CN207696560U - 机器人的校准系统和机器人系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人的校准系统，校准系统包括电磁标定板和工具，电磁标定板与机器人的底座相对固定，工具设置成由机器人进行传动并能够向电磁标定板发射电磁波信号，电磁标定板上设置有用于检测电磁波信号的电磁检测阵列，通过上述方式，本实用新型能够提高校准机器人的精度且结构简单。

Description

机器人的校准系统和机器人系统

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机器人的校准系统和机器人系统。

背景技术

工业机器人，一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，各制造业生产线中的点焊、弧焊接、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等作业的机器人。

工业机器人容易实现生产过程的完全自动化，提高产品的生产效率及质量，但是工业机器人在空间准确定位是其能够正常可靠工作的基本要求。现有的工业机器人在定位校准时采用摄像机进行校准，精度不高，且结构复杂。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种机器人的校准系统和机器人系统，能够提高校准机器人的精度且结构简单。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种机器人的校准系统，校准系统包括电磁标定板和工具，电磁标定板与机器人的底座相对固定，工具设置成由机器人进行传动并能够向电磁标定板发射电磁波信号，电磁标定板上设置有用于检测电磁波信号的电磁检测阵列。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的另一个技术方案是：提供一种机器人系统，机器人系统包括机器人和校准系统，校准系统包括电磁标定板、工具以及处理器，电磁标定板与机器人的底座相对固定，处理器与电磁标定板电连接，工具设置成由机器人进行传动并能够发射电磁波信号，电磁标定板上设置有电磁检测阵列，处理器根据电磁检测阵列检测的电测波信号确定工具的位置坐标。

本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型通过设置校准系统包括电磁标定板和工具，电磁标定板与机器人的底座相对固定，工具设置成由机器人进行传动并能够向电磁标定板发射电磁波信号，电磁标定板上设置有用于检测电磁波信号的电磁检测阵列，能够提高校准机器人的精度且结构简单。

附图说明

图1是本实用新型优选实施例机器人系统的结构示意图；

图2本实用新型优选实施例机器人的校准系统的部分元件以及机器人的控制系统的电连接关系示意图；

图3是本实用新型工具的优选结构示意图；

图4是本实用新型电磁标定板俯视示意图；

图5是本实用新型姿态坐标校准的原理示意图；

图6是本实用新型位置坐标校准的原理示意图；

图7是本实用新型第一实施例校准机器人的方法流程图；

图8是本实用新型第二实施例校准机器人的方法流程图；

图9是本实用新型实施例的存储介质的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的说明。

请参阅图1和图2，图1是本实用新型优选实施例机器人系统示意图，图2是本实用新型优选实施例校准机器人的装置的部分元件以及机器人的控制系统的电连接关系示意图。

在本实施例中，机器人系统包括机器人100和校准系统200。

机器人100包括底座11和多个依次首尾铰接在底座11上的轴a，b，c。例如，六轴工业机器人，图1中机器人100的三个轴仅为示意，实际数量可以为其他。机器人的底座11放置在工作平台10上。轴a首端与底座11铰接，轴b的首端与轴a的尾端铰接，轴c的首端与轴b的尾端铰接。

在本实施例中，校准系统200包括电磁标定板12、工具13以及处理器21，电磁标定板12与机器人的底座11相对固定，处理器21与电磁标定板12电连接，工具13设置成由机器人进行传动并能够发射电磁波信号。电磁标定板12上设置有电磁检测阵列22，处理器21具体与电磁检测阵列22电连接，处理器21根据电磁检测阵列22所检测的电磁波信号校准机器人。工具13连接在轴c的尾端。具体请参见下文的描述。

在本实施例中，是在校准系统200单独设置处理器21，不难理解，在其他实施例中，校准系统200可以不包括处理器21，而处理器21执行的所有功能可以由机器人100的控制系统23中的处理器实现。

请结合图1参阅图3，图3是本实用新型工具的优选结构示意图。在本实施例中，优选地，工具13包括与机器人连接的壳体131、可弹性伸缩地插设在壳体131内的触杆132、设置在触杆132内的电磁波发射器133以及用于检测触杆132伸出壳体的伸出长度的长度检测器134，长度检测器134与处理器21电连接。

