，所述预设的搜索范围根据机器人的末端姿态变化量确定，机器人的末端姿态变化量通过用户预先设定或通过机器人的默认参数配置。
进一步的，步骤S3将关节角度变化量最小的机器人姿态作为目标姿态包括：根据机器人姿态的逆运动学计算得到当前关节角度，根据当前关节角度和机器人的初始关节角度确定关节角度变化量，进而确定关节变化量最小的机器人姿态作为目标姿态。
本发明还可采用如下技术方案：一种基于超球面的编码器校准装置，应用于机器人，包括：获取单元，用于获取机器人上电后的初始关节角度和初始姿态；搜索单元，用于根据机器人的初始姿态，基于超球面搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态，将关节角度变化量最小的机器人姿态作为目标姿态；控制单元，用于规划机器人从初始姿态运动至目标姿态的速度曲线，根据球面线性插值获取机器人每个插补周期的姿态并据此获取各周期的关节插补量，机器人根据各周期的关节插补量运动至目标姿态，运动过程中对编码器的零位进行校准。
本发明还可采用如下技术方案：一种基于超球面的编码器校准系统，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如前文中任一项所述的基于超球面的编码器校准方法。
与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果为：基于超球面遍历机器人的姿态，规划机器人初始姿态到目标姿态过程中关节角度变化量最小的路径，使得编码器零位校准过程中机器人末端的姿态变化量最小，同时能够实现自动的校准编码器的零位，易于操作。此外，基于超球面的姿态搜索，机器人在编码器零位校准的过程中，能够保证机器人末端的位置始终恒定。
附图说明
图1是本发明一个实施例的机器人的示意图
图2是本发明一个实施例的编码器校准方法的示意图
图3是本发明一个实施例的编码器校准方法的流程图
图4是本发明一个实施例的编码器校准装置的模块图
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚明了，下面将结合附图来描述本发明的实施例。应当理解的是，对实施方式的具体说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不是用于穷举本发明的所有可行方式，更不是用于限制本发明的具体实施范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明保护一种基于超球面的编码器校准方法，应用于机器人，参图1，图1示出了本申请一个实施例的机器人100结构的示意图，机器人100包括底座120、关节110和连杆130，关节110是机器人的连接件和动力源，关节110可用于连接连杆130、关节110和底座中120的任意两个，关节110包括电机、减速机等部件，关节的编码器可以检测关节的转动角度以获取机器人的运动情况。机器人末端包括末端连接器，可以连接工具200以执行具体的操作。超球面，也称N维球面，是普通的球面在任意维度的推广，高于二维的球面称为超球面。机器人100的末端姿态，包括三个方向的转动信息，也即机器人的空间姿态是三维的向量，可以用四元数来表示机器人的空间姿态，将机器人的末端姿态对应于超球面上的点，则超球面上的任意一点代表一个姿态。
在本申请的一个实施例中，基于超球面的编码器校准方法可参图2，包括如下步骤：
S1、获取机器人上电后的初始关节角度和初始姿态；
S2、根据机器人的初始姿态，基于超球面搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态，将关节角度变化量最小的机器人姿态作为目标姿态；
S3、规划机器人从初始姿态运动至目标姿态的速度曲线，根据球面线性插值获取机器人每个插补周期的姿态并据此获取各周期的关节插补量，机器人根据各周期的关节插补量运动至目标姿态，运动过程中对编码器的零位进行校准。
针对步骤S1，机器人包括伺服电机，机器人上电后，通过伺服电机反馈的信息可以获知机器人的关节角度，根据机器人的各关节角度可以获知机器人的初始姿态。此时，机器人的关节处于制动状态，即机器人的关节不能发生旋转。
