工业机器人末端位姿快速测量装置及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种工业机器人末端位姿快速测量装置及其测量方法，其特征是，该装置包含平面旋转装置、同心三轴调节装置、磁性基座和靶球；首先控制工业机器人运动至待测量点，其次控制平面旋转装置带动靶球做圆周运动，通过激光跟踪仪测量靶球位置，同心三轴调节装置能够根据平面旋转装置运动主动调节靶球方向，保证靶球始终能够反射激光光线；根据测量点数据拟合旋转平面及轨迹圆心，建立末端位姿快速测量装置的坐标系{E}，则可计算得到其在测量坐标系{S}中末端位姿；通过法兰坐标系{N}与末端位姿快速测量装置坐标系{E}之间的转换矩阵，进而计算得到法兰位姿在测量坐标系{S}中的表达式，从而实现工业机器人末端的位姿测量。

Industrial robot end position and orientation quick measuring device and measuring method thereof

The invention discloses an industrial robot pose measurement device and measurement method, which is characterized in that the device comprises a plane rotation device, three concentric shaft adjusting device, magnetic base and target ball; the first motion control of industrial robots to be measured points, then the control plane rotating device drives the target ball to do circular motion by laser tracker target ball position, three concentric shaft adjusting device can take the initiative to adjust the direction of the ball target according to the plane rotary device, ensure the target ball can always reflected laser light; according to the measurement data fitting plane of rotation and the track center, the establishment of coordinate system {E} rapid measurement of end effector, can be calculated in the end attitude measurement in {S} coordinate measuring device; fast conversion between coordinates {E} matrix through the flange coordinate system {N} and end effector, and The expression of the flange position in the measuring coordinate system {S} is calculated, and the position and pose measurement of the end of the industrial robot is realized.

