工业机器人绝对精度标定系统及标定方法技术方案

本发明专利技术公开了一种工业机器人绝对精度标定系统及方法。所述标定系统包括三球座装置、末端测量装置、机器人、通讯线缆及计算机等。所述标定方法包括：利用固定的三球座装置建立用于描述机器人基坐标系的世界坐标系；利用安装于机器人法兰的末端测量装置测量机器人末端位置误差信息；利用计算机读取位置误差数据和机器人关节角数据；最后，将测得的所有数据代入计算机中的绝对精度标定算法，进行迭代计算，得到描述于世界坐标系下的精确运动学模型。利用本发明专利技术的标定系统和标定方法，可以准确地标定机器人基坐标系的位姿及机器人运动学参数，进而提高机器人绝对定位精度。

【技术实现步骤摘要】
工业机器人绝对精度标定系统及标定方法
本专利技术涉及一种机器人标定方法，特别涉及一种工业机器人绝对精度标定系统及标定方法，至少用于实现对机器人基坐标系位姿和机器人本体运动学参数的标定，属于机器人运动学标定领域。
技术介绍
随着机器人应用技术的发展，制造业企业对工业机器人离线编程技术的应用需求越来越高，尤其是在汽车制造、航空制造等行业。目前，工业机器人通常具有较高重复定位精度，但其绝对定位精度偏低，这主要是由机器人运动学参数存在误差及机器人基坐标系难以精确定位的问题引起，从而影响了包括离线编程作业在内的一些机器人应用的可靠性和精度。而机器人运动学标定可以有效地提高机器人绝对定位精度，具有较大的研究意义。根据是否标定机器人基坐标系与外界物理环境的转换关系，机器人运动学标定可分为绝对标定与相对标定。相对标定仅考虑机器人本体运动学参数误差的标定。而绝对标定在标定运动学参数的基础上，同时对机器人基坐标系的位姿进行标定。基坐标系是描述机器人关节坐标系及末端位置的基准，因此，对机器人基坐标系的准确标定是实现机器人精确位置控制的重要前提。传统机器人标定方法通常借助外部测量设备获取机器人位姿误差信息，如激光跟踪仪等仪器，但存在成本高、设备笨重及操作技术门槛较高的缺点。因此，新型的低成本机器人标定方法被广泛研究。这些标定方法大多利用传感器或物理约束获取机器人末端位姿误差信息，实现机器人运动学参数标定，从而提高机器人绝对定位精度。然而，现有的新型机器人标定方法，大多针对于机器人本体运动学参数的标定，属于相对标定方法，故无法对机器人基坐标系进行准确标定。在机器人运动学标定研究领域，CN107042528A公开了一种工业机器人标定系统及方法，标定系统主要包括一种设于机器人上的末端执行器和球心距固定的两个可移动目标球体，利用两球体之间的名义距离与实际距离之间的误差建立标定算法，实现对机器人本体运动学参数的标定，但其标定算法采用距离误差模型，属于相对式标定方法，标定结果的可靠性受限，且无法标定出机器人基坐标系的准确位置。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种工业机器人绝对精度标定系统及标定方法，从而克服现有技术中得不足。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术实施例提供了一种工业机器人绝对精度标定系统，其包括：三球座装置、末端测量装置、计数器及数据处理单元；所述三球座装置相对于机器人的基座固定设置，所述末端测量装置通过机器人法兰与机器人连接，所述末端测量装置还与计数器连接，所述计数器、机器人分别与数据处理单元连接。在一些实施方式中，所述三球座装置包括三颗精密钢球和三个锥形球座，所述三个锥形球座固定在底板上，所述三颗精密钢球分别安装于三个锥形球座上。在一些实施方式中，所述三颗精密钢球均为具有G5精度等级以上的钢球。在一些实施方式中，所述锥形球座还与磁性机构配合，所述精密钢球至少是在所述磁性机构的磁力作用下安装于相应的锥形球座上。在一些实施方式中，所述末端测量装置包括三个位移传感器，所述三个位移传感器成环形布局且彼此相隔120°，所述位移传感器的测量端安装有具有球形测头的测针，在所述测针接触所述三球座装置中待测的精密钢球时，所述测针的球形测头的球心能产生轴向位移。在一些实施方式中，所述计数器包括第一采集模块，所述第一采集模块至少用于获取所述末端测量装置中位移传感器输出的信号。所述信号可以呈现为电压信号。