优选地，壳体131可以为工具本体。

优选地，壳体131与机器人的最后一节轴c的末端的法兰连接。工具13还包括弹簧135，触杆132通过弹簧135与壳体131连接。

优选地，长度检测器134为编码器，在其他实施例中，长度检测器134也可以为光栅尺。

优选地，长度检测器134固定于壳体131的内表面。在其他实施例中，也可以位于其他位置，只要能检测触杆132伸出壳体131的长度即可。

优选地，电磁波发射器133设置在触杆132内部靠近触杆132的自由端的位置。电磁波发射器133为电磁线圈。

请结合图1参阅图4，图4是本实用新型电磁标定板俯视示意图。在本实施例中，电磁标定板12的测量表面s上设置有电磁检测矩阵，电磁检测矩阵包括纵横交错的多条金属线m,n以及与金属线m,n连接且用于检测金属线所接收到的电磁波信号的电磁检测芯片221，电磁检测芯片221与处理器21电连接，处理器21获取接收到的电磁波信号的金属线的位置形成触杆132的自由端与电磁标定板12接触点的接触位置坐标，例如，下文中所述的第一位置坐标和第二位置坐标，或者接触位置坐标。

优选地，处理器21可以通过电磁检测芯片221检测多条金属线m，n中电磁波信号最强的两根纵横交错的金属线m，n，然后根据这两条金属线m，n的位置形成接触位置坐标，这里具体指x坐标和y坐标，z坐标的确定请参见下文的描述。

优选地，如图1所示，测量表面s为不平整的表面，在其他实施例中，测量表面s也可以为平整的表面。图1中的测量表面s为不规则的不平整表面，在另一种实施方式中，测量表面s可以为类半球面状、半球面状或者碗状，从而可以使得在机器人100能够传动触杆132使触杆132接触到测量表面s上的任意一点。

优选地，在图4所示的俯视图中，显示为多条金属线m，n在工作平台上投影，在投影面中，多条金属线m,n包括多条平行于第一方向设置的第一金属线m和多条平行于第二方向设置的金属线n，第一方向和第二方向垂直。例如，电磁标定板12的工作平台10上的投影为矩形，第一方向和第二方向分别为平行于该矩形的长边和短边。

优选地，电磁标定板12与机器人100的底座11相对固定，且位置关系预先通过测量为已知，即电磁标定板12的测量表面s上任意一点的在基坐标系的坐标均为已知，包括在投影面(xy平面)的x坐标和y坐标以及由电磁标定板12自身特性确定的投影面上每一点对应z坐标(即高度坐标，由于本实施例测量表面s为不平整，所以xy平面上的点对应的高度坐标z是不相同的)。

在其他实施例中，测量表面可以为平整的表面。工具可以包括与机器人连接的壳体，设置在壳体内的电磁波发射器以及设置在壳体末端的用于检测壳体到电磁标定板距离的距离传感器。在工具不接触电磁标定板12的情况下，电磁检测芯片221通过检测电磁波发射器发射的电磁波获取壳体末端的x、y坐标，通过距离传感器测量工具到标定板的垂直距离而获取工具末端的z坐标，例如距离传感器可以为激光测距原理或超声波测距原理。

下面对利用本实用新型对机器人姿态坐标校准进行说明。

请进一步参阅图5，图5是本实用新型姿态坐标校准的原理示意图。优选地，在保持壳体131与机器人的连接点C不动的情况下，机器人根据用户输入的姿态调整数据传动壳体131以使触杆132分别接触电磁标定板12上的第一位置A和第二位置B，处理器21根据触杆132在接触第一位置A和第二位置B时电磁标定板12所检测的第一位置坐标和第二位置坐标以及长度检测器134检测的第一伸出长度s1和第二伸出长度s2获取实际的姿态变化数据，机器人100的控制系统23根据实际的姿态变化数据和用户输入的姿态调整数据对机器人进行校准。

优选地，用户输入的姿态调整数据包括第一角度值a0，实际的姿态变化数据包括第二角度值∠ACB，处理器21根据第一伸出长度s1、第二伸出长度s2、壳体131的长度L、第一位置坐标、第二位置坐标计算获取第二角度值∠ACB。