针对步骤S2，所述预设的搜索范围示例性的根据预设的机器人的姿态变化范围确定，所述预设的搜索范围可以是机器人接收用户的设定而获知，或者，所述预设的搜索范围通过机器人的出厂参数配置以设定。机器人位姿，可以通过六维的笛卡尔向量[x,y,z,Rx,Ry,Rz]表示，其中[x,y,z]是表示机器人末端的位置，[Rx,Ry,Rz]是机器人的末端姿态，所述预设的搜索范围例如可以是[0，σ]，其中σ可用于限制机器人的姿态在各方向上的运动范围，即进一步确定了基于超球面预设的搜索范围，例如，在一个可实现的实施例中，预设的搜索范围可以是[0，5°]，即机器人的姿态[Rx,Ry,Rz]在各方向的旋转角度不超过5度。机器人以初始姿态为中心，根据预设的跟随步长搜索满足条件的机器人姿态，其中，机器人的跟随步长可以根据需要预设，根据初始姿态和跟随步长，机器人可以基于超球面搜索到有限个满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态，通过比较不同机器人姿态的关节角度变化量，选择关节角度变化量最小的机器人姿态作为目标姿态。
具体的，步骤S2还包括：以机器人的初始姿态为中心，基于超球面和预设的搜索范围搜索机器人的姿态。其中，基于超球面搜索机器人的姿态时，机器人的初始姿态可以通过四元数表示，机器人的初始姿态可看作是超球面上的一点，且超球面上的每个点都可以对应机器人的一个姿态。设定机器人的初始姿态为通过欧拉角表示的[Rx,Ry,Rz]，该姿态通过四元数表示为
Figure BDA0003562463710000041
其中
Figure BDA0003562463710000042
是旋转向量且为单位向量，θ0是旋转角。
Figure BDA0003562463710000043
是一个四维向量，
Figure BDA0003562463710000044
是单位球上的一点。以初始姿态作为中心，示例性的，预设的搜索范围为[0，σ]，h＝σ/n为跟随步长，机器人下一姿态为
Figure BDA0003562463710000045
其中，
Figure BDA0003562463710000046
k＝0,…,n.故，可在超球面上遍历(n+1)3个姿态。
也即，基于预设的搜索范围，机器人可以搜索到(n+1)3个姿态，根据预设的搜索条件，可以判断当前时刻机器人的姿态是否满足预设的搜索条件，当判断为满足时，将当前的机器人姿态确定为目标姿态；同时，继续搜索满足条件的机器人姿态，并将新的机器人姿态与上一次确定的目标姿态进行比较，选择关节变化量较小的机器人姿态更新目标姿态；将以上搜索的过程进行多次重复，迭代更新目标姿态，直至搜索范围超出预设的搜索范围，说明此时已经完成了基于超球面的姿态遍历，此时获取的目标姿态为所有满足条件的机器人姿态里关节角度变化量最小的姿态。
例如，机器人的初始姿态为搜索起点，初始姿态为
Figure BDA0003562463710000047
基于初始姿态和跟随步长，搜索机器人的下一姿态
Figure BDA0003562463710000048
其中θ＝θ0+kh，
Figure BDA0003562463710000049
判断当前的机器人姿态是否超过预设的搜索范围[0，σ]，若未超过，判断当前的机器人姿态是否满足预设搜索条件，若满足，则存储机器人的当前姿态作为目标姿态；然后根据跟随步长继续搜索，搜索到下一个满足预设搜索范围和预设搜索条件的机器人姿态时，与存储的目标姿态进行比较，选择关节角度变化量更小的机器人姿态，更新目标姿态。例如，第一次执行搜索时，θ＝θ0+h，第二次搜索时，θ＝θ0+2h，不断执行搜索的过程，直至遍历基于超球面的机器人预设搜索范围内的所有机器人姿态，其中，基于预设的搜索范围，机器人可以在超球面上搜索有限个机器人姿态；若超过，则说明在预设搜索范围内的机器人姿态均已被搜索，此时结束对机器人姿态的搜索，确定目标姿态。
具体的，机器人在初始姿态到目标姿态的过程中，需要控制关节转动，编码器包括至少一个索引，关节转动过程中检测编码器的索引以实现零位校准，所述预设的搜索条件为机器人的关节旋转量不小于检测到索引所需的最大运动量。例如，常规的编码器包括一个索引，如论机器人关节的初始位置如何，机器人最多旋转360度就可以检测到索引；示例性的，当编码器包括N个索引时，所述预设的搜索条件为：机器人的关节旋转角度大于或等于360/N度。也即，当N各索引均匀分布时，机器人关节最多旋转360/N度，可以检测到最近的索引实现编码器的零位校准。
