CN115157322A - 工业机器人空间位姿精度测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工业机器人空间位姿精度测试装置，包括分别通过无线通讯模块与主控端连接的传感器组件和位姿测量组件；所述传感器组件包括执行块、第一陀螺仪、激光测距传感器和第一无线通讯模块，所述位姿测量组件包括测量支架、接光体、第二陀螺仪和第二无线通讯模块。本发明采用激光测距传感器的特殊布置方式和配套数据处理方法，双陀螺仪的布置与同步数据处理，高精度测量靶球的设计等技术，可以获取机器人基坐标系下的空间绝对位姿，能够满足GB/T12642‑2013中提出的空间位姿绝对精度测试要求，且便于直观地观察机器人精度情况。

Description

工业机器人空间位姿精度测试装置和方法

技术领域

本发明涉及空间位姿精度测试领域，具体是一种工业机器人空间位姿精度测试装置和方法。

背景技术

空间位姿精度是工业机器人最重要的性能指标之一，主要包含空间位姿绝对精度与空间位姿重复精度。随着工业机器人离线编程技术的应用，机器人空间位姿绝对精度越来越重要。然而，空间位姿绝对精度的测量难度较大，一般需要使用高精度激光跟踪仪、拉线编码器测试装置或视觉传感器等进行测量。

高精度激光跟踪仪和拉线编码器测试装置的成本较高、操作较复杂，且测量姿态需要额外采购配套传感器，增加了使用成本。

中国专利CN 112917510 A中使用视觉传感器测量机器人的空间位姿绝对精度，但由于一般视觉传感器的精度有限，仅能测量机器人末端的空间位姿绝对精度，无法测量空间位姿重复精度，不能完整评估机器人的精度指标。而高精度视觉传感器的成本较高，环境适应性较差。

另外，中国专利CN 105865341 A和CN 109341534 A中分别提供了两种使用激光测距传感器测量机器人末端空间位姿重复精度的装置和方法，但无法测量空间位姿绝对精度，不能完整评估机器人的精度指标。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种工业机器人空间位姿精度测试装置和方法，可以获取机器人基坐标系下的空间绝对位姿，结构简单，精度高，缩短了所需时间，使用方便，对测试环境适应性好。

一种工业机器人空间位姿精度测试装置，其特征在于：包括分别通过无线通讯模块与主控端连接的传感器组件和位姿测量组件；

所述传感器组件包括执行块、第一陀螺仪、激光测距传感器和第一无线通讯模块，执行块安装在机器人末端，跟随机器人末端运动；所述第一陀螺仪安装在执行块内部，测量执行块运动姿态；若干激光测距传感器安装在执行块周围；第一无线通讯模块安装在执行块内部，将第一陀螺仪和激光测距传感器测量的数据传输给主控端；

所述位姿测量组件包括测量支架、接光体、第二陀螺仪和第二无线通讯模块，接光体安装在测量支架上，第二陀螺仪安装在测量支架内部用于测量其姿态，第二无线通讯模块安装在测量支架内部，将第二陀螺仪的数据传输给主控端。

进一步改进，所述若干激光测距传感器发射的激光束正交于一点。

进一步改进，所述接光体为测量靶球。所述测量靶球布置位置为机器人工作空间中最大立方体的测试点。

本发明还提供了一种工业机器人空间位姿精度测试方法，包括以下步骤：

1)将传感器组件的执行块安装到机器人末端，位姿测量组件放置在机器人附近的稳定平面上，并应放在传感器组件的测量区域内，位姿测量组件上的第二陀螺仪将数据通过第二无线通讯模块传递给主控端；

2)机器人带着传感器组件移动到合适位置，使得三个激光传感器发出的光照射在同一个测量靶球上，记录机器人运动参数，激光测距传感器和第一陀螺仪将数据通过第一无线通讯模块传递给主控端，求解出机器人基坐标系和测量坐标系的相对关系；

3)控制机器人依次运动到剩余测量靶球位置，并重复运动直到满足测试轮数，每次运动到指定位置时，激光测距传感器和第一陀螺仪都会将数据传递给主控端，通过计算得到机器人空间位姿绝对精度与空间位姿重复精度。

进一步改进，步骤2)所述机器人基坐标系和测量坐标系的相对关系的计算过程如下：

2.1)通过三个激光传感器得到测量靶球的球心点O的实际位置；

2.2)设坐标系V是机器人末端工具坐标系，坐标系W是位姿测量组件的测量坐标系，记点O在坐标系V中的位置为O_v，点O在坐标系W中的位置为O_w，根据坐标系变换原理，易得：

V_org_w＝O_w-R_v_w·O_v (1)

