CN115139338A - 一种机器人tcp快速高精度标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机器人TCP快速高精度标定方法，包括以下步骤：利用激光测量仪建立机器人固定平台坐标系，设定一组初始的TCP值，保持机器人前五轴不动，测量三个位置靶球二的坐标，通过计算得到0点在X‑Y平面内的坐标，可得末端工具坐标系相对于法兰中心点在X方向的偏移量n；将末端关节旋转至0°，控制机器人绕当前TCP在Y‑Z平面内旋转60°，利用激光测量仪测量起始位置靶球一与靶球二的位置及到位后的位置，求得TCP点在Z‑Y平面内的坐标，与初始设定的TCP值进行比较，并进行补偿；本发明同现有技术相比，利用激光测量仪及靶球对机器人工具中心点TCP位置进行快速、高精度标定，其操作便捷，标定结果精度较高。
Description
[技术领域]
本发明属于机器人标定技术领域，具体地说是一种机器人TCP快速高精度标定方法。
[背景技术]
目前，随着科技的进步，机器人被越来越多地应用到工业、航天、医疗等领域，在绝大多数应用场景中，需要机器人配合末端工具完成设定的各项工作。末端工具安装于机器人末端法兰上，其加工精度及安装精度都会影响到机器人末端的运动精度。因此，在安装完末端工具后，需要对工具中心点TCP的位置进行标定。
传统的TCP标定法采用“四点定位”的方法，其标定结果精度较低，误差较大，很难应用于精度要求较高的场合。而市面上改进后的TCP标定方法，需要标定大量的数据，并且需要对数据进行繁琐的计算，虽然提高了TCP的标定精度，但其操作复杂，效率较低。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种机器人TCP快速高精度标定方法，利用激光测量仪及靶球对机器人工具中心点TCP位置进行快速、高精度标定，其操作便捷，标定结果精度较高，提升了末端工具的运动精度。
为实现上述目的设计一种机器人TCP快速高精度标定方法，包括以下步骤：
步骤1)将六自由度机器人1固定于机器人固定平台12上，机器人末端关节法兰连接末端工具2，利用激光测量仪3对机器人固定平台12建立坐标系，X-Y轴与台面相平行，Z轴与台面相垂直；
步骤2)调整机器人前五轴，使得固定末端工具2的法兰与台面相平行，末端关节转至0°，此时的位置记为机器人的初始位置；
步骤3)将靶球一4、靶球二5固定于末端工具2上，其中靶球二5固定于目标TCP点，激光测量仪3正对靶球一4与靶球二5放置；
步骤4)依据靶球二5的固定位置，先设定一组初始末端工具坐标系相对于机器人末端轴法兰的偏移量X＝n,Y＝m,Z＝k；保持机器人前五轴不动，旋转机器人末端轴，每次旋转60°，每次旋转后利用激光测量仪3测出靶球二5的当前位置，总共测量三次，记录下靶球二5的坐标P1(X1，Y1，Z1)、P2(X2，Y2，Z2)、P3(X3，Y3，Z3)，由于靶球在Z轴方向没有位移，因此只在X-Y平面分析靶球二5所做运动，将靶球二5所作运动投影至机器人末端法兰平面；
步骤5)由于靶球二5在步骤4中所作运动为绕法兰中心点旋转，因此P1、P2、P2至旋转中心的距离a1、a2、a3恒定，即a1＝a2＝a3，旋转中心坐标记为O(X0,Y0,Z0)，可得：
(X1.-Xo)2+(Y1-Yo)2＝(X2.-Xo)2+(Y2-Yo)2
(X1.-Xo)2+(Y1-Yo)2＝(X3.-Xo)2+(Y3-Yo)2
步骤6)由步骤5的公式可求得在X-Y平面内O(X0,Y0)坐标，因此可得a1及末端工具坐标系相对于法兰中心点在X方向的偏移量n，将此次计算值替换当前工具中心点在X方向的偏移量n；将末端关节旋转至0°，控制机器人绕当前TCP在Y-Z平面内旋转60°，利用激光测量仪3测量起始位置靶球一4与靶球二5的位置Q1(X4，Y4，Z4)、R1(X5，Y5，Z5)及到位后靶球一4与靶球二5的位置Q2(X6，Y6，Z6)、R2(X7，Y7，Z7)；
