CN116330287A - 在役精度智能诊断校准的工业机器人系统及诊断校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在役精度智能诊断校准的工业机器人系统及诊断校准方法。机器人内部诊断器和机器人内部控制器安装在工业机器人本体内并相互电连接；激光跟踪仪分布在周围，电连接外部计算机设备。方法包括：将工业机器人本体的减速器的转速和扭矩输入减速机退化模型，输出定位精度，当低于阈值时预警并进行故障监测诊断；将机械臂的末端点位姿输入模型KPCA中，输出关节精度，当低于阈值时预警并进行故障监测诊断；通过多站激光跟踪仪测量装置以及高精度和正交模型进行精度状态测量；通过机器人校准软件对结果进行校准修正，完成对工业机器人本体的精度校准。本发明可以保障高精度工业机器人的稳定性和精确性，促进工业机器人可持续服役。
Description
技术领域
本发明涉及了一种工业机器人系统，具体涉及一种在役精度智能诊断校准的工业机器人系统及诊断校准方法。
背景技术
随着智能制造的推广，工业机器人作为制造过程重要的执行装备，广泛应用在各类智能化产线中。目前国产工业机器人出厂精度已达到进口工业机器人定位精度，但是长期在役过程，精度难以保持。在役精度的无诊断、不稳定和不可靠已经成为国产工业机器人开展更大规模应用的拦路虎。因此，急需工业机器人具备自诊断、自校准与高精度检测来实现工业机器人的在役精度保持。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种在役精度智能诊断校准的工业机器人系统及诊断校准方法。
本发明采用的技术方案是：
一、一种在役精度智能诊断校准的工业机器人系统：
工业机器人系统包括工业机器人本体、多站激光跟踪仪测量装置、安装有智能精度诊断模块的机器人内部诊断器和安装有机器人校准软件与机器人精度状态测量模块的机器人内部控制器，机器人内部诊断器和机器人内部控制器均安装在工业机器人本体内并相互电连接；多站激光跟踪仪测量装置包括若干激光跟踪仪，各个激光跟踪仪分布在工业机器人本体周围，各个激光跟踪仪和机器人内部控制器均电连接外部计算机设备。工业机器人本体具体可为多关节工业机器人，可以用于搬运、焊接、加工等运动操作。
所述的智能精度诊断模块包括减速机退化模型和核主成分分析故障检测模型KPCA；智能精度诊断模块可根据监测各关节减速器运动载荷、转速等运动参数，反应机器人各关节精度退化情况。
所述的机器人精度状态测量模块包括高精度三维姿态测量模型和正交视觉终端测量模型；机器人精度状态测量模块对精度退化比较严重的机器人进行校准，校准数据反馈给控制器，由智能诊断模块对校准结果进行验证；高精度三维姿态测量模型采用多站激光跟踪仪测量装置可以单站与多站实现对机器人空间坐标与空间运动轨迹进行高精度测量；正交视觉终端测量模型可利用正交双目视觉测量法对机器人终端的重复定位精度与终端姿态重复性能进行测量。
在工业机器人本体长期在役过程中，可根据机器人加速器退化模型与机器人刚度模型，反馈智能精度诊断系统进行在役精度诊断提醒，高精度三维姿态测量与正交视觉终端测量系统，可对其实际精度进行检测，基于测量结果，机器人校准软件对工业机器人模型进行校准修正使其恢复出厂精度。
二、一种工业机器人系统的诊断校准方法：
方法包括如下步骤：
首先进行信号采集，可以通过软硬件嵌入融合的形式，构建机器人数据采集系统，该系统包括机器人以及数据采集主机，机器人包括伺服系统及控制器。机器人内部控制器与数据采集主机通过工业以太网总线实现数据传输，设立电驱动类模块、机械传动系统模块以及多个控制器模块，用于实现机器人运行时关节电流、功率、温度、振动等原始数据的信号采集，进而通过采集的原始数据进行数据预处理和特征提取获得工业机器人本体的减速器的转速和扭矩以及机械臂的末端点位姿，机械臂的末端点位姿包括机械臂各关节水平夹角、位置、速度、转矩等。
