CN116079790A - 一种加工机器人的工具标定装置、方法、终端及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加工机器人的工具标定装置、方法、终端及介质，装置柔性可调的特性可使机器人工具主轴轴线得以精准拟合，并可调整机器人实际刀具刀尖点与靶球球心重合。标定方法使激光跟踪测量系统的第一坐标系与机器人法兰坐标系重合，将与刀尖点重合后的靶球位置中心点联立工具主轴轴线建立基于激光跟踪测量系统的第二坐标系。利用第一坐标系与第二坐标系的旋转矩阵关系，反向求解出工具的姿态。最终基于标定终端与激光跟踪测量系统的动态测量特性对机器人工具中心点进行误差验证及误差迭代修正，实现了机器人加工工具的高效率、高精度的标定。

Description

一种加工机器人的工具标定装置、方法、终端及介质

技术领域

本发明涉及加工机器人技术领域，具体涉及一种加工机器人的工具标定装置、方法、终端及介质。

背景技术

机器人是航空、航天、国防、机械制造等工业技术领域必需的基础生产设备。用于加工的机器人六轴法兰末端集成有切削类主轴；对于用来空间复杂轮廓产品加工的机器人，其加工路径一般都采用离线编程生成相应的加工路径程序，其工具中心点(TCP)的标定精度是判断机器人能否使用离线程序加工的关键。一般加工用机器人工具末端还集成有六维力传感器、线激光传感器、高分辨率视觉系统等反馈、测量模块，机器人在进行复杂轮廓加工时，需要利用测量模块对产品工件进行一系列位姿测量，根据测量结果调整机器人的位姿，在调整至合适的位姿后再对产品进行加工，机器人进行位姿调节时通常是以工具中心点进行位置修正和工具姿态调节，所以加工机器人工具标定精度也是保证工件加工精度的关键。

机器人工具标定传统的标定方法主要包括测量法和六点法，测量法主要是在CAD/CAM软件中测量法兰坐标系到工具中心点沿笛卡尔坐标系的X、Y、Z三个坐标方向的距离，确定相应的工具偏置值和工具的姿态；六点法是通过变换机器人的四个姿态测量空间中某一固有标定点，来标定得到机器人TCP，再沿相应的工具方向移动到空间两点，并记录两点位置来确定机器人工具姿态。前者的主要误差来源末端执行器实际安装位置与理论模型的安装位置存在较大偏差，后者的主要误差来源是机器人在较大幅度姿态变换后通过操作人员的肉眼很难准确移动机器人到达空间的标定点。

两种方法都会导致加工机器人的实际TCP与理论TCP存在较大偏差。

亟于此，为提高加工机器人的工具中心点(TCP)的标定精度，提供一种加工机器人的工具标定装置、方法、终端及介质；其标定装置柔性可调特征使得工具主轴轴线得以精准拟合、芯棒长度L_芯棒加上靶球半径D_靶/2与加工长度L_刀具长度相等即L_刀具＝L_芯棒+D_靶/2。基于与机器人法兰坐标系重合的第一坐标系的建立方法再结合其标定装置的特征，使得标定靶球球心与加工机器人刀具刀尖点重合，保证了其标定方法对机器人工具中心点的误差验证及迭代修正，显著提升了机器人工具的标定精度；标定终端及介质，使数据处理系统、机器人控制系统、激光跟踪测量系统等系统之间产生了数据传输与交互，使工具标定效率有较为明显的提升。通过一种加工机器人的工具标定装置、方法、终端及介质解决传统加工机器人工具标定精度低与效率低的现状。

发明内容

本发明解决了加工机器人工具传统标定方法精度低且效率低的问题，目的在于提供一种加工机器人的工具标定装置、方法、终端及介质，解决传统加工机器人工具标定精度低与效率低的现状。

本发明通过下述技术方案实现：

第一方面，一种加工机器人的工具标定装置，包括：

芯棒，其第一端安装至加工用刀柄内；

弧形磁铁，其设置在所述芯棒的第二端端面，所述弧形磁铁用于在所述芯棒第二端端面吸附靶球，所述弧形磁铁通过径向磁力对所述靶球进行吸附定位，保证了靶球与芯棒端面直接接触；

靶座工装，其第一端垂直固定安装在所述芯棒的外圆面上，所述靶座工装的第二端设置有用于吸附所述靶球的磁性定心安装座；

所述靶球安装在所述芯棒的第二端端面的所述弧形磁铁处或所述靶座工装的所述磁性定心安装座处；

激光跟踪仪，其设置在加工机器人的一侧，且用于采集所述靶球的空间位置坐标；

其中，当所述靶球通过所述弧形磁铁安装在所述芯棒的第二端端面时，所述靶球的球心与加工用主轴端面之间的距离和加工用刀具的刀尖点与所述加工用主轴端面的距离相等，以保证实际加工用刀具刀尖点与靶球球心重合。

