一种用于砂轮工具坐标系的辅助标定装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于机器人标定的技术领域，公开了一种用于砂轮工具坐标系的辅助标定装置及其方法，该辅助标定装置包括姿态测量装置和位置标定装置两部分，其中姿态测量装置包括电机驱动丝杠升降台通过两根导轨设置在底座上，在升降台上并排安装有激光成像仪

【技术实现步骤摘要】
一种用于砂轮工具坐标系的辅助标定装置及其方法


[0001]本专利技术属于机器人标定的
，具体涉及为一种用于砂轮工具坐标系的辅助标定装置及其方法，其主要解决砂轮工具对于工业机器人工具坐标系的标定问题
。

技术介绍

[0002]在工业机器人运用中，我们通常在机器人末端安装不同的工具来满足实际生产的需求
。
因此，为了能够准确控制工具的位置和姿态，就必须对工具所在的坐标系进行标定
。
目前，机器人工具标定主要采用以下两种方式：
(
一
)
机器人示教标定方式，其主要是通过控制机器人在不同姿态下让工具的坐标系原点与空间中固定点触碰，从而计算工具坐标系原点的值
。
此标定方法虽然简单易操作，但实际操作相对困难，标定结果带有人为误差且不精确，因此只适用于具有明显特征点的工具
。(
二
)
外部位置测量设备标定，即采用工业相机
、
激光跟踪仪
、
三坐标测量仪等设备进行标定，该种标定方法虽然精度较高，但费用相当高，操作复杂，需要专业的技术人员
。
[0003]针对现有技术中存在的问题，在机器人示教标定方式中，中国专利
CN201810562692.7
公开了一种工业机器人工具坐标系标定装置，该标定装置通过在标定法兰盘上固定由
X
轴标定尺
、Y
轴标定尺
、Z
轴标定尺滑动组成的标尺，在标定过程中，操作者手动记下当前
X、Y、Z
轴刻度值通过与示教器结果进行比对，以此辅助标定
。
在外部位置测量设备标定中，中国专利
CN202211638776.7
公开了一种基于机械臂工具坐标系标定方法及装置，该方案中位置标定通过前四个标定点位置重合，在只改变不同的姿态就可以求出机械臂工具坐标系的位置
、
姿态标定通过后三个点之间的特殊方位关系，从而可以求出机械臂工具坐标系的姿态
。
另外，中国专利
CN202111209743.6
公开了一种机器人工具坐标系的标定装置及标定方法，该方案通过在工作平台交叉布置两个光束传感器，发射出的两光束平行于工作平台且异面交叉，标定时，在工具的末端不等粗的情形下，能够减少或避免计算出来的工具的
Z
轴方向出现偏差，用来提高工具标定的精度
。
[0004]在棒材修磨加工中，特钢棒材产品的表面通常存在各种缺陷，如裂纹和划痕，需要通过修磨来消除表面缺陷以满足后续的生产需求
。
我们在工业机器人末端法兰安装修磨头，并根据棒材的直径
、
缺陷的位置和类型来操控机器人完成修磨，但是在进行一切工序之前，首先要完成对砂轮工具坐标系的标定，而标定的目的就是寻找机器人工具坐标系相对于机器人末端法兰坐标系的齐次变换矩阵，以此保证砂轮工具实际轨迹运行的精度
。
如附图6所示，然而对于砂轮工具坐标系的标定主要分为工具坐标系原点位置的标定和工具坐标系姿态的标定两大部分
。
当砂轮工具安装在机器人的末端法兰上后，工具坐标系相对于机器人末端法兰坐标系的位姿就基本已确定，位置标定的目标就是要寻找工具坐标系原点
(TCP)
在机器人末端法兰坐标系下的坐标，姿态标定的目标就是要寻找工具坐标系相对于末端法兰坐标系的旋转矩阵
。
上述三种方案中对于砂轮工具坐标系的标定仍存在以下技术问题
:(1)
方案一和方案二从理论上可以获取工具坐标系原点在机器人末端法兰坐标系下的坐标，但对于砂轮工具的坐标系姿态无法标定，另外由于修磨工具结构的影响在实际标
定中无法适用；
(2)
方案三虽然能够适用砂轮工具坐标系的标定，但在实际标定时，操作人员通过人眼视觉来确定工具末端位于激光束交叉中心处，精度无法保证；同时操作人员控制工具末端与激光束交叉中心处重合时，不仅花费时间长，还影响工具标定的精确度
。
因此，上述公开的方案无法适用砂轮工具坐标系的标定
。
现亟需设计了一款用于标定砂轮工具坐标系姿态和位置的辅助装置和新的标定方法
。