对在进行的工业机器人进行故障诊断，在信号采集的基础之上，对工业机器人减速器、关节等关键部件的磨损情况进行故障监测。以定位精度为性能指标对减速器进行监测，通过减速机退化模型、整机退化模型，对机器人精度状态进行即时分析和精度预测，具体过程通过减速器精度与转速、扭矩及时间的关系公式进行预测；机器人的精度退化以减速器的精度退化为主，整机退化模型中核心为减速机退化模型。同时以机械臂的末端点位姿为性能指标对机械臂关节精度进行监测。
1)在工业机器人系统的工业机器人本体作业时，将工业机器人本体的减速器的转速和扭矩实时输入机器人内部诊断器的智能精度诊断模块的减速机退化模型中，减速机退化模型实时输出工业机器人本体的减速器的定位精度，将预设精度初始值的50％作为定位精度阈值，当减速器的定位精度低于定位精度阈值时，机器人内部诊断器进行预警，对工业机器人本体的减速器进行故障监测及在线诊断。
2)将工业机器人本体的机械臂的末端点位姿输入核主成分分析故障检测模型KPCA中，核主成分分析故障检测模型KPCA输出工业机器人本体的机械臂的关节精度，当机械臂的关节精度低于关节精度阈值时，机器人内部诊断器进行预警，对工业机器人本体的机械臂进行故障监测及在线诊断。
3)当工业机器人本体的减速器的定位精度低于定位精度阈值或机械臂的关节精度低于关节精度阈值时，通过多站激光跟踪仪测量装置以及机器人内部控制器的机器人精度状态测量模块的高精度三维姿态测量模型和正交视觉终端测量模型对工业机器人本体进行精度状态测量。
正交视觉终端测量模型利用正交双目视觉测量法可便携式的定期跟踪工业机器人终端运动在定位能力与运动姿态的性能；对大尺寸移动要求的工业机器人，以及更高精度的定位精度状态监测，需要采用多站激光跟踪仪测量装置和高精度三维姿态测量模型进行高精度空间坐标与姿态测量。
4)通过机器人校准软件对工业机器人本体的精度状态测量结果进行校准修正，完成对工业机器人本体的精度校准。
所述的步骤2)中，工业机器人本体的机械臂的末端点位姿包括通过传感器实时采集的机械臂各关节水平夹角、位置、速度和转矩等信号。
所述的步骤3)中，通过多站激光跟踪仪测量装置以及机器人内部控制器的机器人精度状态测量模块的高精度三维姿态测量模型和正交视觉终端测量模型对工业机器人本体进行精度状态测量，具体如下：
通过预设的运动位置和运动姿态控制工业机器人本体反复在两个预设校准点之间移动，利用机器人内部控制器的正交视觉终端测量模型，使用正交双目视觉测试法获取工业机器人本体在反复移动过程中的实时运动位置和实时运动姿态并输入外部计算机设备中，包括位置、旋转角、俯仰角、空间深度和偏移等；通过正交双目视觉测试法的工业机器人空间位姿测量技术，来实现非接触式空间位置精密测量。
通过预设的运动位置和运动姿态控制工业机器人本体反复在两个预设校准点之间移动，利用机器人内部控制器的高精度三维姿态测量模型，通过多站激光跟踪仪测量装置的各个激光跟踪仪工业机器人本体在反复移动过程中的实时运动位置和实时运动姿态并输入外部计算机设备中。
外部计算机设备根据获得的工业机器人本体的实时运动姿态和实时运动位置与预设的运动姿态和运动位置进行比较判断是否相同，若相同则工业机器人本体的位移精度不进行校准，若不相同则根据获得的工业机器人本体的实时运动姿态和实时运动位置、预设的运动姿态和运动位置以及两个预设校准点的预设标定数据获得工业机器人的精度状态。
所述的步骤4)中，通过机器人校准软件对工业机器人本体的精度状态测量结果进行校准修正，具体为基于工业机器人本体的精度状态测量结果，机器人校准软件通过工业机器人DH参数几何误差辨识校准方法，通过DH参数标定与零位标定，同时标定出机器人工具末端TCP点到机器人末端法兰盘中心的工具坐标系转换，对工业机器人本体中能够修改的部分DH参数进行辨识与补偿，实现机器人的误差补偿和精度校准，以提升机器人性能。