在一些实施方式中，所述数据处理单元包括第二采集模块、第三采集模块、第一计算模块和第二计算模块，所述第二采集模块至少用于获取机器人的关节角信息，所述第三采集模块至少用于获取计数器发送的位移测量信息，所述第一计算模块至少用于根据第二采集模块、第三采集模块采集的信息计算所述三球座装置中精密钢球的理论球心坐标，所述第二计算模块至少用于依据所述精密钢球的理论球心坐标与所述三球座装置中精密钢球的实际球心坐标之间的位置误差信息以及绝对精度标定算法进行迭代计算。在一些实施方式中，所述三球座装置中的三颗精密钢球用于定义外部世界坐标系{w}，所述外部世界坐标系{w}用于描述机器人系统中的所有坐标系，基于所述三颗精密钢球(4)的球心点位置分布能够确定所述外部世界坐标系{w}的原点、XOY平面及各坐标轴的位置与方向，所述末端测量装置用于测量所述精密钢球的球心相对于机器人法兰坐标系{F}的位置坐标，所述外部世界坐标系{w}与基坐标系{0}之间的初始位姿变换矩阵能够根据两者的位置安装关系获得，以及，在所述世界坐标系{w}下，所述三颗精密钢球的实际球心坐标分别表示为P1、P2、P3。本专利技术实施例还提供了一种工业机器人绝对精度标定方法，所述标定方法是基于所述工业机器人绝对精度标定系统实施，并且所述标定方法包括：利用三球座装置建立用于描述机器人基坐标系{0}的世界坐标系{w}；采用局部指数积法建立描述于所述世界坐标系{w}下的机器人的正向运动学模型，得到包含理论运动学参数的位姿变换矩阵Tw,n+1；根据所述机器人的正向运动学模型，建立描述于所述世界坐标系{w}下的机器人位置误差模型，即所述机器人末端位置误差δP与机器人初始位姿误差δt之间的映射关系，所述映射关系表示为δP＝F(δtw,δt1,δt2...,δtn,δtn+1)或δP＝J[δtw,δt1,δt2...,δtn,δtn+1]T，其中误差雅可比矩阵J是运动学误差δt与机器人末端位置误差之间的误差传递矩阵；使所述机器人移动至指定位置，并使安装于机器人法兰的末端测量装置内各位移传感器的测针同时接触三球座装置内的任一精密钢球，且使各位移传感器的测针的球形测头(如下亦可简称“球头”)均产生位移，采集此时各位移传感器的测量信息K与机器人关节角信息q；依据所述测量信息K计算出所述精密钢球的球心相对于机器人法兰坐标系{F}的位置坐标，再根据所述位姿变换矩阵Tw,n+1与所述机器人关节角信息q，计算出所述精密钢球的球心相对于所述世界坐标系{w}的理论位置坐标将所述理论位置坐标与所述精密钢球的球心在所述世界坐标系{w}下的实际球心坐标(P1，P2，P3)作差，得到机器人末端位置误差信息δP(δP1，δP2，δP3)；将所述机器人末端位置误差信息(δP1，δP2，δP3)及相应的所述机器人关节角信息q代入绝对精度标定算法进行迭代计算，实现对机器人基坐标系运动学参数tw及机器人连杆运动学参数ti(i＝1,2,...,n,n+1)的标定，得到描述于所述世界坐标系{w}下的精确运动学模型。在一些实施方式中，所述标定方法具体包括：采用局部指数积法，建立机器人在所述世界坐标系{w}下描述的运动学模型，表示为：其中，wP、FP分别为所述精密钢球(4)的球心坐标在所述世界坐标系{w}、所述法兰坐标系{F}下的表示，代表所述世界坐标系{w}到所述基坐标系{0}的齐次变换矩阵对应的旋量，代表相邻连杆坐标系的初始位姿矩阵所对应的旋量，为关节i的转轴旋量在关节坐标系{i-1}下的描述，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工业机器人绝对精度标定系统，其特征在于包括：三球座装置(3)、末端测量装置(1)、计数器(8)及数据处理单元；所述三球座装置(3)相对于机器人(2)的基座固定设置，所述末端测量装置(1)通过机器人法兰(16)与机器人(2)连接，所述末端测量装置(1)还与计数器(8)连接，所述计数器(8)、机器人(2)分别与数据处理单元连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人绝对精度标定系统，其特征在于包括：三球座装置(3)、末端测量装置(1)、计数器(8)及数据处理单元；所述三球座装置(3)相对于机器人(2)的基座固定设置，所述末端测量装置(1)通过机器人法兰(16)与机器人(2)连接，所述末端测量装置(1)还与计数器(8)连接，所述计数器(8)、机器人(2)分别与数据处理单元连接。