第二方面，一种加工机器人的工具标定方法，基于如第一方面所述的一种加工机器人的工具标定装置，所述标定方法包括：

安装芯棒至加工用刀柄内，并调节芯棒的轴向安装位置，保证其芯棒L_芯棒加上靶球半径长度D_靶/2与加工用刀具长度L_刀具相等，L_刀具＝L_芯棒+D_靶/2，然后将安装好芯棒的刀柄装入加工机器人末端工具主轴中；

S2、安装靶球至加工机器人末端工具，加工机器人以法兰坐标系原点(默认TCP)分别绕法兰坐标系{F}的X_F轴、Y_F轴、Z_F轴进行等角度的姿态变换，激光跟踪仪在加工机器人各个姿态位置进行靶球的坐标采集，将绕加工机器人法兰坐标系的X_F轴、Y_F轴、Z_F轴旋转测量的空间点拟合得到空间球，并拟合获得绕X_F轴、Y_F轴、Z_F轴的各空间圆的法矢轴线；

S3、以空间球球心为原点，以绕X_F轴、Y_F轴、Z_F轴的空间圆的法矢轴线为坐标轴建立基于激光跟踪的第一坐标系，使得基于激光跟踪仪的第一坐标系与加工机器人法兰坐标系重合；

S4、安装靶座工装至芯棒外圆上，使靶座工装与芯棒第一端之间的距离小于靶座工装与芯棒第二端之间的距离；安装靶球至靶座工装的磁性定心安装座处；在圆周上旋转工具主轴，采集靶球的坐标，并拟合获得第一空间圆；

S5、安装靶座工装至芯棒外圆上，使靶座工装与芯棒第一端之间的距离大于靶座工装与芯棒第二端之间的距离；安装靶球至靶座工装的磁性定心安装座处；在圆周上旋转工具主轴，采集靶球的坐标，并拟合获得第二空间圆；

S6、利用第一空间圆和第二空间圆拟合得到工具主轴轴线；

S7、安装靶球至芯棒第二端端面处并用弧形磁铁吸附固定，在激光跟踪仪的第一坐标系下动态调整靶球位置，使靶球球心与工具主轴轴线重合，重合后采集该点坐标值T_T(X_T,Y_T,Z_T)，当前靶球球心在激光跟踪仪第一测量坐标系下的坐标值T_T(X_T,Y_T,Z_T)即为靶球相对于法兰坐标系原点的偏置值；

S8、以当前芯棒第二端面上的靶球球心为原点，工具主轴轴线为Z轴，自定义X轴、Y轴，建立基于激光跟踪仪第二坐标系；

S9、基于激光跟踪仪测量系统的第一坐标系和第二坐标系的旋转矩阵关系，反向求解获得加工机器人的法兰坐标系与工具坐标系的姿态关系；

S10、将此时靶球在第一坐标系下的坐标值(即靶球球心相对于加工机器人法兰坐标系原点的偏置值)，法兰坐标系与当前工具坐标系下的姿态关系均输入加工机器人控制器内，即标定出加工机器人的末端工具位置与姿态。

S11、加工机器人绕当前工具坐标系{T}的X_T轴、Y_T轴、Z_T轴进行姿态变换，激光跟踪仪对当前靶球坐标进行实时采集P_n(X_n,Y_n,Z_n)，其中n＝1,2,3,…；

S12、P_n(X_n,Y_n,Z_n)构成点集群，并计算出点集群的重心坐标T_O(X_O,Y_O,Z_O)，基于重心坐标T_O(X_O),Y_O,Z_O)计算加工机器人当前工具中心点标定最大偏差d，判定工具标定最大偏差d是否满足用户工具标定允差；若满足标定允差，整个标定流程完成；若不满足标定允差，须对标定偏差进行修正；