本发明的有益效果是：
本发明的工业机器人具备在役精度诊断工作，为工程自动应用场景中机器人根据应用场景的负载和运动频率，在精度失效前提出精度失效预警，以防对生产带来的损失，高精度三维姿态测量与正交视觉终端测量系统获得机器人测量结果，与校准软件共同校准精度失效机器人，恢复到出厂精度。本发明使用基于工业机器人结构特点，基于减速器退化模型、精密测量、精度校准，可以保障高精度工业机器人的稳定性和精确性，促进工业机器人可持续服役，有效保障和延长了机器人的在役精度。
附图说明
图1为本发明工业机器人系统工作方法流程图；
图2为本发明工业机器人智能诊断校准方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的在役精度智能诊断校准的工业机器人系统包括工业机器人本体、多站激光跟踪仪测量装置、安装有智能精度诊断模块的机器人内部诊断器和安装有机器人校准软件与机器人精度状态测量模块的机器人内部控制器，机器人内部诊断器和机器人内部控制器均安装在工业机器人本体内并相互电连接；多站激光跟踪仪测量装置包括若干激光跟踪仪，各个激光跟踪仪分布在工业机器人本体周围，各个激光跟踪仪和机器人内部控制器均电连接外部计算机设备。工业机器人本体具体可为多关节工业机器人，可以用于搬运、焊接、加工等运动操作。
智能精度诊断模块包括减速机退化模型和核主成分分析故障检测模型KPCA；智能精度诊断模块可根据监测各关节减速器运动载荷、转速等运动参数，反应机器人各关节精度退化情况。
机器人精度状态测量模块包括高精度三维姿态测量模型和正交视觉终端测量模型；机器人精度状态测量模块对精度退化比较严重的机器人进行校准，校准数据反馈给控制器，由智能诊断模块对校准结果进行验证；高精度三维姿态测量模型采用多站激光跟踪仪测量装置可以单站与多站实现对机器人空间坐标与空间运动轨迹进行高精度测量；正交视觉终端测量模型可利用正交双目视觉测量法对机器人终端的重复定位精度与终端姿态重复性能进行测量。
在工业机器人本体长期在役过程中，可根据机器人加速器退化模型与机器人刚度模型，反馈智能精度诊断系统进行在役精度诊断提醒，高精度三维姿态测量与正交视觉终端测量系统，可对其实际精度进行检测，基于测量结果，机器人校准软件对工业机器人模型进行校准修正使其恢复出厂精度。
如图1和图2所示，本发明的工业机器人系统的诊断校准方法包括如下步骤：
首先进行信号采集，可以通过软硬件嵌入融合的形式，构建机器人数据采集系统，该系统包括机器人以及数据采集主机，机器人包括伺服系统及控制器。机器人内部控制器与数据采集主机通过工业以太网总线实现数据传输，设立电驱动类模块、机械传动系统模块以及多个控制器模块，用于实现机器人运行时关节电流、功率、温度、振动等原始数据的信号采集，进而通过采集的原始数据进行数据预处理和特征提取获得工业机器人本体的减速器的转速和扭矩以及机械臂的末端点位姿，机械臂的末端点位姿包括机械臂各关节水平夹角、位置、速度、转矩等。
对在进行的工业机器人进行故障诊断，在信号采集的基础之上，对工业机器人减速器、关节等关键部件的磨损情况进行故障监测。以定位精度为性能指标对减速器进行监测，通过减速机退化模型、整机退化模型，对机器人精度状态进行即时分析和精度预测，具体过程通过减速器精度与转速、扭矩及时间的关系公式进行预测；机器人的精度退化以减速器的精度退化为主，整机退化模型中核心为减速机退化模型。同时以机械臂的末端点位姿为性能指标对机械臂关节精度进行监测。
