一种基于关节式测量臂的机器人柔顺刀具标定方法技术

本发明专利技术提供了一种基于关节式测量臂的机器人柔顺刀具标定方法，包括如下步骤：S1、控制机械臂沿坐标轴方向移动，记录测量臂和机器人相关坐标；S2、控制机械臂绕固定点转动，记录测量臂和机器人相关坐标；S3、根据前两步的坐标建立方程组，用最小二乘法求解得到转换矩阵；S4、用测量臂计算标定平面方程，控制机械臂接触该平面，根据机器人自身位姿和平面方程求解得到工具中心点位置。本发明专利技术所述的基于关节式测量臂的机器人柔顺刀具标定方法,引入了高精度的测量仪器，标定精度高、不受机器人精度限制；操作难度较低。操作难度较低。操作难度较低。

【技术实现步骤摘要】
一种基于关节式测量臂的机器人柔顺刀具标定方法


[0001]本专利技术属于自动化工业中机器人标定
，尤其是涉及一种基于关节式测量臂的机器人柔顺刀具标定方法。

技术介绍

[0002]目前，机械臂在投入作业前需人工示教标定末端工具坐标系原点(TCP点)，一般使用四点法进行标定，即：工人在机械臂末端工具上标示出预设置的TCP点，然后通过机械臂示教器控制机械臂运动四次，保证每次机械臂以不同的姿态运动到同一个固定点处，机械臂控制器采集四次机械臂位姿数据，从而计算出机械臂末端工具TCP点的坐标。
[0003]上述的标定过程需要由熟练工人完成，为保证高精度，标定一次TCP点所需时间一般在五分钟以上，耗时费力，且无法保证精度的一致性。对于柔顺刀具，刀具受力会发生位移，在点对点的过程中误差会更大。同时标定精度受到机器人本身的绝对定位精度限制，因此在要求高精度工具坐标系的场合，需要引入高精度测量工具。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种基于关节式测量臂的机器人柔顺刀具标定方法，以解决现有“四点法”对于操作工人要求较高、难度较大，精度完全依赖于机器人自身绝对定位精度的问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]一种基于关节式测量臂的机器人柔顺刀具标定方法，包括如下步骤：
[0007]S1、控制机械臂沿坐标轴方向移动，记录测量臂和机器人相关坐标；
[0008]S2、控制机械臂绕固定点转动，记录测量臂和机器人相关坐标；<br/>[0009]S3、根据前两步的坐标建立方程组，用最小二乘法求解得到转换矩阵；
[0010]S4、用测量臂计算标定平面方程，控制机械臂接触该平面，根据机器人自身位姿和平面方程求解得到工具中心点位置。
[0011]进一步的，所述步骤S1的具体方法为：
[0012]S11、在机器人末端工具上选取一固定点作为测量点P
a
，
[0013]S12、保持机械臂姿态不变，控制机械臂沿X,Y,Z三个轴移动，用测量臂测量P
a
在测量臂坐标系下的坐标，每个轴测量五次，并且记录对应的机器人末端位姿；对于某一轴的五个点，记录测量臂坐标系下的坐标为{
M
P1,
M
P2,
M
P3,
M
P4,
M
P5}；记录机器人坐标系下机器人末端坐标为{
R
P1,
R
P2,
R
P3,
R
P4,
R
P5}。
[0014]进一步的，所述步骤S2的具体方法为：保持机器人末端坐标系位置不变，仅改变机器人姿态，用测量臂测量P
a
位置，记录机械臂末端在机器人坐标系下的姿态和位置{
R
P
e1
,
R
P
e2
,
R
P
e3
,
R
P
e4
,
R
P
e5
}，以及测量臂读数{
M
P
a1
,
M
P
a2
,
M
P
a3
,
M
P
a4
,
M
P
a5
}。
[0015]进一步的，所述步骤S3的具体方法为：
[0016]首先计算旋转矩阵
[0017]对于同一坐标系下任意一轴的五个点，所构成的坐标矩阵如下：
[0018][0019]上述坐标矩阵的协方差矩阵为
[0020][0021]式(1)中坐标X的数学期望
[0022][0023]坐标Y的数学期望
[0024][0025]坐标Z的数学期望
[0026][0027]对于期望值为E(M)和E(N)的两个变量M和N，其协方差Cov(M,N)为
[0028]Cov(M,N)＝E(MN)
‑
E(M)E(N)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0029]将式(5)(6)(7)带入式(2)，即可计算出协方差矩阵。接着采用奇异值分解的办法计算协方差矩阵的最大特征向量V，即为当前坐标轴的方向。依次建立机器人三个轴X,Y,Z在机器人坐标系下的表示{
R
X,
R
Y,
R
Z}和在测量臂坐标系下的表示{
M
X,
M
Y,
M
Z}。两组坐标向量存在如下关系：
[0030][0031]对式(7)求解即可得到旋转矩阵：