S13、对加工机器人工具中心点进行修正；

S14、将修正后的工具中心点坐标输入加工机器人控制系统中；

S15、重复步骤S11-S14，直至加工机器人工具中心点的标定精度满足要求。

具体地，步骤S2的具体方法包括：

设定空间球方程：(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²＝R²，

令2a＝A，2b＝B，2c＝C，a²+b²+c²-R²＝D，

变换获得矩阵：

变换矩阵获得：

其中i＝1,2,3,…,n；

求解可得空间球球心O(a,b,c)和空间球半径R；

设定空间平面方程：A₁x+B₁y+C₁z+1＝0，

变换矩阵获得：

其中A₁、B₁、C₁为空间平面的法矢系数，a₁、b₁、c₁为空间圆的坐标值，A₁、B₁、C₁、a₁、b₁、c₁均为常数；

将该空间平面方程和前一步得到的球体方程联立，即可求得空间圆心坐标O₁(a₁,b₁,c₁)和半径r。

具体地，第一空间圆通过步骤S2中的拟合方法获得；第二空间圆通过步骤S2中的拟合方法获得；

所述第一坐标系和所述第二坐标系均为利用右手定则建立的笛卡尔坐标系。

具体地，步骤S9的具体方法包括：

基于激光跟踪仪测量系统的第一坐标系和第二坐标系齐次矩阵关系：

其中，^FP_T ORG为工具坐标系{T}的原点在法兰坐标系{F}的位置，

为工具坐标系{T}与法兰坐标系{F}的姿态关系，

为激光跟踪仪测量测量系统的第一坐标系与第二坐标系的旋转矩阵关系，

为激光跟踪仪测量系统的第一坐标系与第二坐标系的位置(平移)矩阵关系；

通过第一坐标系与第二坐标系旋转矩阵关系，反向求解加工机器人的法兰坐标系{F}与工具坐标系{T}的姿态关系

具体地，以绕固定坐标轴旋转方式求解γ、β、α姿态角，建立姿态角函数公式：

其中，γ、β、α分别对应为法兰坐标系{F}的X_F轴、Y_F轴、Z_F轴与工具坐标系{T}的X_T轴、Y_T轴、Z_T轴间的夹角关系；

求解获得γ、β、α各姿态角关系的表达式：

当β≠90°时，

当β＝90°时，

当β＝-90°时，

具体地，步骤S11具体包括：加工机器人分别绕工具坐标系{T}的X_T轴、Y_T轴、Z_T轴进行姿态变换，采集第一坐标系下靶球的坐标点P₁(X₁,Y₁,Z₁)、P₂(X₂,Y₂,Z₂)、……、P_n(X_n,Y_n,Z_n)；

步骤12具体包括：对采集的坐标点集群求均值，将获得的重心坐标T_O(X_O，Y_O，Z_O)，

求取当前加工机器人工具中心点的最大偏差值d，

其中j＝1,2,3,…,n；

当加工机器人工具中心点最大偏差值d满足用户工具标定精度，即完成加工机器人工具的标定；当加工机器人工具中心点最大偏差值d不满足用户工具标定精度，须再次对加工机器人工具中心点进行修正；

步骤S13具体包括：在激光跟踪仪第一测量坐标系下将P_n(X_n，Y_n，Z_n)集群点拟合成一个球，球心坐标Qo(X_Q，Y_Q，Z_Q)是在第一坐标系下验证到的机器人的实际工具中心点，求取球心点Qo(X_Q，Y_Q，Z_Q)与机器人的当前工具中心点坐标T_T(X_T，Y_T，Z_T)在第一坐标系的各坐标间偏差值

得到基于激光跟踪仪的第一坐标系与机器人法兰坐标系的位置偏差矩阵

以机器人法兰坐标系为基准，基于

偏差值对第一坐标系位置进行修正，修正第一坐标系位置后再次测量靶球的坐标值；

步骤14：将新测量的靶球坐标值传输至机器人控制系统内；

步骤S15具体包括：验证修正后的加工机器人工具中心点是否满足标定精度，若满足，则完成标定；若不满足，并重复步骤S11-S14，对加工机器人工具中心点进行迭代修正，直至加工机器人工具中心点标定精度满足要求。

第三方面，一种加工机器人的工具标定终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序及软件与机器人控制系统通讯，与激光跟踪测量系统通讯；计算机程序及软件接受来自机器人控制系统、激光跟踪测量系统的数据；计算机程序及软件将数据处理结果传输至机器人控制系统、激光跟踪测量系统；处理器执行所述计算机程序时实现如第二方面所述的一种加工机器人的工具标定方法的步骤。

第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所述的一种加工机器人的工具标定方法的步骤。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提出了一种加工机器人工具的高精度标定装置，该标定装置的柔性可调节特点，其靶座工装可在芯棒外圆任意位置固定，用于工具主轴轴线的拟合；通过配置的柔性弹簧夹可根据加工刀具的长度调节芯棒的位置使得其芯棒L芯棒加上靶球半径长度D_靶/2与加工刀具长度L_刀具相等，L_刀具＝L_芯棒+D_靶/2；其柔性可调的特点也可适用于多种型号的加工机器人的工具标定；

本发明提出了加工机器人工具的高精度标定装置及方法，该方法将激光跟踪测量系统的第一坐标系与机器人法兰坐标系重合，利用安装在芯棒外圆上的靶球工装，在第一坐标系下可精准拟合出工具主轴轴线，利用激光跟踪测量系统的动态测量特性在第一坐标系下监控并调节靶球位置，可将靶球球心与工具主轴轴线重合，利用重合后的靶球球心点与工具主轴轴线建立第二坐标系，此时激光跟踪测量系统的第一坐标系与第二坐标系关系，即对应于机器人的法兰坐标系{F}与工具坐标系{T}的关系。在第一坐标系下靶球与工具主轴重合后的点位坐标，即为工具中心点相对于法兰坐标系原点的偏置值，基于第一坐标系与第二坐标系的旋转矩阵关系，即可求解出机器人法兰坐标系与工具坐标系的姿态关系；基于工具中心点的位置偏置、法兰坐标系与工具坐标系的姿态关系，完成了机器人的加工工具完成位姿标定。基于激光跟踪仪的动态测量特性在其第一坐标系下对机器人工具中心点进行误差验证及误差迭代修正，直至机器人工具中心点的标定精度满足使用要求。