1)在工业机器人系统的工业机器人本体作业时，将工业机器人本体的减速器的转速和扭矩实时输入机器人内部诊断器的智能精度诊断模块的减速机退化模型中，减速机退化模型实时输出工业机器人本体的减速器的定位精度，将预设精度初始值的50％作为定位精度阈值，当减速器的定位精度低于定位精度阈值时，机器人内部诊断器进行预警，对工业机器人本体的减速器进行故障监测及在线诊断。
2)将工业机器人本体的机械臂的末端点位姿输入核主成分分析故障检测模型KPCA中，核主成分分析故障检测模型KPCA输出工业机器人本体的机械臂的关节精度，当机械臂的关节精度低于关节精度阈值时，机器人内部诊断器进行预警，对工业机器人本体的机械臂进行故障监测及在线诊断。
步骤2)中，工业机器人本体的机械臂的末端点位姿包括通过传感器实时采集的机械臂各关节水平夹角、位置、速度、转矩等信号。
3)当工业机器人本体的减速器的定位精度低于定位精度阈值或机械臂的关节精度低于关节精度阈值时，通过多站激光跟踪仪测量装置以及机器人内部控制器的机器人精度状态测量模块的高精度三维姿态测量模型和正交视觉终端测量模型对工业机器人本体进行精度状态测量。
正交视觉终端测量模型利用正交双目视觉测量法可便携式的定期跟踪工业机器人终端运动在定位能力与运动姿态的性能；对大尺寸移动要求的工业机器人，以及更高精度的定位精度状态监测，需要采用多站激光跟踪仪测量装置和高精度三维姿态测量模型进行高精度空间坐标与姿态测量。
步骤3)中，通过多站激光跟踪仪测量装置以及机器人内部控制器的机器人精度状态测量模块的高精度三维姿态测量模型和正交视觉终端测量模型对工业机器人本体进行精度状态测量，具体如下：
通过预设的运动位置和运动姿态控制工业机器人本体反复在两个预设校准点之间移动，利用机器人内部控制器的正交视觉终端测量模型，使用正交双目视觉测试法获取工业机器人本体在反复移动过程中的实时运动位置和实时运动姿态并输入外部计算机设备中，包括位置、旋转角、俯仰角、空间深度和偏移等；通过正交双目视觉测试法的工业机器人空间位姿测量技术，来实现非接触式空间位置精密测量。
通过预设的运动位置和运动姿态控制工业机器人本体反复在两个预设校准点之间移动，利用机器人内部控制器的高精度三维姿态测量模型，通过多站激光跟踪仪测量装置的各个激光跟踪仪工业机器人本体在反复移动过程中的实时运动位置和实时运动姿态并输入外部计算机设备中。
外部计算机设备根据获得的工业机器人本体的实时运动姿态和实时运动位置与预设的运动姿态和运动位置进行比较判断是否相同，若相同则工业机器人本体的位移精度不进行校准，若不相同则根据获得的工业机器人本体的实时运动姿态和实时运动位置、预设的运动姿态和运动位置以及两个预设校准点的预设标定数据获得工业机器人的精度状态。
各个激光跟踪仪经过转站标定可以获得统一坐标系进行精度状态测量。由旋转矩阵和平移向量构建齐次变换矩阵，获得多台激光跟踪仪的坐标系之间的位置和姿态关系，用齐次变换矩阵进行坐标系统一，从而实现了公共测量点在两个坐标系间的坐标交换。
高精度三维姿态测量机器人校准系统，通过搭建多站激光跟踪仪测量系统，转站标定，获得统一坐标系。通过测量ii＝1,2,3…个公共测量点，得到两组数据组X1和X2，公共测量点的坐标为：
X1＝(x1i,y1i,z1i)
X2＝(x2i,y2i,z2i)
其中，x1i,y1i,z1i分别为主站位激光跟踪仪获取的公共点坐标系；x2i,y2i,z2i分别为从站位激光跟踪仪获取的公共点坐标系。
采用以下公式的主站位激光跟踪仪与从站位激光跟踪仪测量结果间的关系获得旋转矩阵和平移向量：
X1＝RX2+T
其中，R为旋转矩阵，T为平移向量；
处理获得等价齐次变换：
由旋转矩阵和平移向量构建齐次变换矩阵，获得多台激光跟踪仪的坐标系之间的位置和姿态关系，用齐次变换矩阵进行坐标系统一，从而实现了公共测量点在两个坐标系间的坐标交换。
4)通过机器人校准软件对工业机器人本体的精度状态测量结果进行校准修正，完成对工业机器人本体的精度校准。