步骤7)由于靶球一4与靶球二5绕TCP旋转，且在X方向不产生位移，因此将运动投影至Y-Z平面内分析，Q1与TCP点9之间的距离和Q2与TCP点9之间的距离相等，R1与TCP点9之间的距离和R2与TCP点9之间的距离相等，假设TCP点9的坐标为(Xt,Yt,Zt),可得：
(Y4.-Yt)2+(Z4-Zt)2＝(Y6.-Yt)2+(Z6-Zt)2
(Y5.-Yt)2+(Z5-Zt)2＝(Y7.-Yt)2+(Z7-Zt)2
步骤8)由步骤7求得TCP点9在Z-Y平面内的坐标(Yt,Zt)，与初始设定的TCP值Y＝m,Z＝k进行比较，并对m与k值进行补偿。
进一步地，步骤6)中，将机器人末端关节旋转至0°时记录此时靶球二5的坐标R0(X0，Y0，Z0)，控制机器人在Y-Z平面内，绕当前TCP逆时针旋转30°，记录此时靶球一4的坐标Q1(X4，Y4，Z4)，靶球二5的坐标R1(X5，Y5，Z5)，控制机器人在Y-Z平面内，再绕当前TCP顺时针旋转60°，记录此时靶球一4的坐标Q2(X6，Y6，Z6)，靶球二5的坐标R2(X7，Y7，Z7)。
进一步地，步骤8)中，求得的TCP点9的坐标(Yt,Zt)为实际的TCP点，将此坐标与R0(X0，Y0，Z0)比较，当Zt<Z0,将TCP点向Z轴正方向移动|Zt-Z0|，即Z＝k-|Zt-Z0|；当Zt>Z0,将TCP点向Z轴负方向移动|Zt-Z0|，即Z＝k+|Zt-Z0|；当Yt<Y0，将TCP点向Y轴正方向移动|Yt-Y0|,即Y＝m+|Yt-Y0|；当Yt>Y0，将TCP点向Y轴负方向移动|Yt-Y0|,即Y＝m-|Yt-Y0|。
本发明同现有技术相比，提供了一种利用激光测量仪及靶球对机器人工具中心点(TCP)位置进行快速、高精度标定的方法，该标定方法比传统的“四点定位”拟合球面来求得TCP的方法精度更高，且测量方法便捷，实际只需测量七个点的位置，就可以实现对TCP位置的标定。此外，本发明所述标定方法后续的数据处理较为简单，可以达到快速标定TCP的目的，其操作简单，标定精度较高。综上，本发明TCP标定方法仅需改变机器人的末端姿态，采集点数据便可计算得到TCP的补偿值，其操作便捷、可行性高，且不需要触碰机器人，避免了人为误差，其标定结果精度较高，提升了末端工具的运动精度。
[附图说明]
图1是本发明机器人与激光测量仪的相对位置图；
图2是本发明机器人末端关节运转位置示意图；
图3是本发明机器人末端关节旋转位置在X-Y平面内投影位置示意图；
图4是本发明机器人绕TCP在Y-Z平面内旋转示意图；
图5是本发明末端工具绕TCP旋转在Y-Z平面投影示意图；
图中：1、六自由度机器人 2、末端工具 3、激光测量仪 4、靶球一 5、靶球二 6、末端关节位置一 7、末端关节位置二 8、末端关节位置三 9、TCP点 10、绕TCP旋转位置一 11、绕TCP旋转位置二 12、机器人固定平台。
[具体实施方式]
下面结合附图和具体实施例对本发明作以下进一步说明：
本发明提供了一种利用激光测量仪及靶球对机器人工具中心点(TCP)位置进行快速、高精度标定的方法，如附图1所示，为本发明使用的六自由度机器人与激光测距仪摆放的相对位置关系，六自由度机器人1固定于机器人固定平台12上，末端工具2与机器人末端关节法兰用螺钉连接，将靶球一4与靶球二5固定于末端工具2之上，靶球二5固定于目标TCP点，即期望的工具坐中心点，固定方位如附图2所示。具体包括以下步骤：
首先，调整机器人前五轴，使得末端法兰平面平行于机器人固定平台12，将机器人末端关节旋转至零度，此时记为为机器人的初始姿态，将激光测量仪3正对靶球一4与靶球二5放置。