本发明提出了加工机器人工具标定终端及介质，其在终端接收到的来自机器人控制系统或激光跟踪测量系统的数据，可直接用于数据处理软件中使用；其终端上的数据处理软件计算的结果也可快速的传输至机器人控制系统或激光跟踪测量系统；基于终端的以上特点使加工机器人的标定效率显著提升。

通过以上的条件约束，基于标定装置及方法使其加工机器人工具主轴刀尖点(TCP)与靶球球心点重合，基于标定终端与激光跟踪仪的动态测量特性对工具中心点进行误差验证，通过验证后的误差在对工具中心点标定误差进行迭代修正，以至于实现加工机器人工具中心点的高效率、高精度标定。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1是根据本发明所述的一种加工机器人的工具标定装置的结构示意图。

图2是根据本发明所述的靶座工装与芯棒的安装示意图。

图3是根据本发明所述的测量过程中第一空间圆的拟合图。

图4是根据本发明所述的测量过程中第二空间圆的拟合图。

图5是根据本发明所述的靶球球心与工具主轴轴线重合示意图。

图6是根据本发明所述的测量过程中TCP验证与修正流程示意图。

图7根据本发明所述的一种加工机器人的工具标定装置及终端与各模块通讯连接示意图。

附图标记：1-加工机器人，2-芯棒，3-靶座工装，4-靶球，5-激光跟踪仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

由于标定装置的柔性可调节特点，所以适用于任何型号的加工机器人的工具标定，该方法可使加工机器人末端工具主轴刀尖点与靶球球心重合，利用激光跟踪仪的空间测量特性、动态测量特性实现对加工机器人工具中心点的误差验证与迭代修正。利用该装置、方法及标定终端及介质可显著提高加工机器人工具中心点的标定精度与标定效率。

装置的特征在于：一种安装在加工机器人末端工具主轴上专用芯棒，该芯棒长度L_芯棒加上靶球半径(D_靶/2)与加工刀具长度L_刀具相等即L_刀具＝L_芯棒+D_靶/2；装置配置的弧形磁铁可保证靶球与芯棒端面贴合；装置配置的靶球工装可在芯棒外圆任意位置处紧固安装，用于在激光跟踪仪测量坐标系下空间圆的拟合。

方法特征在于：在加工机器人末端工具主轴上安装专用芯棒，基于激光跟踪仪的第一坐标系与加工机器人法兰坐标系重合；在主轴芯棒外圆上安装靶座工装放置靶球，在整个圆周上低速旋转主轴，激光跟踪仪进行实时测量，在靠近主轴端面位置和靠近主轴刀尖位置处分别测量并拟合空间圆，通过两个空间圆圆心可精准的拟合得到工具主轴的轴线。将靶球放置到芯棒末端端面，调整靶球球心与主轴轴线重合，以当前靶球中心点和工具主轴轴线建立第二坐标系。利用激光跟踪仪测量系统的第一坐标系与第二坐标系的旋转矩阵关系，反向求解出机器人法兰坐标系与工具坐标系的姿态关系。最后将工具中心点位坐标、工具坐标系与法兰坐标系姿态关系基于标定终端及介质输入至加工机器人控制系统。通过以上的条件约束，可使加工机器人工具主轴刀尖点(TCP)与靶球球心点重合，于是可利用激光跟踪仪动态测量的特性对加工机器人工具中心点(TCP)进行误差验证，通过工具中心点验证后的误差在对TCP点进行迭代修正，以至于实现加工机器人TCP的高精度标定。

标定终端及介质特征在于：终端的数据处理软件与机器人控制系统、激光跟踪测量系统之间通讯并产生数据交互，其在终端接收到的来自机器人控制系统或激光跟踪测量系统的数据，可直接用于数据处理软件中使用；其终端上的数据处理软件计算的结果也可快速的传输至机器人控制系统或激光跟踪测量系统；基于终端的以上特点使加工机器人的标定效率显著提升。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例提供一种加工机器人1工具高精度标定装置，其特征在于，包括芯棒2、弧形磁铁、靶座工装3、靶球4和激光跟踪仪5。

激光跟踪仪5设置在加工机器人1的一侧，且用于采集靶球4的空间位置坐标；激光跟踪仪5采用球坐标系激光跟踪仪5测量系统。

芯棒2的第一端安装至加工用刀柄内，弧形磁铁设置在芯棒2的第二端端面，弧形磁铁用于在芯棒2第二端端面吸附靶球4，弧形磁铁通过径向磁力对靶球4进行吸附定位；保证了靶球4与芯棒2第二端面直接接触。