【技术实现步骤摘要】
工业机器人末端位姿快速测量装置及其测量方法
本专利技术涉及一种工业机器人末端位姿快速测量装置及其测量方法，属于工业机器人

技术介绍
随着高端制造业的持续发展，逐渐提高了工业机器人的绝对定位精度要求，尤其在激光焊接、激光切割以及航空航天等应用领域，研究发现通过机器人运动学参数标定技术能够实现工业机器人绝对定位精度的提升。机器人标定过程通常包含建模、测量、辨识以及补偿四个基本步骤，目前运动学参数标定方法主要分为开环法、闭环法和轴线测量法三种。其中开环法是相比于其他两种方法具有更好的标定性能，该方法首先建立机器人末端位姿的误差模型，然后利用外部测量设备测量机器人工具末端的位置或位姿。激光跟踪仪作为工业测量系统中的一种高精度大尺寸测量仪器，是目前工业机器人标定的主要外部测量设备之一，该测量设备将靶球安装在工业机器人的末端，通过激光跟踪仪测量靶球的空间位置或位姿。若要实现机器人末端位姿的测量则需要使用专用靶标，但专用靶标通常价格较高。除此以外，还可以利用三个靶球构建坐标系，但因激光跟踪仪无法自动识别靶球而需要人工干预测量过程，这将大大降低工业机器人运动学参数标定的效率，同时也引入一定的测量不确定度。靶球的激光接收范围仅为±30°，而专用靶标的激光接受范围是±45°，均无法保证工业机器人末端任意位姿的测量。综上所述，目前的工业机器人末端位姿测量设备及方法具有如下缺陷：(1)测量靶标设备(靶球或专用靶标)具有有限的测量角度范围，影响工业机器人位姿数据测量；(2)位姿测量靶标设备操作复杂或成本较高；(3)人为干预测量过程降低了工业机器人运动学参数标定效率，同时引入了较大的测量不确定度。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种工业机器人末端位姿快速测量装置及其测量方法，解决现有技术在工业机器人末端位姿测量技术的缺陷和不足，实现工业机器人末端位姿的高效率、高精度标定。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种工业机器人末端位姿快速测量装置，其特征是，包括依次连接的平面旋转装置、同心三轴调整装置、磁性基座和靶球；所述平面旋转装置包括依次连接的法兰连接件、伺服电机和横向摆臂；所述法兰连接件用于固定连接工业机器人的法兰盘；所述横向摆臂与伺服电机的输出轴固定连接；所述同心三轴调整装置包括X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机和连接模块；所述连接模块用于连接X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机；所述磁性基座位于连接模块内；所述X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机的轴线交点与靶球的球心相重合。进一步地，所述连接模块包括第一连接件、第二连接件和连接底座；所述第一连接件分别连接Z轴伺服电机和Y轴伺服电机；所述第二连接件分别连接Y轴伺服电机和X轴伺服电机；所述Z轴伺服电机的输出轴与第一连接件固定连接；所述Y轴伺服电机的输出轴穿过第一连接件后与第二连接件固定连接；所述X轴伺服电机的输出轴穿过第二连接件后与连接底座固定连接。进一步地，所述第一连接件和第二连接件均采用L形。进一步地，所述法兰连接件采用L形。进一步地，还包括总线模块，用于控制伺服电机、X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机。进一步地，所述靶球还匹配有激光跟踪仪，靶球用于接收激光跟踪仪发射的激光；所述X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机用于调整靶球位置。基于上述工业机器人末端位姿快速测量装置的测量方法，其特征是，包括如下步骤：1)对靶球空间位置数据进行测量，具体步骤如下：101)将末端位姿快速测量装置安装在工业机器人的法兰盘上，激光跟踪仪放置在待标定的工业机器人附近，使得靶球能够接收激光跟踪仪发射的激光光线；102)控制平面旋转装置转动，使靶球在三维空间中做圆周运动，激光跟踪仪依次记录靶球的运动位置P1,P2,…,Pm(m≥3)，其中在针对不同位姿时所测量的数据点相同；2)根据步骤1)得到的数据计算工业机器人末端位姿，具体步骤如下：201)根据测量点拟合平面及空间轨迹圆，求出空间轨迹圆的圆心；202)建立末端位姿快速测量装置的坐标系{E}，并根据工业机器人的法兰坐标系{N}和末端位姿快速测量装置的坐标系{E}之间的转换矩阵，计算得到工业机器人法兰坐标系{N}的空间位姿。进一步地，所述步骤102)中在平面旋转装置转动的同时，控制同心三轴调整装置，使得靶球始终能够正对激光跟踪仪。进一步地，所述步骤201)中具体步骤如下：2011)拟合靶球的运动轨迹所在平面的方程z＝Ex+Fy+G，其中，x、y、z为旋转平面上的点坐标，E、F、G表示旋转平面的参数；2012)根据最小二乘法得到运动轨迹所在平面的方程参数如下式所示：其中，(xk，yk，zk)为靶球运动轨迹上第k个测量点的坐标，m为轨迹测量点的个数；拟合平面对应的平面法向量为ni＝[E,F,-1]，由此得到与末端位姿快速测量装置坐标系{E}的Z轴同向的单位向量为ZE＝ni/|ni|；2013)将上述测量点投影至该拟合平面上，平面的法向量为ni＝[E,F,-1]，测量点(xi,yi,zi)在该拟合平面上的投影应点为(xpi,ypi,zpi)，记为Ppi，其投影公式为其中，2014)利用步骤2013)中的投影点建立拟合平面的坐标系{P}，以拟合平面与测量坐标系的Z轴交点作为坐标原点O1，初始点Pp1与最后一个测量点Ppm的连线作为坐标系的X1轴，而坐标系的Z1轴与该平面的法向量方向相同，根据坐标系的正交法则计算坐标系的Y1轴；2015)计算坐标系{P}与测量坐标系{S}之间的转换矩阵其中，Ppm为运动轨迹上第m个测量点在拟合平面上的投影坐标；根据得到测量点位置坐标数据拟合圆的轨迹模型，其中PPi表示Pi点在坐标系{P}内的坐标，SPi表示Pi点在测量坐标系{S}内的坐标。拟合圆的标准形式为(xp-xc)2+(yp-yc)2＝r2，其中，(xc,yc)和r分别表示圆弧的圆心和半径；2016)将拟合圆的标准形式转换为w＝xp2+yp2+Axp+Byp+C，利用最小二乘法，求得式中参数如下所示：其中，(xpk,ypk)为靶球运动轨迹上第k个测量点在拟合平面上的投影坐标；m为运动轨迹测量点的个数；根据上述公式计算得到轨迹的圆心坐标。进一步地，所述步骤202)中具体建立步骤如下：a)选取拟合平面的单位法向量作为末端位姿快速测量装置坐标系{E}的ZE轴；b)选取连接拟合轨迹圆心OE和点P1的单位向量v，即作为末端位姿快速测量装置坐标系{E}的XE轴；c)通过YE＝ZE×XE计算得到末端位姿快速测量装置坐标系{E}的YE轴；d)末端位姿快速测量装置坐标系在测量坐标系{S}表示，即e)建立工业机器人的法兰坐标系和末端位姿快速测量装置坐标系的转换关系，工业机器人法兰坐标系在测量坐标系内的表达式为其中，为工业机器人法兰坐标系和末端位姿快速测量装置坐标系之间的转换关系。本专利技术所达到的有益效果：1)利用单靶球实现高效率、高精度的工业机器人末端位姿测量；2)实现工业机器人大运动范围内的位姿数据测量；3)本装置具有测量过程连续、操作简单、成本低等优点。附图说明图1是本专利技术的机器人末端位姿快速测量系统示意图；图2是本专利技术的末端位姿快速测量装置示意图；图3是本专利技术的平面旋转装置结构图；图4是本专利技术的同心三轴调整装置结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工业机器人末端位姿快速测量装置，其特征是，包括依次连接的平面旋转装置、同心三轴调整装置、磁性基座和靶球；所述平面旋转装置包括依次连接的法兰连接件、伺服电机和横向摆臂；所述法兰连接件用于固定连接工业机器人的法兰盘；所述横向摆臂与伺服电机的输出轴固定连接；所述同心三轴调整装置包括X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机和连接模块；所述连接模块用于连接X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机；所述磁性基座位于连接模块内；所述X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机的轴线交点与靶球的球心相重合。