利用激光测量仪建立机器人固定平台坐标系，建立的坐标系如附图4所示，X-Y平面与平台相平行，Z轴与平台相垂直，此实施例中的坐标均转换至平台坐标系中。
然后，按照末端工具的参考尺寸，设定一组初始的TCP值，X＝n,Y＝m,Z＝K，其示意图如附图2所示，本实施例将进一步标定测量实际的n、m、k的值。
在初始位姿保持机器人前五轴不动，旋转机器人末端轴，从末端关节位置一6开始，旋转60°至末端关节位置二7，再旋转60°至末端关节位置三8，依次测量三个位置靶球二5的坐标，记为P1(X1，Y1，Z1)、P2(X2，Y2，Z2)、P3(X3，Y3，Z3)，其位置关系如附图2所示，末端关节在Z轴方向不产生运动，因此将靶球在三个位置的位移运动投影至X-Y平面，其位置关系如附图3所示。
由于靶球二5绕轴六中心点O旋转，因此a1＝a2＝a3，O点坐标记为O(X0,Y0,Z0)，可得：
(X1.-Xo)2+(Y1-Yo)2＝(X2.-Xo)2+(Y2-Yo)2
(X1.-Xo)2+(Y1-Yo)2＝(X3.-Xo)2+(Y3-Yo)2
通过计算得到0点在X-Y平面内的坐标(X0,Y0)，计算可得a1及末端工具坐标系相对于法兰中心点在X方向的偏移量n，将此次计算值替换当前工具中心点在X方向的偏移量n。
将机器人运动回初始位置记录此时靶球二5的坐标R0(X0，Y0，Z0)；控制机器人在Y-Z平面内，绕当前TCP逆时针旋转30°，记录此时靶球一4的坐标Q1(X4，Y4，Z4)，靶球二5的坐标R1(X5，Y5，Z5)；控制机器人在Y-Z平面内，再绕当前TCP顺时针旋转60°，记录此时靶球一4的坐标Q2(X6，Y6，Z6)，靶球二5的坐标R2(X7，Y7，Z7)。因为靶球一4与靶球二5绕TCP旋转，且在X方向没有产生位移，因此将运动投影至Y-Z平面内分析，其运动的位置关系如附图5所示。
两靶球均为绕TCP点9运动，因此d1＝d2,d3＝d4，假设TCP点9在Y-Z平面内的坐标为(Yt,Zt)，可得：
(Y4.-Yt)2+(Z4-Zt)2＝(Y6.-Yt)2+(Z6-Zt)2
(Y5.-Yt)2+(Z5-Zt)2＝(Y7.-Yt)2+(Z7-Zt)2
最后，通过上式计算可得TCP点9的坐标(Yt,Zt)，此为实际的TCP点，将此坐标与R0(X0，Y0，Z0)比较；当Zt<Z0,将TCP点向Z轴正方向移动|Zt-Z0|，即Z＝k-|Zt-Z0|；当Zt>Z0,将TCP点向Z轴负方向移动|Zt-Z0|，即Z＝k+|Zt-Z0|；当Yt<Y0，将TCP点向Y轴正方向移动|Yt-Y0|,即Y＝m+|Yt-Y0|；当Yt>Y0，将TCP点向Y轴负方向移动|Yt-Y0|,及Y＝m-|Yt-Y0|。
为了验证本发明的具体效果，进行实例测试。标定前将靶球二5在Y-Z平面内绕TCP旋转，依据末端工具的尺寸取理论TCP点为(16.633,2.940,163.455)记录4个角度时靶球二5的坐标，将坐标转换至固定平台坐标系内，得到下表1：
表1
利用本发明所述方法，对TCP进行标定，并补偿，补偿后再记录此时4个角度时靶球二5的坐标，将坐标转换至固定平台坐标系内，得到下表2：
表2
从标定后的测量数据可知，标定后的TCP误差很小，此方法标定的精度较高且可靠性较好。
综上所述，本发明的TCP标定方法仅需改变机器人的末端姿态，采集点数据便可计算得到TCP的补偿值，其操作便捷、可行性高，且不需要触碰机器人，避免了人为误差，其标定结果精度较高，提升了末端工具的运动精度。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种机器人TCP快速高精度标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)将六自由度机器人(1)固定于机器人固定平台(12)上，机器人末端关节法兰连接末端工具(2)，利用激光测量仪(3)对机器人固定平台(12)建立坐标系，X-Y轴与台面相平行，Z轴与台面相垂直；