优选地，处理器21将第一伸出长度s1与壳体131的长度L相加作为三角形△ABC的第一边长CA、将第二伸出长度s2与壳体131的长度L相加作为三角形△ABC的第二边长CB、将根据第一位置坐标和第二位置坐标计算的第一位置和第二位置之间的距离AB作为三角形△ABC的第三边长AB，并进一步根据第一边长CA、第二边长CB和第三边长AB通过三角公式计算第一边长CA与第二边长CB之间的夹角∠ACB作为第二角度值∠ACB。

优选地，处理器21与机器人的控制系统23电连接，处理器21将第一角度值a0和第二角度值∠ACB的角度差值发送至机器人的控制系统23，机器人的控制系统23根据角度差值校准用户输入的姿态调整数据。

在其他实施例中，处理器21还可以根据第一角度值a0和第二角度值∠ACB的角度差值校准用户输入的姿态调整数据后反馈至机器人的控制系统23，重复上述步骤进行实时精确的校准，例如利用第一次校准后的姿态调整数据反馈给机器人的控制系统23，机器人控制系统23利用第一次校准后的姿态调整数据，再控制机器人做上述的从A到B的姿态调整运动，再次获取差值，这样无限逼近，直到获取的差值为零或者预设阈值为止。

下面对利用本实用新型对机器人位置坐标校准进行说明。

请进一步参阅图5，图5是本实用新型位置坐标校准的原理示意图。在本实施例中，机器人根据用户输入的输入位置坐标使触杆132与电磁标定板12的某一位置D接触，处理器21根据电磁标定板12检测的接触位置坐标以及长度检测器134检测的触杆132的伸出长度s3获取与输入位置坐标对应的实际位置坐标，处理器21根据实际位置坐标和输入位置坐标对机器人进行校准。

在一种实施例中，输入位置坐标用于控制壳体131的自由端E的位置，实际位置坐标为壳体131的自由端E的实际位置坐标。

优选地，处理器21与机器人的控制系统23电连接，处理器21根据伸出长度s3、从机器人的控制系统23读取的工具13的倾斜角以及电磁标定板12检测的位置坐标获取壳体131的自由端E的实际位置坐标。根据伸出长度s3、从机器人的控制系统23读取的工具13的倾斜角可以算出从D到E的方向向量，D点为接触位置坐标可以由电磁标定板12检测到，那么根据方向向量DE和D的位置坐标可以算出壳体131的自由端E的实际位置坐标。

在另一种实施例中，输入位置坐标用于控制壳体131与机器人的法兰的连接点C的位置，实际位置坐标为所述连接点C的实际位置坐标。

优选地，处理器21与机器人的控制系统23电连接，处理器21根据伸出长度s3、壳体131的长度L、从机器人的控制系统23读取的工具13的倾斜角以及电磁标定板12检测的位置坐标获取连接点C的实际位置坐标。根据伸出长度s3、壳体131的长度L、从机器人的控制系统23读取的工具13的倾斜角可以算出从D到C的方向向量，D点为接触位置坐标可以由电磁标定板12检测到，那么根据方向向量DC和D的位置坐标连接点C的实际位置坐标。

优选地，校准姿态坐标在校准位置坐标之前以使得从机器人100的控制系统23读取的工具13的倾斜角准确可靠。

优选地，处理器21根据实际位置坐标和输入位置坐标获取坐标校准矩阵并将校准矩阵发送至机器人的控制系统23，机器人的控制系统23根据校准矩阵校准用户输入的位置数据。

在其他实施例中，处理器21也可以是根据实际位置坐标和输入位置坐标的差值调整用户输入的位置坐标后反馈至机器人的控制系统23。同样采用无限逼近的原则，此处不再赘述。

以上均以机器人的基坐标系为基准，文中所述的坐标、倾斜角均是相对于基坐标系而言，为了计算方便文中将坐标系统一为在基坐标系，在其他实施例中可以统一在其他坐标系下。

请参阅图7，图7是本实用新型第一实施例机器人的校准方法流程图。在本实施例中，利用上述任意一实施例描述的校准机器人的装置对机器人进行校准。校准机器人的方法至少包括：