靶座工装3的第一端垂直安装在芯棒2上，靶座工装3的第二端设置有磁性定心安装座；靶座工装3可以在芯棒2外圆上任意位置紧固安装，从而实现位置的调整。

靶球4根据需求安装在弧形磁铁处或磁性定心安装座处；

当靶球4通过弧形磁铁安装在芯棒的第二端端面时，靶球4的球心与加工用主轴端面之间的距离和加工用刀具的刀尖点与加工用主轴端面的距离相等。

芯棒2可通过柔性弹簧夹装入加工用刀柄内，根据加工刀具长度调整芯棒2的轴向安装位置，使芯棒2的长度L_芯棒2加上靶球4半径(D_靶/2)与加工用刀具长度L_刀具相等L_刀具＝L_芯棒2+D_靶/2；调整好芯棒2位置后，将芯棒2安装在加工机器人末端工具主轴上。

实施例二

基于如实施例一的一种加工机器人的工具标定装置，本实施例提供一种加工机器人的工具标定方法，标定方法包括：

S1、安装芯棒至加工用刀柄内，并调节芯棒的轴向安装位置，保证其芯棒L_芯棒加上靶球半径长度D_靶/2与加工用刀具长度L_刀具相等，L_刀具＝L_芯棒+D_靶/2，然后将安装好芯棒的刀柄装入加工机器人末端工具主轴中。

S2、安装靶球至加工机器人末端工具，加工机器人以法兰坐标系原点分别绕法兰坐标系{F}的X_F轴、Y_F轴、Z_F轴进行等角度的姿态变换，激光跟踪仪在加工机器人各个姿态位置进行靶球的坐标采集，将绕加工机器人法兰坐标系的X_F轴、Y_F轴、Z_F轴旋转测量的空间点拟合得到空间球，并拟合获得绕X_F轴、Y_F轴、Z_F轴的各空间圆的法矢轴线。

将靶球安装在末端工具上，且需要与加工机器人末端法兰线径向相隔一段距离，加工机器人以默认工具中心点(法兰坐标系原点)分别绕法兰坐标系{F}的X_F轴、Y_F轴、Z_F轴进行等角度的姿态变换,激光跟踪仪在加工机器人各姿态的位置进行空间坐标点坐标采集,将绕法兰坐标系{F}的X_F轴、Y_F轴、Z_F轴旋转测量空间点用最小二乘拟合得到空间球，拟合出绕X_F轴、Y_F轴、Z_F轴各空间圆的法矢轴线。

具体方法包括：

空间球方程：(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²＝R²，

变换方程获得：

2ax+2by+2cz-a²-b²-c²+R²＝x²+y²+z²，

令2a＝A，2b＝B，2c＝C，a²+b²+c²-R²＝D，

变换获得矩阵：

变换矩阵获得：

其中i＝1,2,3,…,n；

解得A,B,C,D，代入a＝A/2,b＝B/2，c＝C/2，

设定空间圆方程：A₁x+B₁y+C₁z+1＝0，

变换矩阵获得：

再次变换获得

其中A₁、B₁、C₁为空间平面的法矢系数，a₁、b₁、c₁为空间圆的坐标值，A₁、B₁、C₁、a₁、b₁、c₁均为常数。

将该空间平面方程和前一步得到的球体方程联立，即可求得空间圆心坐标O₁(a₁,b₁,c₁)和半径r。

S3、以空间球球心为原点，以绕X_F轴、Y_F轴、Z_F轴的空间圆的法矢轴线为坐标轴建立基于激光跟踪的第一坐标系，使得基于激光跟踪仪的第一坐标系与加工机器人法兰坐标系重合。

S4、如图3所示，在芯棒外圆上靠近主轴端面位置安装靶座工装，靶球吸附在靶座工装磁性定心安装座处，在整个圆周上低速旋转工具主轴，靶球随主轴一起旋转，激光跟踪仪对靶球坐标进行实时采集，通过步骤S2中的拟合方法获得第一空间圆。

S5、如图4所示，将芯棒外圆上的靶座工装移至芯棒端面位置处并紧固靶座工装，将靶球吸附在靶座工装磁性定心安装座处，在整个圆周上低速旋转工具主轴，靶球随主轴一起旋转，激光跟踪仪对靶球坐标进行实时采集，通过步骤S2中的拟合方法获得第二空间圆。

S6、利用第一空间圆的圆心、第二空间圆的圆心拟合得到工具主轴轴线。

S7、如图5所示，安装靶球至芯棒第二端端面处并用弧形磁铁吸附固定，在激光跟踪仪的第一坐标系下动态调整靶球位置，使靶球球心与工具主轴轴线重合，重合后采集该点坐标值T_T(X_T,Y_T,Z_T)，当前靶球球心在激光跟踪仪第一测量坐标系下的坐标值T_T(X_T,Y_T,Z_T)即为靶球相对于法兰坐标系原点的偏置值；

S8、以当前芯棒第二端面上的靶球球心为原点，工具主轴轴线为Z轴，自定义X轴、Y轴，建立基于激光跟踪仪第二坐标系；第一坐标系和第二坐标系均利用右手定则建立的笛卡尔坐标系。