2.根据权利要求1所述的工业机器人绝对精度标定系统，其特征在于：所述三球座装置(3)包括三颗精密钢球(4)和三个锥形球座(11)，所述三个锥形球座(11)固定在底板(13)上，所述三颗精密钢球(4)分别安装于三个锥形球座(11)上；
优选的，所述锥形球座(11)还与磁性机构配合，所述精密钢球(4)至少是在所述磁性机构的磁力作用下安装于相应的锥形球座(11)上；
和/或，所述末端测量装置包括三个位移传感器(15)，所述三个位移传感器(15)成环形布局且彼此相隔120°，所述位移传感器(15)的测量端安装有具有球形测头的测针(14)，在所述测针(14)接触所述三球座装置(3)中待测的精密钢球(4)时，所述测针(14)的球形测头的球心能产生轴向位移。


3.根据权利要求1或2所述的工业机器人绝对精度标定系统，其特征在于：
所述计数器(8)包括第一采集模块，所述第一采集模块至少用于获取所述末端测量装置中位移传感器输出的信号；
所述数据处理单元包括第二采集模块、第三采集模块、第一计算模块和第二计算模块，所述第二采集模块至少用于获取机器人(2)的关节角信息，所述第三采集模块至少用于获取计数器(8)发送的位移测量信息，所述第一计算模块至少用于根据第二采集模块、第三采集模块采集的信息计算所述三球座装置(3)中精密钢球(4)的理论球心坐标，所述第二计算模块至少用于依据所述精密钢球(4)的理论球心坐标与所述三球座装置(3)中精密钢球(4)的实际球心坐标之间的位置误差信息以及绝对精度标定算法进行迭代计算；
优选的，所述三球座装置中的三颗精密钢球(4)用于定义外部世界坐标系{w}，所述外部世界坐标系{w}用于描述机器人系统中的所有坐标系，基于所述三颗精密钢球(4)的球心点位置分布能够确定所述外部世界坐标系{w}的原点、XOY平面及各坐标轴的位置与方向，所述末端测量装置用于测量所述精密钢球(4)的球心相对于机器人法兰坐标系{F}的位置坐标，所述外部世界坐标系{w}与基坐标系{0}之间的初始位姿变换矩阵能够根据两者的位置安装关系获得，以及，在所述世界坐标系{w}下，所述三颗精密钢球(4)的实际球心坐标分别表示为P1、P2、P3。


4.一种工业机器人绝对精度标定方法，其特征在于，所述标定方法是基于权利要求1-3中任一项所述的工业机器人绝对精度标定系统实施，并且，所述标定方法包括：
利用三球座装置(3)建立用于描述机器人基坐标系{0}的世界坐标系{w}；
采用局部指数积法建立描述于所述世界坐标系{w}下的机器人(2)的正向运动学模型，得到包含理论运动学参数的位姿变换矩阵Tw，n+1；
根据所述机器人(2)的正向运动学模型，建立描述于所述世界坐标系{w}下的机器人位置误差模型，即所述机器人末端位置误差δP与机器人初始位姿误差δt之间的映射关系，所述映射关...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨桂林，谷乐丰，方灶军，张昊，张驰，郑天江，刘强，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33