步骤S11：控制工具发射电磁波信号。

在步骤S11中，控制工具13发射电磁波信号。具体请参见上文的描述，此处不再赘述。

步骤S12：处理器根据电磁检测阵列所检测的电磁波信号校准机器人。

在步骤S12中，处理器21根据电磁检测阵列22所检测的电磁波信号校准机器人。具体请参见上文的描述，此处不再赘述。

请参阅图8，图8是本实用新型第二实施例机器人的校准方法流程图。在本实施例中，利用上述任意一实施例描述的校准系统对机器人进行校准。机器人的校准方法可以包括以下步骤：

步骤S21：在保持壳体与机器人的连接位置不动的情况下，机器人根据用户输入的姿态调整数据使触杆分别接触电磁标定板上的第一位置和第二位置。

步骤S22：处理器根据触杆在接触第一位置和第二位置时电磁标定板所检测的第一位置坐标和第二位置坐标以及长度检测器检测的第一伸出长度和第二伸出长度获取实际的姿态变化数据。

在步骤S21和步骤S22中，优选地，用户输入的姿态调整数据包括第一角度值a0，实际的姿态变化数据包括第二角度值∠ACB，处理器21根据第一伸出长度s1、第二伸出长度s2、壳体131的长度L、第一位置坐标、第二位置坐标计算获取第二角度值∠ACB。处理器21将第一伸出长度s1与壳体131的长度L相加作为三角形△ABC的第一边长CA、将第二伸出长度s2与壳体131的长度L相加作为三角形△ABC的第二边长CB、将根据第一位置坐标和第二位置坐标计算的第一位置和第二位置之间的距离AB作为三角形△ABC的第三边长AB，并进一步根据第一边长CA、第二边长CB和第三边长AB通过三角公式计算第一边长CA与第二边长CB之间的夹角∠ACB作为第二角度值∠ACB。

步骤S23：机器人的控制系统根据实际的姿态变化数据和用户输入的姿态调整数据对机器人进行校准。

在步骤S23中，处理器21与机器人的控制系统23电连接，处理器21将第一角度值a0和第二角度值∠ACB的角度差值发送至机器人的控制系统23，机器人的控制系统23根据角度差值校准用户输入的姿态调整数据。在其他实施例中，处理器21还可以根据第一角度值a0和第二角度值∠ACB的角度差值校准用户输入的姿态调整数据后反馈至机器人的控制系统23，重复上述步骤进行实时精确的校准，例如利用第一次校准后的姿态调整数据反馈给机器人的控制系统23，机器人控制系统23利用第一次校准后的姿态调整数据，再控制机器人做上述的从A到B的姿态调整运动，再次获取差值，这样无限逼近，直到获取的差值为零或者预设阈值为止。

以上步骤S21到步骤S23为姿态坐标校准的步骤。

优选地，在步骤S23之后还可以包括：

步骤S24：机器人根据用户输入的输入位置坐标使触杆与电磁标定板的某一位置接触。

在步骤S24中，机器人根据用户输入的输入位置坐标传动工具13的壳体131以使触杆132接触电磁标定板22的某一位置D。

步骤S25：处理器根据电磁标定板检测的接触位置坐标以及长度检测器检测的触杆的伸出长度获取与输入位置坐标对应的的实际位置坐标。

在步骤S25中，在一种实施例中，输入位置坐标用于控制壳体131的自由端E的位置，实际位置坐标为壳体131的自由端E的实际位置坐标。

优选地，处理器21与机器人的控制系统23电连接，处理器21根据伸出长度s3、从机器人的控制系统23读取的工具13的倾斜角以及电磁标定板12检测的位置坐标获取壳体131的自由端E的实际位置坐标。根据伸出长度s3、从机器人的控制系统23读取的工具13的倾斜角可以算出从D到E的方向向量，D点为接触位置坐标可以由电磁标定板12检测到，那么根据方向向量DE和D的位置坐标可以算出壳体131的自由端E的实际位置坐标。

在另一种实施例中，输入位置坐标用于控制壳体131与机器人的法兰的连接点C的位置，实际位置坐标为所述连接点C的实际位置坐标。

优选地，处理器21与机器人的控制系统23电连接，处理器21根据伸出长度s3、壳体131的长度L、从机器人的控制系统23读取的工具13的倾斜角以及电磁标定板12检测的位置坐标获取连接点C的实际位置坐标。根据伸出长度s3、壳体131的长度L、从机器人的控制系统23读取的工具13的倾斜角可以算出从D到C的方向向量，D点为接触位置坐标可以由电磁标定板12检测到，那么根据方向向量DC和D的位置坐标连接点C的实际位置坐标。