S9基于激光跟踪仪测量系统的第一坐标系和第二坐标系的旋转矩阵关系，反向求解获得加工机器人的法兰坐标系与工具坐标系的姿态关系；

具体包括：

从激光跟踪仪测量软件中导出第一坐标系和第二坐标系齐次矩阵关系：

其中^FP_T ORG为工具坐标系{T}的原点在法兰坐标系{F}的位置，

为工具坐标系{T}与法兰坐标系{F}的姿态关系，

为激光跟踪仪测量系统第一坐标系与第二坐标系的旋转矩阵关系，

为激光跟踪仪测量系统第一坐标系与第二坐标系的位置矩阵关系；

通过第一坐标系与第二坐标系旋转矩阵关系，反向求解加工机器人的法兰坐标系{F}与工具坐标系{T}的姿态关系。

r₁₁、r₁₂、r₁₃、r₂₁、r₂₂、r₂₃、r₃₁、r₃₂、r₃₃为激光跟踪仪测量系统导出的常数，具体为激光跟踪仪测量系统导出的第一坐标系(对应于机器人法兰坐标系)与第二坐标系(对应于机器人工具坐标系)的旋转矩阵(姿态)关系。

X、Y、Z为激光跟踪仪测量系统导出的常数，具体为激光跟踪仪测量系统导出的第二坐标系(对应于机器人工具坐标系)原点在第一坐标系(对应于机器人法兰坐标系)的位置坐标。

以绕固定坐标轴旋转方式求解γ、β、α姿态角，建立姿态角函数公式：

其中，γ、β、α分别对应为法兰坐标系{F}的X_F轴、Y_F轴、Z_F轴与工具坐标系{T}的X_T轴、Y_T轴、Z_T轴间的夹角关系；

求解获得γ、β、α各姿态角关系的表达式：

当β≠90°时，

当β＝90°时，

当β＝-90°时，

S10、将此时靶球在第一坐标系下的坐标值、求解出的法兰坐标系与当前工具坐标系下的姿态关系均输入至加工机器人控制器内，即标定出加工机器人的末端工具位置与姿态。

本实施例还提供工具中心点(TCP)误差验证与修正方法：

S11、加工机器人绕当前工具坐标系{T}的X_T轴、Y_T轴、Z_T轴进行姿态变换，激光跟踪仪对当前靶球实时采集坐标点P₁(X₁,Y₁,Z₁)、P₂(X₂,Y₂,Z₂)、……、P_n(X_n,Y_n,Z_n)；

S12、P_n(X_n,Y_n,Z_n)构成点集群，并计算出点集群的重心坐标T_O(X_O,Y_O,Z_O)，基于重心坐标T_O(X_O,Y_O,Z_O)计算加工机器人当前工具中心点标定最大偏差d，判定工具标定最大偏差d是否满足用户工具标定允差；若满足标定允差，整个标定流程完成；若不满足标定允差，须对标定偏差进行修正。

具体包括：对采集的坐标点集群求均值，将获得的重心坐标T_O(X_O，Y_O，Z_O)，

求取当前加工机器人工具中心点的最大偏差值d，

其中j＝1,2,3,…,n；

当加工机器人工具中心点最大偏差值d满足用户工具标定精度，即完成加工机器人工具的标定；当加工机器人工具中心点最大偏差值d不满足用户工具标定精度，须再次对加工机器人工具中心点进行修正。

S13、在激光跟踪仪第一测量坐标系下将P_n(X_n，Y_n，Z_n)集群点拟合成一个球，球心坐标Qo(X_Q，Y_Q，Z_Q)是在第一坐标系下验证到的机器人的实际工具中心点，求取球心点Qo(X_Q，Y_Q，Z_Q)与机器人的当前工具中心点坐标T_T(X_T，Y_T，Z_T)在第一坐标系的各坐标间偏差值

得到基于激光跟踪仪的第一坐标系与机器人法兰坐标系的位置偏差矩阵

以机器人法兰坐标系为基准，基于

偏差值对第一坐标系位置进行修正，修正第一坐标系位置后再次测量靶球的坐标值；

S14、将新测量的靶球坐标值输入至机器人控制系统内；

S15、验证修正后的加工机器人工具中心点是否满足标定精度，若满足，则完成标定；若不满足，并重复步骤S11-S14，对加工机器人工具中心点进行迭代修正，直至加工机器人工具中心点标定精度满足要求。

实施例三

一种加工机器人工具高精度标定终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如实施例二的一种加工机器人的工具标定方法的步骤。所述计算机程序及软件与机器人控制系统通讯，与激光跟踪测量系统通讯；计算机程序及软件接收来自机器人控制系统、激光跟踪测量系统的数据；计算机程序及软件将数据处理结果传输至机器人控制系统、激光跟踪测量系统；

存储器可用于存储软件程序以及模块,处理器通过运行存储在存储器的软件程序以及模块,从而执行终端的各种功能应用以及数据处理。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的执行程序等。

存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外,存储器可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非易失性存储器,例如至少一个磁盘存储器件,闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如实施例二的一种加工机器人的工具标定方法的步骤。