具体的，步骤S2中将关节变化量最小的机器人姿态作为目标姿态，机器人可以根据机器人姿态的逆运动学计算得到当前关节角度，根据当前关节角度和机器人上电时的初始关节角度可以确定关节角度变化量，通过比较关节角度变化量可以确定目标姿态。也即，目标姿态对应的机器人运动过程中，是机器人基于超球面的遍历结果中关节角度变化量最小的姿态，基于超球面的遍历找到了最优关节变化量对应的机器人姿态。
针对步骤S3、机器人可以基于球面线性插值算法实现基于球面几何的路径规划，当球面线性插值规划始末四元数时，四元数路径会映射到3D旋转路径，其效果与绕着固定轴做旋转运动类似。本方案中，初始姿态和目标姿态均可以用基于超球面的四元数表示，基于球面线性插值算法可以实现初始姿态到目标姿态的路径规划，得到机器人每个插补周期的机器人姿态，再根据机器人逆运动学获取机器人各插补周期的关节插补量，机器人根据各周期的关节插补量发送脉冲控制电机运动，使得机器人从初始姿态运动到目标姿态，运动过程中，对编码器的零位进行校准。
上述过程中，基于超球面搜索机器人初始姿态到目标姿态关节变化量最小的目标姿态，进行路径规划，以使得机器人从初始姿态到目标姿态运动过程中自动实现对机器人编码器的校准，同时，可以灵活的根据需求设置预设的搜索范围，机器人的末端姿态变化范围可控，且各关节运动范围小。同时，机器人的姿态是绕着笛卡尔坐标系的轴转动，在规划姿态的时候，基于超球面搜索姿态的方式能够使得机器人末端的姿态发生变化而末端的位置保持不动，避免机器人编码器校准过程中末端位移较大而引起碰撞。
进一步的，基于超球面的编码器校准方法还包括：S4、完成编码器的零位标定后，控制机器人根据所述各周期的关节插补量从目标姿态回到初始姿态。即，机器人从初始姿态运动至目标姿态的过程中，对各编码器的零位进行校准，当机器人对各编码器的零位完成校准后，机器人基于前述对初始姿态到目标姿态的各周期的关节插补量，从目标姿态运动至初始姿态，以回到机器人上电时的姿态。
参图3，图3示例性的给出了本申请一个实施例的编码器校准方法的流程图，可用于辅助理解编码器校准方法的操作流程。即，获取机器人上电后的初始姿态和初始关节角度，基于超球面和跟随步长，搜索下一个机器人姿态，并对搜索到的每一个姿态校验判断是否满足预设搜索条件，当机器人的搜索范围未超出预设的搜索范围时，持续搜索满足预设的搜索条件的机器人姿态，并将其存储为目标姿态；重复执行搜索机器人姿态的过程，每次比较机器人姿态和存储的目标姿态的关节变化量，将关节变化量较小的机器人姿态更新为目标姿态；当机器人的搜索范围超出预设的搜索范围时，说明机器人已经完成了预设搜索范围内基于超球面的姿态遍历，此时确定目标姿态，进行速度规划、路径规划，执行编码器的零位校准。
本发明另一实施例提供一种基于超球面的编码器校准装置，参图4，应用于机器人，包括：
获取单元10，用于获取机器人上电后的初始关节角度和初始姿态；
搜索单元20，用于根据机器人的初始姿态，基于超球面搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态，将关节角度变化量最小的机器人姿态作为目标姿态；
控制单元30，用于规划机器人从初始姿态运动至目标姿态的速度曲线，根据球面线性插值获取机器人每个插补周期的姿态并据此获取各周期的关节插补量，机器人根据各周期的关节插补量运动至目标姿态，运动过程中对编码器的零位进行校准。
进一步的，所述控制单元30还用于：完成编码器的零位校准后，控制机器人根据所述各周期的关节插补量从目标姿态运动回到初始姿态。
上述各装置的具体实现过程在前文中的校准方法中已经展开描述，本实施例中相关内容与前文保持一致，此处不再赘述。
本发明另一实施例提供一种基于超球面的编码器校准系统，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如前文中任一项所述的基于超球面的编码器校准方法。