步骤S26：机器人的控制系统根据实际位置坐标和输入位置坐标对机器人进行校准。

在步骤S26中，优选地，处理器21根据实际位置坐标和输入位置坐标获取坐标校准矩阵并将校准矩阵发送至机器人的控制系统23，机器人的控制系统23根据校准矩阵校准用户输入的位置数据。

在其他实施例中，处理器21也可以是根据实际位置坐标和输入位置坐标的差值调整用户输入的位置坐标后反馈至机器人的控制系统23。同样采用无限逼近的原则，此处不再赘述。

以上从步骤S24到步骤S26为位置坐标校准的步骤。

在本实施例中为了使得在位置坐标校准时从机器人的控制系统获取的工具的倾斜角数据准确可靠，优选地，位置坐标校准的步骤在姿态坐标校准之后。可以理解，在其他实施例中，位置坐标校准的步骤和姿态坐标校准步骤的步骤先后顺序可以为其他，在其他实施例中，校准机器人的方法可以仅单独包括位置坐标校准的步骤，也可以仅包括姿态坐标校准的步骤。

图9是本实用新型实施例的存储介质的示意图。在本实施例中，存储介质30存储有可执行的程序和数据，该程序和数据可以被调用以执行上述任意一实施例所述的校准机器人的方法。该存储介质30可以为U盘、光盘、服务器等。区别于现有技术的情况，本实用新型通过设置电磁标定板、工具以及处理器，电磁标定板与机器人的底座相对固定，处理器与电磁标定板电连接，工具设置成由机器人进行传动并能够发射电磁波信号，电磁标定板上设置有电磁检测阵列，处理器根据电磁检测阵列所检测的电磁波信号校准机器人，能够提高校准机器人的精度且结构简单。

本实用新型通过设置校准系统包括电磁标定板和工具，电磁标定板与机器人的底座相对固定，工具设置成由机器人进行传动并能够向电磁标定板发射电磁波信号，电磁标定板上设置有用于检测电磁波信号的电磁检测阵列，能够提高校准机器人的精度且结构简单。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种机器人的校准系统，其特征在于，所述校准系统包括电磁标定板和工具，所述电磁标定板与所述机器人的底座相对固定，所述工具设置成由所述机器人进行传动并能够向所述电磁标定板发射电磁波信号，所述电磁标定板上设置有用于检测所述电磁波信号的电磁检测阵列。

2.根据权利要求1所述的校准系统，其特征在于，所述校准系统进一步包括处理器，所述处理器根据所述电磁检测阵列检测的所述电磁波信号确定所述工具的位置坐标。

3.根据权利要求2所述的校准系统，其特征在于，所述工具包括与所述机器人连接的壳体、可弹性伸缩地插设在所述壳体内的触杆、设置在所述触杆内的电磁波发射器以及用于检测所述触杆伸出所述壳体的伸出长度的长度检测器。

4.根据权利要求2所述的校准系统，其特征在于，所述工具包括与所述机器人连接的壳体，设置在壳体内的电磁波发射器以及设置在壳体末端的用于检测壳体到所述电磁标定板距离的距离传感器。

5.根据权利要求3所述的校准系统，其特征在于，所述电磁检测阵列包括纵横交错的多条金属线以及与所述金属线连接且用于检测所述金属线所接收到的所述电磁波信号的电磁检测芯片，所述电磁检测芯片与所述处理器电连接，所述处理器根据接收到的所述电磁波信号的所述金属线的位置获取第一位置坐标和第二位置坐标，或接触位置坐标。

6.根据权利要求3所述的校准系统，其特征在于，所述长度检测器为编码器或者光栅尺。

7.根据权利要求3所述的校准系统，其特征在于，所述长度检测器固定于所述壳体的内表面。

8.一种机器人系统，包括机器人和校准系统，所述校准系统包括电磁标定板、工具以及处理器，所述电磁标定板与所述机器人的底座相对固定，所述处理器与所述电磁标定板电连接，所述工具设置成由所述机器人进行传动并能够发射电磁波信号，所述电磁标定板上设置有电磁检测阵列，所述处理器根据所述电磁检测阵列检测的所述电磁波信号确定所述工具的位置坐标。