不失一般性，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令数据结构,程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其他固态存储技术,CD-ROM、DVD或其他光学存储﹑磁带盒﹑磁带﹑磁盘存储或其他磁性存储设备。当然,本领域技术人员可知计算机存储介质不局限于上述几种。上述的系统存储器和大容量存储设备可以统称为存储器。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种加工机器人的工具标定装置，其特征在于，包括：

芯棒，其第一端安装至加工用刀柄内；

弧形磁铁，其设置在所述芯棒的第二端端面，所述弧形磁铁用于在所述芯棒第二端端面吸附靶球，所述弧形磁铁通过径向磁力对所述靶球进行吸附定位；

靶座工装，其第一端垂直固定安装在所述芯棒的外圆面上，所述靶座工装的第二端设置有用于吸附所述靶球的磁性定心安装座；

所述靶球安装在所述芯棒的第二端端面的所述弧形磁铁处或所述靶座工装的所述磁性定心安装座处；

激光跟踪仪，其设置在加工机器人的一侧，且用于采集所述靶球的空间位置坐标；

其中，当所述靶球通过所述弧形磁铁安装在所述芯棒的第二端端面时，所述靶球的球心与加工用主轴端面之间的距离和加工用刀具的刀尖点与所述加工用主轴端面的距离相等。

2.一种加工机器人的工具标定方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的一种加工机器人的工具标定装置，所述标定方法包括：

S1、安装芯棒至加工用刀柄内，并调节芯棒的轴向安装位置，保证其芯棒L_芯棒加上靶球半径长度D_靶/2与加工用刀具长度L_刀具相等，L_刀具＝L_芯棒+D_靶/2，然后将安装好芯棒的刀柄装入加工机器人末端工具主轴中；

S2、安装靶球至加工机器人末端工具，加工机器人以法兰坐标系原点分别绕法兰坐标系{F}的X_F轴、Y_F轴、Z_F轴进行等角度的姿态变换，激光跟踪仪在加工机器人各个姿态位置进行靶球的坐标采集，将绕加工机器人法兰坐标系的X_F轴、Y_F轴、Z_F轴旋转测量的空间点拟合得到空间球，并拟合获得绕X_F轴、Y_F轴、Z_F轴的各空间圆的法矢轴线；

S3、以空间球球心为原点，以绕X_F轴、Y_F轴、Z_F轴的空间圆的法矢轴线为坐标轴建立基于激光跟踪的第一坐标系，使得基于激光跟踪仪的第一坐标系与加工机器人法兰坐标系重合；

S4、安装靶座工装至芯棒外圆上，使靶座工装与芯棒第一端之间的距离小于靶座工装与芯棒第二端之间的距离；安装靶球至靶座工装的磁性定心安装座处；在圆周上旋转工具主轴，采集靶球的坐标，并拟合获得第一空间圆；

S5、安装靶座工装至芯棒外圆上，使靶座工装与芯棒第一端之间的距离大于靶座工装与芯棒第二端之间的距离；安装靶球至靶座工装的磁性定心安装座处；在圆周上旋转工具主轴，采集靶球的坐标，并拟合获得第二空间圆；

S6、利用第一空间圆和第二空间圆拟合得到工具主轴轴线；

S7、安装靶球至芯棒第二端端面处并用弧形磁铁吸附固定，在激光跟踪仪的第一坐标系下动态调整靶球位置，使靶球球心与工具主轴轴线重合，重合后采集该点坐标值T_T(X_T，Y_T，Z_T)，当前靶球球心在激光跟踪仪第一测量坐标系下的坐标值T_T(X_T，Y_T，Z_T)即为靶球相对于法兰坐标系原点的偏置值；

S8、以当前芯棒第二端面上的靶球球心为原点，工具主轴轴线为Z轴，自定义X轴、Y轴，建立基于激光跟踪仪第二坐标系；

S9、基于激光跟踪仪测量系统的第一坐标系和第二坐标系的旋转矩阵关系，反向求解获得加工机器人的法兰坐标系{F}与工具坐标系{T}的姿态关系；

S10、将此时靶球在第一坐标系下的坐标值、法兰坐标系与当前工具坐标系下的姿态关系均传输至加工机器人控制器内，即标定出加工机器人的末端工具位置与姿态。

3.根据权利要求2所述的一种加工机器人的工具标定方法，其特征在于，还包括加工机器人工具中心点的误差校验与迭代修正：

S11、加工机器人绕当前工具坐标系{T}的X_T轴、Y_T轴、Z_T轴进行姿态变换，激光跟踪仪对当前靶球坐标进行实时采集P_n(X_n，Y_n，Z_n)，其中n＝1，2，3，…；

S12、P_n(X_n，Y_n，Z_n)构成点集群，并计算出点集群的重心坐标T_O(X_O，Y_O，Z_O)，基于重心坐标T_O(X_O，Y_O，Z_O)计算加工机器人当前工具中心点标定最大偏差d，判定工具标定最大偏差d是否满足用户工具标定允差；若满足标定允差，整个标定流程完成；若不满足标定允差，须对标定偏差进行修正；