式中，V_org_w是坐标系V的原点在坐标系W中的位置，即机器人末端工具中心在测量坐标系中的位置；R_v_w是坐标系V至坐标系W的旋转矩阵，即机器人末端工具在测量坐标系中的姿态；

R_v_w＝R_v_T·R_w (2)

式中，R_v和R_w分别是第一陀螺仪和第一陀螺仪输出的旋转矩阵，R_v_T是R_v的转置；

每次测量后都得到机器人末端工具中心在测量坐标系中的位姿；

2.3)根据坐标系变换原理，得式3与式4：

R_w_b＝R_v_b·R_v_w_T (3)

式中，R_w_b是坐标系W至坐标系B的旋转矩阵，该旋转矩阵为常量；R_v_b是机器人末端工具在机器人基坐标系中的姿态，即为机器人指令姿态；R_v_w_T是R_v_w的转置，R_v_w通过式2得到；

W_org_b＝V_org_b-R_w_b·V_org_w (4)

式中，W_org_b是坐标系W的原点在坐标系B中的位置，该位置为常量；V_org_b是坐标系V的原点在坐标系B中的位置，即机器人末端工具中心在机器人基坐标系中的位置；R_w_b通过式3得到；V_org_w通过式1得到。

2.4)在同一次测试中，由于机器人基坐标系和测量坐标系的相对关系不变，易根据坐标系变换原理得到机器人末端工具中心在机器人基坐标系中的位姿[R_v_b,V_org_b]，如式5、式6所示；

R_v_b＝R_w_b·R_v_w (5)

V_org_b＝W_org_b+R_w_b·V_org_w (6)

选取位姿测量组件中心的测量靶球作为第一个被测点，求解出机器人基坐标系和测量坐标系的相对关系。

步骤2.1)所述球心点O的实际位置确定方法如下：设向量FG、向量HG和向量CG为激光束方向，三条激光束方向正交于点G；点P、点Q和点R分别为三条激光束与测量靶球表面的交点，点P、点Q和点R的位置坐标通过计算执行块的尺寸与激光测距传感器测量的数据得到；已知球面上三点坐标和测量靶球的半径，计算得到测量靶球球心的位置。

本发明有益效果在于：

1、本发明采用激光测距传感器的特殊布置方式和配套数据处理方法，双陀螺仪的布置与同步数据处理，高精度测量靶球的设计等技术，可以获取机器人基坐标系下的空间绝对位姿，能够满足GB/T 12642-2013中提出的空间位姿绝对精度测试要求，且便于直观地观察机器人精度情况；

2、发明能够同时测量GB/T 12642-2013中的空间位姿绝对精度与空间位姿重复精度，简化了测试操作，缩短了所需时间；

3、本发明使用高精度激光测距传感器进行测量，精度高，成本较低；

4、本发明结构简单，使用方便，对测试环境适应性好；

5、激光测距传感器的布置方式，可以使用体积更小的接光体(测量靶球)，整套测试装置的体积大大缩小，便于携带；

6、本发明的位姿测量组件上使用了陀螺仪，在测量过程中不再需要调水平操作，且可以支持不同方向摆放的测量，操作更加简便，适用面更广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图。

图1是传感器组件结构示意图；

图2是位姿测量组件结构示意图；

图3是实际测量时，光线和靶球相对位置示意图；

图4是实际测量时，工业机器人、传感器组件和位姿测量组件相对位置示意图；

图5是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种工业机器人空间位姿精度测试系统，该系统包括传感器组件，位姿测量组件和主控端，主控端采用计算机。其中，传感器组件如图1所示，位姿测量组件如图2所示。

如图1所示，传感器组件包括执行块1、陀螺仪2、激光测距传感器3和无线通讯模块4。使用时，所述执行块1安装在机器人末端，跟随机器人末端运动；所述陀螺仪2安装在执行块1内部，在执行块1运动时可以测量其姿态；共有三个激光测距传感器3安装在执行块1周围，三个激光测距传感器3发射的激光束正交于一点；所述无线通讯模块4安装在执行块1内部，将陀螺仪2和激光测距传感器3测量的数据传输给计算机。

如图2所示，位姿测量组件包括测量支架5、测量靶球6、陀螺仪7和无线通讯模块8。所述测量靶球6安装在测量支架5上，靶球的布置参考了GB/T12642-2013中规定的机器人工作空间中最大立方体的测试点。所述陀螺仪7安装在测量支架5内部，当测量支架5放置好后可测量其姿态；所述无线通讯模块8安装在测量支架5内部，将陀螺仪7的数据传输给计算机。