[0032][0033]随后计算从测量臂坐标系到机器人坐标系的偏移向量；
[0034]在步骤S2中，测量点P
a
与机械臂末端坐标P
e
存在如下关系：
[0035][0036]式中
R
P
ai
为机器人第i个姿态下测量点P
a
在机器人坐标系下的表示，
R
P
ei
为机器人第i个姿态下机器人末端在机器人坐标系下的表示，
E
t
ae
为机械臂末端P
e
到测量点P
a
在机器人末端坐标系下的偏移量，为机器人当前姿态；
[0037]测量点P
a
在机器人坐标系下的坐标与在测量臂坐标系下的坐标的关系为
[0038][0039]式中为测量臂坐标系到机械臂坐标系的偏移向量在机械臂坐标系下的表示，将式(10)带入到式(9)中替换
R
P
ai
可得：
[0040][0041]将位姿2的数据减位姿1的数据可得如下关系：
[0042][0043]依此类推可得
[0044][0045]求
E
t
ae
的最佳最小二乘解
[0046][0047]将
E
t
ae
带回，用同样的方法计算出的最佳最小二乘解。
[0048]至此求出测量臂坐标系到机器人坐标系的转换矩阵
[0049][0050]进一步的，所述步骤S4的具体方法为：
[0051]选一固定的精加工平面作为标定平面，用测量臂在平面上任取五个点，这五个点的坐标为(
M
x1,
M
y1,
M
z1)，(
M
x2,
M
y2,
M
z2)，(
M
x3,
M
y3,
M
z3)，(
M
x4,
M
y4,
M
z4)，(
M<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于关节式测量臂的机器人柔顺刀具标定方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、控制机械臂沿坐标轴方向移动，记录测量臂和机器人相关坐标；S2、控制机械臂绕固定点转动，记录测量臂和机器人相关坐标；S3、根据前两步的坐标建立方程组，用最小二乘法求解得到转换矩阵；S4、用测量臂计算标定平面方程，控制机械臂接触该平面，根据机器人自身位姿和平面方程求解得到工具中心点位置。2.根据权利要求1所述的一种基于关节式测量臂的机器人柔顺刀具标定方法，其特征在于：步骤S1的具体方法为：S11、在机器人末端工具上选取一固定点作为测量点P
a
，S12、保持机械臂姿态不变，控制机械臂沿X,Y,Z三个轴移动，用测量臂测量P
a
在测量臂坐标系下的坐标，每个轴测量五次，并且记录对应的机器人末端位姿；对于某一轴的五个点，记录测量臂坐标系下的坐标为{
M
P1,
M
P2,
M
P3,
M
P4,
M
P5}；记录机器人坐标系下机器人末端坐标为{
R
P1,
R
P2,
R
P3,
R
P4,
R
P5}。3.根据权利要求1所述的一种基于关节式测量臂的机器人柔顺刀具标定方法，其特征在于：步骤S2的具体方法为：保持机器人末端坐标系位置不变，仅改变机器人姿态，用测量臂测量P
a
位置，记录机械臂末端在机器人坐标系下的姿态和位置以及测量臂读数4.根据权利要求1所述的一种基于关节式测量臂的机器人柔顺刀具标定方法，其特征在于：步骤S3的具体方法为：首先计算旋转矩阵对于同一坐标系下任意一轴的五个点，所构成的坐标矩阵如下：上述坐标矩阵的协方差矩阵为式(1)中坐标X的数学期望坐标Y的数学期望坐标Z的数学期望
对于期望值为E(M)和E(N)的两个变量M和N，其协方差Cov(M,N)为Cov(M,N)＝E(MN)
‑
E(M)E(N)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)将式(5)(6)(7)带入式(2)，即可计算出协方差矩阵；接着采用奇异值分解的办法计算协方差矩阵的最大特征向量V，即为当前坐标轴的方向；依次建立机器人三个轴X,Y,Z在机器人坐标系下的表示{
R
X,
R
Y,
R
Z}和在测量臂坐标系下的表示{
M
X,
M
Y,
M
Z}；两组坐标向量存在如下关系：对式(7)求解即可得到旋转矩阵：随后计算从测量臂坐标系到机器人坐标系的偏移向量；在步骤S2中，测量点P
a
与机械臂末端坐标P
e
存在如下关系：式中
R
P
ai
为机器人第i个姿态下测量点P
a
在机器人坐标系下的表示，
R
P
ei
为机器人第i个姿态下机器人末端在机器人坐标系下的表示，
E
t
ae
为机械臂末端P
e
到测量点P
a
在机器人末端坐标系下的偏移量，为机器人当前姿态；测量点P
a
在机器人坐标系下的坐标与在测量臂坐标系下的坐标的关系为式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋立滨，姜帅，祁辉，赖庆文，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：