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人末端位姿快速测量装置，其特征是，包括依次连接的平面旋转装置、同心三轴调整装置、磁性基座和靶球；所述平面旋转装置包括依次连接的法兰连接件、伺服电机和横向摆臂；所述法兰连接件用于固定连接工业机器人的法兰盘；所述横向摆臂与伺服电机的输出轴固定连接；所述同心三轴调整装置包括X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机和连接模块；所述连接模块用于连接X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机；所述磁性基座位于连接模块内；所述X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机的轴线交点与靶球的球心相重合。2.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端位姿快速测量装置，其特征是，所述连接模块包括第一连接件、第二连接件和连接底座；所述第一连接件分别连接Z轴伺服电机和Y轴伺服电机；所述第二连接件分别连接Y轴伺服电机和X轴伺服电机；所述Z轴伺服电机的输出轴与第一连接件固定连接；所述Y轴伺服电机的输出轴穿过第一连接件后与第二连接件固定连接；所述X轴伺服电机的输出轴穿过第二连接件后与连接底座固定连接。3.根据权利要求2所述的一种工业机器人末端位姿快速测量装置，其特征是，所述第一连接件和第二连接件均采用L形。4.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端位姿快速测量装置，其特征是，所述法兰连接件采用L形。5.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端位姿快速测量装置，其特征是，还包括总线模块，用于控制伺服电机、X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机。6.根据权利要求1所述的一种工业机器人末端位姿快速测量装置，其特征是，所述靶球还匹配有激光跟踪仪，靶球用于接收激光跟踪仪发射的激光；所述X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机用于调整靶球位置。7.一种基于权利要求1-6任意一项所述的工业机器人末端位姿快速测量装置的测量方法，其特征是，包括如下步骤：1)对靶球空间位置数据进行测量，具体步骤如下：101)将末端位姿快速测量装置安装在工业机器人的法兰盘上，激光跟踪仪放置在待标定的工业机器人附近，使得靶球能够接收激光跟踪仪发射的激光光线；102)控制平面旋转装置转动，使靶球在三维空间中做圆周运动，激光跟踪仪依次记录靶球的运动位置P1,P2,…,Pm(m≥3)，其中在针对不同位姿时所测量的数据点相同；2)根据步骤1)得到的数据计算工业机器人末端位姿，具体步骤如下：201)根据测量点拟合平面及空间轨迹圆，求出空间轨迹圆的圆心；202)建立位姿快速测量装置的坐标系{E}，并根据工业机器人法兰坐标系{N}和末端位姿快速测量装置的坐标系{E}之间的转换矩阵，计算得到工业机器人法兰坐标系{N}的空间位姿。8.根据权利要求7所述的工业机器人末端位姿快速测量方法，其特征是，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔贵方，崔俊宇，温秀兰，王东霞，张腾飞，芮平，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32