通过移动机器人末端，可以使激光测距传感器3发射的激光束都照射在同一个测量靶球6上。如图3所示，向量FG、向量HG和向量CG为激光束方向，三条激光束方向正交于点G。点O为测量靶球6的球心，点P、点Q和点R分别为三条激光束与测量靶球6表面的交点，点P、点Q和点R的位置坐标可以通过计算执行块1的尺寸与激光测距传感器3测量的数据得到。已知球面上三点(点P、点Q和点R)坐标和测量靶球6的半径，容易计算得到测量靶球6球心的位置，此时可以得到两个解(图3中的点O和点O')。而在实际情况中，如果测量靶球6的球心为点O'，则激光束会被遮挡，无法照射到点P、点Q或点R，故可排除测量靶球6的球心为点O'的情况。结合激光束方向和点O与点O'的位置相对关系，可得到测量靶球6的球心点O的实际位置。

如图4所示，点O是被激光束照射的测量靶球6的球心，坐标系V是机器人末端工具坐标系，坐标系W是位姿测量组件的测量坐标系。记点O在坐标系V中的位置为O_v，O_v的值可用前述图3的说明中给出的方法得到唯一解。记点O在坐标系W中的位置为O_w，O_w的值可以在工装加工完成后通过标定测量的方式得到。根据坐标系变换原理，易得：

V_org_w＝O_w-R_v_w·O_v (1)

式1中，V_org_w是坐标系V的原点在坐标系W中的位置，即机器人末端工具中心在测量坐标系中的位置；R_v_w是坐标系V至坐标系W的旋转矩阵，即机器人末端工具在测量坐标系中的姿态，可通过陀螺仪2和陀螺仪7的数据计算得到，如式2所述。

R_v_w＝R_v_T·R_w (2)

式2中，R_v和R_w分别是陀螺仪2和陀螺仪7输出的旋转矩阵，R_v_T是R_v的转置。

根据式1、式2，每次测量后都可以得到机器人末端工具中心在测量坐标系(坐标系W)中的位姿。

如图4所示，根据坐标系变换原理，易得式3与式4：

R_w_b＝R_v_b·R_v_w_T (3)

式3中，R_w_b是坐标系W至坐标系B的旋转矩阵，由于机器人基坐标系和测量坐标系的相对关系不变，在同一次测试中，该旋转矩阵为常量；R_v_b是机器人末端工具在机器人基坐标系中的姿态，即为机器人指令姿态，可通过计算机读取机器人指令位姿得到；R_v_w_T是R_v_w的转置，R_v_w通过式2得到。

W_org_b＝V_org_b-R_w_b·V_org_w (4)

式4中，W_org_b是坐标系W的原点在坐标系B中的位置，由于机器人基坐标系和测量坐标系的相对关系不变，在同一次测试中，该位置为常量；V_org_b是坐标系V的原点在坐标系B中的位置，即机器人末端工具中心在机器人基坐标系中的位置，可通过计算机读取机器人指令位置得到；R_w_b通过式3得到；V_org_w通过式1得到。

在同一次测试中，由于机器人基坐标系和测量坐标系的相对关系不变，易根据坐标系变换原理得到机器人末端工具中心在机器人基坐标系中的位姿[R_v_b,V_org_b]，如式5、式6所示。

R_v_b＝R_w_b·R_v_w (5)

V_org_b＝W_org_b+R_w_b·V_org_w (6)

一般地，可以选取位姿测量组件中心的测量靶球6作为第一个被测点，求解出机器人基坐标系和测量坐标系的相对关系。

根据上述方法，每次测量都可以计算得到机器人末端工具中心在机器人基坐标系(坐标系B)中的位置和姿态信息。按照同样的方法测量至满足测量次数，同时记录机器人指令位姿，再通过计算机处理，按照标准GB/T 12642中7.2章节规定的方法计算，即可得到机器人空间位姿绝对精度与空间位姿重复精度。

如图5所示，一种工业机器人空间位姿精度测试方法，包括如下步骤：

1)将传感器组件的执行块1安装到机器人末端，位姿测量组件放置在机器人附近的稳定平面上，并应放在传感器组件的测量区域内，位姿测量组件上的陀螺仪7会将数据通过无线通讯模块8传递给计算机；

2)机器人带着传感器组件移动到合适位置，使得三个激光传感器3发出的光照射在同一个测量靶球6上，记录机器人运动参数，激光测距传感器3和陀螺仪2将数据通过无线通讯模块4传递给计算机；

3)依次控制机器人依次运动到剩余四个测量靶球6位置，并重复运动直到满足测试轮数，每次运动到指定位置时，激光测距传感器3和陀螺仪2都会将数据传递给计算机；

4)采用具体实施方式中提供的算法，利用计算机中对数据进行计算，得到位姿绝对精度和位姿重复精度。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种工业机器人空间位姿精度测试装置，其特征在于：包括分别通过无线通讯模块与主控端连接的传感器组件和位姿测量组件；