技术实现思路

[0005]基于上述方案存在的不足，我们将砂轮工具坐标系的标定分为两大部分，即工具坐标系原点位置的标定和工具坐标系姿态的标定
。
位置标定的目标就是要寻找工具坐标系原点
(TCP)
在机器人末端法兰坐标系下的坐标；姿态标定的目标就是要寻找工具坐标系相对于末端法兰坐标系的旋转矩阵
。
[0006]因此，关于姿态标定的两个前提：
(1)
机器人基坐标系
{B}
的
XOY
平面是水平的，
Z
轴是竖直的；
(2)
当砂轮对棒材进行修磨时，砂轮轴线应当保持水平，且与棒材轴线异面垂直，棒材轴线的方向平行于机器人基坐标系的移动方向，据此可以将工具坐标系的姿态做如下定义：
a.
工具坐标系的
X
轴
(
或
Y
轴
)
与砂轮轴所在直线方向一致，
b.
当砂轮侧平面竖直时，工具坐标系的
Z
轴通过砂轮轴且竖直向上，
(
需要注意的是：工具坐标系的坐标轴是固连在工具上的，当工具的姿态发生改变时，坐标轴的姿态也随之改变
)c.Y
轴
(
或
X
轴
)
垂直于由二轴所在的平面
。
当机器人工具坐标系与基坐标系姿态一致时，机器人基坐标系相对于末端坐标系的旋转矩阵与砂轮工具坐标系相对于末端坐标系的旋转矩阵相同
。
在上述关于姿态标定的假设中已经阐明了对于工具坐标系姿态的定义与标定时砂轮空在间中所需要达到的姿态，就具体操作而言，即：
[0007]a.
砂轮轴方向与机器人基坐标系的
XOY
平面平行
。
[0008]b.
确保砂轮轴方向与机器人基座移动方向垂直
。
[0009]c.
除此之外，为了使求得的砂轮坐标系姿态与机器人末端法兰坐标系姿态尽量接近，因此在标定前首先要将机器人法兰末端坐标系的
Z
轴调整为竖直方向
。
[0010]根据上述目标，要想直接确定砂轮轴在空间中的姿态比较困难，因此可以通过间接的方法来达成上述目标，即通过确定砂轮平面的空间姿态来保证砂轮轴在空间中的姿态
。
具体为：当砂轮侧平面在空间中竖直且平行于机器人基坐标系的移动方向时，砂轮轴满足上述目标
a
和
b。
[0011]关于位置标定的前提：当机器人修磨棒材时，砂轮表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于砂轮工具坐标系的辅助标定装置，其特征在于：包括有姿态测量装置
(100)
和位置标定装置
(200)
两部分，所述姿态测量装置
(100)
包括有底座
(1)
，在所述底座
(1)
的两端分别安装有横向支撑块
(23)、
竖向支撑块
(24)
，在所述横向支撑块
(23)
的两端底部和竖向支撑块
(24)
的中心底部分别设置有调平旋钮
(25)
形成三脚支撑机构，两根导轨
(5)
分别通过套管座
(4)
安装在底座
(1)
上，两根所述导轨
(5)
的顶端通过横梁板件
(6)
相连接，在所述底座
(1)
上安装有显示器
(2)、
以及对称安装有两个激光测距传感器
(3)
，两个激光测距传感器
(3)
的信号输出端分别与显示器
(2)
相连接，所述显示器
(2)
在三个调平旋钮
(25)
的配合使用下还用于显示姿态测量装置
(100)
是否处于水平状态，丝杠
(8)
通过滚珠轴承
(7)
转动安装在底座
(1)
上，丝杠
(8)
的顶端转动连接在横梁板件
(6)
上，且其底端与电机
(9)
的输出端相连接，所述电机
(9)
安装在底座
(1)
上，在两根所述导轨
(5)
滑动设置有升降台
(10)