最后还需要指出，由于文字表达的有限性，上述说明仅是示例性的，并非穷尽性的，本发明并不限于所披露的各实施方式，在不偏离上述示例的范围和精神的情况下，对于本领域的技术人员来说还可以作若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应以权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于超球面的编码器校准方法，应用于机器人，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取机器人上电后的初始关节角度和初始姿态；
S2、根据机器人的初始姿态，基于超球面搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态，将关节角度变化量最小的机器人姿态作为目标姿态；
S3、规划机器人从初始姿态运动至目标姿态的速度曲线，根据球面线性插值获取机器人每个插补周期的姿态并据此获取各周期的关节插补量，机器人根据各周期的关节插补量运动至目标姿态，运动过程中对编码器的零位进行校准。
2.根据权利要求1所述的基于超球面的编码器校准方法，其特征在于，所述方法还包括：S4、完成编码器的零位校准后，控制机器人根据所述各周期的关节插补量从目标姿态回到初始姿态。
3.根据权利要求1所述的基于超球面的编码器校准方法，其特征在于，步骤S2还包括：以初始姿态为中心，根据预设的跟随步长，基于超球面遍历搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态。
4.根据权利要求1所述的基于超球面的编码器校准方法，其特征在于，步骤S2基于超球面搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态，将关节角度变化量最小的机器人姿态作为目标姿态包括：
重复执行搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态，迭代更新关节角度变化量较小的机器人姿态作为目标姿态；当机器人的搜索范围超出预设的搜索范围时，停止搜索机器人姿态，确定目标姿态。
5.根据权利要求1所述的基于超球面的编码器校准方法，其特征在于，机器人的编码器包括至少一个索引，关节旋转时检测编码器的索引以实现零位校准，所述预设的搜索条件为：机器人的关节旋转量不小于能够检测到索引所需的最大运动量。
6.根据权利要求5所述的基于超球面的编码器校准方法，其特征在于，所述编码器包括N个索引，所述预设的搜索条件为：机器人的关节旋转角度大于或等于360/N度。
7.根据权利要求1所述的基于超球面的编码器校准方法，其特征在于，所述预设的搜索范围根据机器人的末端姿态变化量确定，机器人的末端姿态变化量通过用户预先设定或通过机器人的默认参数配置。
8.根据权利要求1所述的基于超球面的编码器校准方法，其特征在于，步骤S3将关节角度变化量最小的机器人姿态作为目标姿态包括：
根据机器人姿态的逆运动学计算得到当前关节角度，根据当前关节角度和机器人的初始关节角度确定关节角度变化量，进而确定关节变化量最小的机器人姿态作为目标姿态。
9.一种基于超球面的编码器校准装置，应用于机器人，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取机器人上电后的初始关节角度和初始姿态；
搜索单元，用于根据机器人的初始姿态，基于超球面搜索满足预设的搜索范围和预设的搜索条件的机器人姿态，将关节角度变化量最小的机器人姿态作为目标姿态；
控制单元，用于规划机器人从初始姿态运动至目标姿态的速度曲线，根据球面线性插值获取机器人每个插补周期的姿态并据此获取各周期的关节插补量，机器人根据各周期的关节插补量运动至目标姿态，运动过程中对编码器的零位进行校准。
10.一种基于超球面的编码器校准系统，其特征在于，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如权利要求1-8中任一项所述的基于超球面的编码器校准方法。
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