所述传感器组件包括执行块、第一陀螺仪、激光测距传感器和第一无线通讯模块，执行块1安装在机器人末端，跟随机器人末端运动；所述第一陀螺仪安装在执行块1内部，测量执行块运动姿态；若干激光测距传感器安装在执行块周围；第一无线通讯模块安装在执行块内部，将第一陀螺仪和激光测距传感器3测量的数据传输给主控端；

所述位姿测量组件包括测量支架、接光体、第二陀螺仪和第二无线通讯模块，接光体安装在测量支架上，第二陀螺仪安装在测量支架内部用于测量其姿态，第二无线通讯模块安装在测量支架内部，将第二陀螺仪的数据传输给主控端。

2.根据权利要求1所述的工业机器人空间位姿精度测试装置，其特征在于：所述若干激光测距传感器发射的激光束正交于一点。

3.根据权利要求1所述的工业机器人空间位姿精度测试装置，其特征在于：所述接光体为测量靶球。

4.根据权利要求3所述的工业机器人空间位姿精度测试装置，其特征在于：所述测量靶球布置位置为机器人工作空间中最大立方体的测试点。

5.一种工业机器人空间位姿精度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将传感器组件的执行块安装到机器人末端，位姿测量组件放置在机器人附近的稳定平面上，并应放在传感器组件的测量区域内，位姿测量组件上的第二陀螺仪将数据通过第二无线通讯模块传递给主控端；

2)机器人带着传感器组件移动到合适位置，使得三个激光传感器发出的光照射在同一个测量靶球上，记录机器人运动参数，激光测距传感器和第一陀螺仪将数据通过第一无线通讯模块传递给主控端，求解出机器人基坐标系和测量坐标系的相对关系；

3)控制机器人依次运动到剩余测量靶球位置，并重复运动直到满足测试轮数，每次运动到指定位置时，激光测距传感器和第一陀螺仪都会将数据传递给主控端，通过计算得到机器人空间位姿绝对精度与空间位姿重复精度。

6.根据权利要求1所述的工业机器人空间位姿精度测试方法，其特征在于：步骤2)所述机器人基坐标系和测量坐标系的相对关系的计算过程如下：

2.1)通过三个激光传感器得到测量靶球的球心点O的实际位置；

2.2)设坐标系V是机器人末端工具坐标系，坐标系W是位姿测量组件的测量坐标系，记点O在坐标系V中的位置为O_v，点O在坐标系W中的位置为O_w，根据坐标系变换原理，易得：

V_org_w＝O_w-R_v_w·O_v (1)

式中，V_org_w是坐标系V的原点在坐标系W中的位置，即机器人末端工具中心在测量坐标系中的位置；R_v_w是坐标系V至坐标系W的旋转矩阵，即机器人末端工具在测量坐标系中的姿态；

R_v_w＝R_v_T·R_w (2)

式中，R_v和R_w分别是第一陀螺仪和第一陀螺仪输出的旋转矩阵，R_v_T是R_v的转置；

每次测量后都得到机器人末端工具中心在测量坐标系中的位姿；

2.3)根据坐标系变换原理，得式3与式4：

R_w_b＝R_v_b·R_v_w_T (3)

式中，R_w_b是坐标系W至坐标系B的旋转矩阵，该旋转矩阵为常量；R_v_b是机器人末端工具在机器人基坐标系中的姿态，即为机器人指令姿态；R_v_w_T是R_v_w的转置，R_v_w通过式2得到；

W_org_b＝V_org_b-R_w_b·V_org_w (4)

式中，W_org_b是坐标系W的原点在坐标系B中的位置，该位置为常量；V_org_b是坐标系V的原点在坐标系B中的位置，即机器人末端工具中心在机器人基坐标系中的位置；R_w_b通过式3得到；V_org_w通过式1得到。

2.4)在同一次测试中，由于机器人基坐标系和测量坐标系的相对关系不变，易根据坐标系变换原理得到机器人末端工具中心在机器人基坐标系中的位姿[R_v_b,V_org_b]，如式5、式6所示；

R_v_b＝R_w_b·R_v_w (5)

V_org_b＝W_org_b+R_w_b·V_org_w (6)

选取位姿测量组件中心的测量靶球作为第一个被测点，求解出机器人基坐标系和测量坐标系的相对关系。

7.根据权利要求6所述的工业机器人空间位姿精度测试方法，其特征在于：步骤2)所述球心点O的实际位置确定方法如下：设向量FG、向量HG和向量CG为激光束方向，三条激光束方向正交于点G；点P、点Q和点R分别为三条激光束与测量靶球6表面的交点，点P、点Q和点R的位置坐标通过计算执行块的尺寸与激光测距传感器3测量的数据得到；已知球面上三点坐标和测量靶球的半径，计算得到测量靶球球心的位置。

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