步骤4)中，通过机器人校准软件对工业机器人本体的精度状态测量结果进行校准修正，具体为基于工业机器人本体的精度状态测量结果，机器人校准软件通过工业机器人DH参数几何误差辨识校准方法，通过DH参数标定与零位标定，同时标定出机器人工具末端TCP点到机器人末端法兰盘中心的工具坐标系转换，对工业机器人本体中能够修改的部分DH参数进行辨识与补偿，实现机器人的误差补偿和精度校准，以提升机器人性能。
具体可选择机器人工作空间中的立方体，使机器人末端均匀的到达立方体中的50个位置点，安装于机器人夹具上的靶球在每个位置点处均朝向激光跟踪仪；计算机通过机器人控制器读取机器人在50个位置点的关节角θ1-θ6的值，激光跟踪仪测量50个位置点的靶球位置xj、yj、zj；计算机利用50个位置点的关节角θ1至θ6，靶球位置xj、yj、zj，名义DH参数值计算修正后的DH参数。然后设置机器人新的零位点，将机器人复位到理论值的零位，使机器人运动到θ参数误差角度处，将θ参数误差角度设为机器人新的零位点；将修正后的DH参数写到机器人控制器中计算机将修正后的DH参数写到机器人控制器中，完成对机器人参数的补偿。
本发明的工业机器人系统的机器人内部诊断器的智能精度诊断模块监控减速机的精度退化，机器人内部控制器的机器人精度状态测量模块的高精度三维姿态测量模型和正交视觉终端测量模型监控机器人整体精度退化；机器人内部控制器的机器人校准软件可以根据高精度三维姿态测量模型对工业机器人精度状态识别，对其进行精度校准；智能精度诊断模块的减速机退化模型根据机器人运行工况与运行时间，对机器人减速机进行寿命估计与精度退化估计，可针对关键部件精度退化。
本发明旨在通过智能精度诊断模块、机器人校准软件、高精度三维姿态测量模型及正交视觉终端测量模型对机器人本体进行在役精度诊断及校准。保障高精度工业机器人的稳定性和精确性，促进工业机器人可持续服役。
Claims (7)
1.一种在役精度智能诊断校准的工业机器人系统，其特征在于：包括工业机器人本体、多站激光跟踪仪测量装置、安装有智能精度诊断模块的机器人内部诊断器和安装有机器人校准软件与机器人精度状态测量模块的机器人内部控制器，机器人内部诊断器和机器人内部控制器均安装在工业机器人本体内并相互电连接；多站激光跟踪仪测量装置包括若干激光跟踪仪，各个激光跟踪仪分布在工业机器人本体周围，各个激光跟踪仪和机器人内部控制器均电连接外部计算机设备。
2.根据权利要求1所述的一种在役精度智能诊断校准的工业机器人系统，其特征在于：所述的智能精度诊断模块包括减速机退化模型和核主成分分析故障检测模型KPCA。
3.根据权利要求1所述的一种在役精度智能诊断校准的工业机器人系统，其特征在于：所述的机器人精度状态测量模块包括高精度三维姿态测量模型和正交视觉终端测量模型。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种工业机器人系统的诊断校准方法，其特征在于：方法包括如下步骤：
1)在工业机器人系统的工业机器人本体作业时，将工业机器人本体的减速器的转速和扭矩实时输入机器人内部诊断器的智能精度诊断模块的减速机退化模型中，减速机退化模型实时输出工业机器人本体的减速器的定位精度，将预设精度初始值的50％作为定位精度阈值，当减速器的定位精度低于定位精度阈值时，机器人内部诊断器进行预警，对工业机器人本体的减速器进行故障监测及在线诊断；
2)将工业机器人本体的机械臂的末端点位姿输入核主成分分析故障检测模型KPCA中，核主成分分析故障检测模型KPCA输出工业机器人本体的机械臂的关节精度，当机械臂的关节精度低于关节精度阈值时，机器人内部诊断器进行预警，对工业机器人本体的机械臂进行故障监测及在线诊断；