步骤2)调整机器人前五轴，使得固定末端工具(2)的法兰与台面相平行，末端关节转至0°，此时的位置记为机器人的初始位置；
步骤3)将靶球一(4)、靶球二(5)固定于末端工具(2)上，其中靶球二(5)固定于目标TCP点，激光测量仪(3)正对靶球一(4)与靶球二(5)放置；
步骤4)依据靶球二(5)的固定位置，先设定一组初始末端工具坐标系相对于机器人末端轴法兰的偏移量X＝n,Y＝m,Z＝k；保持机器人前五轴不动，旋转机器人末端轴，每次旋转60°，每次旋转后利用激光测量仪(3)测出靶球二(5)的当前位置，总共测量三次，记录下靶球二(5)的坐标P1(X1，Y1，Z1)、P2(X2，Y2，Z2)、P3(X3，Y3，Z3)，由于靶球在Z轴方向没有位移，因此只在X-Y平面分析靶球二(5)所做运动，将靶球二(5)所作运动投影至机器人末端法兰平面；
步骤5)由于靶球二(5)在步骤4中所作运动为绕法兰中心点旋转，因此P1、P2、P2至旋转中心的距离a1、a2、a3恒定，即a1＝a2＝a3，旋转中心坐标记为O(X0,Y0,Z0)，可得：
(X1.-Xo)2+(Y1-Yo)2＝(X2.-Xo)2+(Y2-Yo)2
(X1.-Xo)2+(Y1-Yo)2＝(X3.-Xo)2+(Y3-Yo)2
步骤6)由步骤5的公式可求得在X-Y平面内O(X0,Y0)坐标，因此可得a1及末端工具坐标系相对于法兰中心点在X方向的偏移量n，将此次计算值替换当前工具中心点在X方向的偏移量n；将末端关节旋转至0°，控制机器人绕当前TCP在Y-Z平面内旋转60°，利用激光测量仪(3)测量起始位置靶球一(4)与靶球二(5)的位置Q1(X4，Y4，Z4)、R1(X5，Y5，Z5)及到位后靶球一(4)与靶球二(5)的位置Q2(X6，Y6，Z6)、R2(X7，Y7，Z7)；
步骤7)由于靶球一(4)与靶球二(5)绕TCP旋转，且在X方向不产生位移，因此将运动投影至Y-Z平面内分析，Q1与TCP点(9)之间的距离和Q2与TCP点(9)之间的距离相等，R1与TCP点(9)之间的距离和R2与TCP点(9)之间的距离相等，假设TCP点(9)的坐标为(Xt,Yt,Zt),可得：
(Y4.-Yt)2+(Z4-Zt)2＝(Y6.-Yt)2+(Z6-Zt)2
(Y5.-Yt)2+(Z5-Zt)2＝(Y7.-Yt)2+(Z7-Zt)2
步骤8)由步骤7求得TCP点(9)在Z-Y平面内的坐标(Yt,Zt)，与初始设定的TCP值Y＝m,Z＝k进行比较，并对m与k值进行补偿。
2.如权利要求1所述的机器人TCP快速高精度标定方法，其特征在于：步骤6)中，将机器人末端关节旋转至0°时记录此时靶球二(5)的坐标R0(X0，Y0，Z0)，控制机器人在Y-Z平面内，绕当前TCP逆时针旋转30°，记录此时靶球一(4)的坐标Q1(X4，Y4，Z4)，靶球二(5)的坐标R1(X5，Y5，Z5)，控制机器人在Y-Z平面内，再绕当前TCP顺时针旋转60°，记录此时靶球一(4)的坐标Q2(X6，Y6，Z6)，靶球二(5)的坐标R2(X7，Y7，Z7)。
3.如权利要求2所述的机器人TCP快速高精度标定方法，其特征在于：步骤8)中，求得的TCP点(9)的坐标(Yt,Zt)为实际的TCP点，将此坐标与R0(X0，Y0，Z0)比较，当Zt<Z0,将TCP点向Z轴正方向移动|Zt-Z0|，即Z＝k-|Zt-Z0|；当Zt>Z0,将TCP点向Z轴负方向移动|Zt-Z0|，即Z＝k+|Zt-Z0|；当Yt<Y0，将TCP点向Y轴正方向移动|Yt-Y0|,即Y＝m+|Yt-Y0|；当Yt>Y0，将TCP点向Y轴负方向移动|Yt-Y0|,即Y＝m-|Yt-Y0|。
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