S13、对加工机器人工具中心点进行修正；

S14、将修正后的工具中心点坐标传输至加工机器人控制器中；

S15、重复步骤S11-S14，直至加工机器人工具中心点的标定精度满足要求。

4.根据权利要求3所述的一种加工机器人的工具标定方法，其特征在于，步骤S2的具体方法包括：

设定空间球方程：(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²＝R²，

令2a＝A，2b＝B，2c＝C，a²+b²+c²-R²＝D，

变换获得矩阵：

变换矩阵获得：

其中i＝1，2，3，...，n；

求解可得空间球球心O(a，b，c)和空间球半径R；

设定空间平面方程：A₁x+B₁y+C₁z+1＝0，

变换矩阵获得：

其中A₁、B₁、C₁为空间平面的法矢系数，a₁、b₁、c₁为空间圆的坐标值，A₁、B₁、C₁、a₁、b₁、c₁均为常数；

将该空间平面方程和前一步得到的球体方程联立，即可求得空间圆心坐标O₁(a₁，b₁，c₁)和半径r。

5.根据权利要求4所述的一种加工机器人的工具标定方法，其特征在于，第一空间圆通过步骤S2中的拟合方法获得；第二空间圆通过步骤S2中的拟合方法获得；

所述第一坐标系和所述第二坐标系均为利用右手定则建立的笛卡尔坐标系。

6.根据权利要求5所述的一种加工机器人的工具标定方法，其特征在于，步骤S9的具体方法包括：基于激光跟踪仪测量系统的第一坐标系和第二坐标系齐次矩阵关系：

其中，^FP_TORG为工具坐标系{T}的原点在法兰坐标系{F}的位置，

为工具坐标系{T}与法兰坐标系{F}的姿态关系，

为激光跟踪仪测量系统中的第一坐标系与第二坐标系的旋转矩阵关系，

为激光跟踪仪测量系统中第一坐标系与第二坐标系的位置矩阵关系；

通过第一坐标系与第二坐标系旋转矩阵关系，反向求解加工机器人的法兰坐标系{F}与工具坐标系{T}的姿态关系。

7.根据权利要求6所述的一种加工机器人的工具标定方法，其特征在于，以绕固定坐标轴旋转方式求解γ、β、α姿态角，建立姿态角函数公式：

其中，γ、β、α分别对应为法兰坐标系{F}的X_F轴、Y_F轴、Z_F轴与工具坐标系{T}的X_T轴、Y_T轴、Z_T轴间的夹角关系；

求解获得γ、β、α各姿态角关系的表达式：

当β≠90°时，

当β＝90°时，

当β＝-90°时，

8.根据权利要求7所述的一种加工机器人的工具标定方法，其特征在于，步骤S11具体包括：将姿态关系γ、β、α输入加工机器人控制器，加工机器人分别绕工具坐标系{T}的X_T轴、Y_T轴、Z_T轴进行姿态变换，采集第一坐标系下靶球的坐标点P₁(X₁，Y₁，Z₁)P₂(X₂，Y₂，Z₂)、......、P_n(X_n，Y_n，Z_n)；

步骤12具体包括：对采集的坐标点集群求均值，将获得的重心坐标T_O(X_O，Y_O，Z_O)，

求取当前加工机器人工具中心点的最大偏差值d；

其中j＝1，2，3，...，n；

当加工机器人工具中心点最大偏差值d满足用户工具标定精度，即完成加工机器人工具的标定；当加工机器人工具中心点最大偏差值d不满足用户工具标定精度，须再次对加工机器人工具中心点进行修正；

步骤S13具体包括：在激光跟踪仪第一测量坐标系下将P_n(X_n，Y_n，Z_n)集群点拟合成一个球，球心坐标Qo(X_Q，Y_Q，Z_Q)是在第一坐标系下验证到的机器人的实际工具中心点，求取球心点Qo(X_Q，Y_Q，Z_Q)与加工机器人的当前工具中心点坐标T_T(X_T，Y_T，Z_T)在第一坐标系的各坐标间偏差值

得到基于激光跟踪仪的第一坐标系与机器人法兰坐标系的位置偏差矩阵

以机器人法兰坐标系为基准，基于

偏差值对第一坐标系位置进行修正，修正第一坐标系位置后再次测量靶球的坐标值；

步骤14：将新测量的靶球坐标值传输至机器人控制系统内；

步骤S15具体包括：验证修正后的加工机器人工具中心点是否满足标定精度，若满足，则完成标定；若不满足，并重复步骤S11-S14，对加工机器人工具中心点进行迭代修正，直至加工机器人工具中心点标定精度满足要求。

9.一种加工机器人的工具标定终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序与机器人控制系统通讯，还与激光跟踪测量系统通讯；并将数据处理结果传输至机器人控制系统、激光跟踪测量系统；处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求2-8中任一项所述的一种加工机器人的工具标定方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求2-8中任一项所述的一种加工机器人的工具标定方法的步骤。

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