3)当工业机器人本体的减速器的定位精度低于定位精度阈值或机械臂的关节精度低于关节精度阈值时，通过多站激光跟踪仪测量装置以及机器人内部控制器的机器人精度状态测量模块的高精度三维姿态测量模型和正交视觉终端测量模型对工业机器人本体进行精度状态测量；
4)通过机器人校准软件对工业机器人本体的精度状态测量结果进行校准修正，完成对工业机器人本体的精度校准。
5.根据权利要求4所述的一种工业机器人系统的诊断校准方法，其特征在于：所述的步骤2)中，工业机器人本体的机械臂的末端点位姿包括机械臂各关节水平夹角、位置、速度和转矩。
6.根据权利要求4所述的一种工业机器人系统的诊断校准方法，其特征在于：所述的步骤3)中，通过多站激光跟踪仪测量装置以及机器人内部控制器的机器人精度状态测量模块的高精度三维姿态测量模型和正交视觉终端测量模型对工业机器人本体进行精度状态测量，具体如下：
通过预设的运动位置和运动姿态控制工业机器人本体反复在两个预设校准点之间移动，利用机器人内部控制器的正交视觉终端测量模型，使用正交双目视觉测试法获取工业机器人本体在反复移动过程中的实时运动位置和实时运动姿态并输入外部计算机设备中；
通过预设的运动位置和运动姿态控制工业机器人本体反复在两个预设校准点之间移动，利用机器人内部控制器的高精度三维姿态测量模型，通过多站激光跟踪仪测量装置的各个激光跟踪仪工业机器人本体在反复移动过程中的实时运动位置和实时运动姿态并输入外部计算机设备中；
外部计算机设备根据获得的工业机器人本体的实时运动姿态和实时运动位置与预设的运动姿态和运动位置进行比较判断是否相同，若相同则工业机器人本体的位移精度不进行校准，若不相同则根据获得的工业机器人本体的实时运动姿态和实时运动位置、预设的运动姿态和运动位置以及两个预设校准点的预设标定数据获得工业机器人的精度状态。
7.根据权利要求4所述的一种工业机器人系统的诊断校准方法，其特征在于：所述的步骤4)中，通过机器人校准软件对工业机器人本体的精度状态测量结果进行校准修正，具体为基于工业机器人本体的精度状态测量结果，机器人校准软件通过工业机器人DH参数几何误差辨识校准方法，通过DH参数标定与零位标定，同时标定出机器人工具末端TCP点到机器人末端中心的工具坐标系转换，对工业机器人本体中DH参数进行辨识与补偿，实现机器人的误差补偿和精度校准。
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| CN202310320462.0A Pending CN116330287A (zh) | 2023-03-29 | 2023-03-29 | 在役精度智能诊断校准的工业机器人系统及诊断校准方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116330287A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117226856A (zh) * | 2023-11-16 | 2023-12-15 | 睿尔曼智能科技（北京）有限公司 | 一种基于视觉的机器人自标定方法及系统 |
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2023
- 2023-03-29 CN CN202310320462.0A patent/CN116330287A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117226856A (zh) * | 2023-11-16 | 2023-12-15 | 睿尔曼智能科技（北京）有限公司 | 一种基于视觉的机器人自标定方法及系统 |
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