，所述升降台
(10)
通过螺孔连接件
(22)
与所述丝杠
(8)
相连接，在升降台
(10)
上安装有激光成像仪
(11)
，在激光成像仪
(11)
的框架四角分别通过螺栓连接四个套筒
(12)
安装有两个半幅支架
(13)
，在两个所述半幅支架
(13)
之间嵌装有第一凸透镜
(14)
；所述位置标定装置
(200)
包括有底板
(28)
，在底板
(28)
的两侧上分别安装有两根连接杆
(29)
，在两根连接杆
(29)
的两端分别安装有机械夹爪
(30)
，在底板
(28)
的中心其中一侧面上分别安装有点光源
(32)、
以及通过支撑架
(31)
安装有第二凸透镜
(33)
，在底板
(28)
的中心另外一侧面上安装有限位架
(34)
，电子水平仪
(35)
安装在所述底板
(28)
上
。2.
根据权利要求1所述的一种用于砂轮工具坐标系的辅助标定装置，其特征在于：所述激光成像仪
(11)
通过延伸臂
(16)
与连接支座
(15)
相连接，所述连接支座
(15)
安装在升降台
(10)
上
。3.
根据权利要求2所述的一种用于砂轮工具坐标系的辅助标定装置，其特征在于：在所述激光成像仪
(11)
上安装有通过插接连接座
(19)
，在延伸臂
(16)
的一端上安装有与所述插接连接座
(19)
相对应的插接连接头
(20)
，在延伸臂
(16)
的另一端上固定连接有至少两个插接轴
(18)
，在所述连接支座
(15)
设置有与所述插接轴
(18)
相对应的插接孔
(17)。4.
根据权利要求2或3所述的一种用于砂轮工具坐标系的辅助标定装置，其特征在于：在所述竖向支撑块
(24)
上设置有第一拿捏槽孔
(26)
，在所述延伸臂
(16)
上设置有第二拿捏槽孔
(27)
，所述第一拿捏槽孔
(26)
和第二拿捏槽孔
(27)
便于操作人员将所述姿态测量装置
(100)
移动
。5.
根据权利要求4所述的一种用于砂轮工具坐标系的辅助标定装置，其特征在于：在所述升降台
(10)
上设置有至少两对滑孔连接座
(21)
，两根所述导轨
(5)
分别穿过所述滑孔连接座
(21)
中将所述升降台
(10)
滑动设置在其上
。6.
根据权利要求1至3中任一项或5所述的一种用于砂轮工具坐标系的辅助标定装置，其特征在于：所述机械夹爪
(30)
包括有两个支撑板
(3001)、
且其两者通过管件
(3005)
相连接，在两个所述支撑板
(3001)
的两端分别通过销轴转动连接有机械臂
(3002)
，在两个机械臂
(3002)
的底端分别转动连接有插接杆
(3003)
，在每个所述插接杆
(3003)
上插接有
U
型夹爪
(3004)
，在每个所述机械臂
(3002)
的顶端通过销轴与铰接连杆
(3009)
的一端转动连接，在所述管件
(3005)
的中心贯穿设置有螺孔
(3006)
，在所述管件
(3005)
上的螺孔
(3006)
内设置有手轮丝杠
(3007)
，在手轮丝杠
(3007)
上设置有连接块
(3008)
，两个铰接连杆
(3009)
的另一端共同铰接连接在连接块
(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金柱，赵振国，史汉卿，吴亚丽，祁应福，何龙，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：