一種基于末端非完整坐標信息的機器人標定系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于末端非完整坐標信息的機器人標定系統及方法，屬于機器人 標定領域。
【背景技術】
[0002] 隨著機器人在各個行業的廣泛運用，業界對工業機器人在運動時在空間上的重復 定位精度與絕對定位精度有嚴格的要求，由于機器人是一種多自由度設備，這種結構形式 存在誤差累積放大的缺點，各級關節的結構參數誤差會被逐級放大，從而造成機器人的精 度降低。
[0003] 標定是消除機器人結構參數誤差的有效方法，目前常用的機器人標定方法一般都 要借助激光跟蹤儀、激光干涉儀、三坐標測量機等精密測量儀器。
[0004] 以上方法的共同特點是要測出機器人末端的坐標值，所需的標定設備成本高、操 作步驟繁瑣、對操作人員的技術水平要求較高、數據采集費時費力，難以實現自動化。
【發明內容】
[0005] 本發明提供了一種基于末端非完整坐標信息的機器人標定系統及方法，以解決現 有設備成本高、操作步驟繁瑣、定位精度低等問題。
[0006] 本發明的技術方案是:一種基于末端非完整坐標信息的機器人標定系統，包括固 定平臺1、磁性表座2、連接桿3、拉線傳感器4、傾角傳感器5、萬向節6、機器人7、拉線傳感器 電纜8、機器人電纜9、傾角傳感器電纜10、計算機11;
[0007] 所述磁性表座2通過磁力安裝在固定平臺1上，磁性表座2與拉線傳感器4通過連接 桿3連接在一起，拉線傳感器4拉線的末端安裝在萬向節6上，萬向節6上貼有傾角傳感器5， 傾角傳感器5隨萬向節6-起運動，萬向節6安裝在機器人7上;拉線傳感器4、傾角傳感器5分 別通過拉線傳感器電纜8、傾角傳感器電纜10與計算機11連接通訊，機器人7通過機器人電 纜9與計算機11連接通訊;通過計算機11采集拉線傳感器4的拉線長度、傾角傳感器5的角 度、機器人7的關節轉角。
[0008] -種基于末端非完整坐標信息的機器人標定方法，所述方法的具體步驟如下：
[0009] Stepl、將傾角傳感器5貼在萬向節6上，并將萬向節6安裝在機器人7末端上；
[0010] Step2、將拉線傳感器4通過連接桿3安裝在磁性表座2上，并固定磁性表座2,將拉 線傳感器4的拉線與萬向節6的末端連接；
[0011] Step3、上電，打開傾角傳感器5、拉線傳感器4、機器人7,并將機器人7移動至初始 位姿且滿足初始化計數變量v = 〇;
[0012] Step4、判斷是否完成數據采集操作；
[0013]若已經完成數據采集則轉至Step7,若尚未完成則轉至Step4;
[0014] Step5、計數變量自增1: v = v+l;
[0015] Step6、通過計算機11采集拉線傳感器4的拉線長度、傾角傳感器5的角度數據和機 器人7的關節轉角數據；
[0016] Step7、變換機器人7的位姿，變換的原則為:按照關節順序的大小依次變換每個關 節的轉角（如：按照關節從小到大的原則依次運動，關節一從0°變換到20°，下一次再從20° 變換到40°，以此類推，每次變換關節的角度增加20°，一直增加到340°，即完成此關節的位 姿變換，其余關節也可按照這種方法運動，使機器人7各個關節充分運動，用戶也可增加或 減少位姿的變換次數，以便獲得更多數據）；其中所有關節變換次數為t，每變換一次就返回 到步驟Step4進行判斷；
[0017] Step8、完成數據采集后令t = v;
[0018] Step9、機器人7末端空間連續兩點i與j距離的計算：
[0019]數據采集完成后，利用采集到數據即可計算機器人7末端空間連續兩點i與j距離 li,j;由于拉線傳感器4的拉線與傾角傳感器5所在平面始終垂直，并且傾角傳感器5與拉線 一起隨著萬向節6運動，則傾角傳感器5采集的角度為拉線與水平面X軸的夾角α、與y軸的夾 角β:首先通過采集到的角度計算得到拉線的方向向量，其次根據拉線的方向向量計算出在 i位置的拉線與在j位置的拉線的夾角，最后根據在i位置的拉線與在j位置的拉線的夾角及 在i位置的拉線與在j位置的拉線的長度計算出機器人7末端i與機器人7末端j兩點之間的 距離；
[0020]方向向量的計算：
[0021]在i位置的拉線的方向向量：
[0022]利用方向余弦C〇sai2+C〇s0i2+C〇s γ i2 = l，計算出角度γ i從而確定在i位置的拉線 的方向向量111，111=((308€4，(308&，(308丫士）；
[0023] 在」位置的拉線的方向向量11為:11=((308(^，(308氏，(308丫」）；
[0024] 在i位置的拉線與在j位置的拉線的夾角氣/為：氣/ '二·丨
[0025] 機器人7末端i與j兩點之間距離的計算：
[0026] 根據余弦定理&/ ，求出末端在空間兩點i與j之間的距離 式中，h、込表示當機器人7末端位置分別為i、j時，拉線傳感器4的拉線長度; 分別表示當機器人7末端位置為i時，拉線與水平面X軸的夾角、與y軸的夾角、與z軸的夾角； 4、的、γ』分別表示當機器人7末端位置為j時，拉線與水平面X軸的夾角、與y軸的夾角、與z 軸的夾角；
[0027] SteplO、待標定的機器人7結構參數的求解：
[0028] 利用采集到的機器人7的關節轉角數據，計算得到的距離1^，以及機器人7的運動 學方程列出t個方程，每個方程形式為：
[0029] = ψΧι.-Xj )2 + ( Γ/ - Vj yL + (：, -Zjf xi '「Μ?Α??ρΦ
[0030] 其中，乃=/v(3_J片，2，…，q)表示機器人7末端位置位于i時的坐標值，Θ i, i， % = ./:(%，％：，···，％.」ι) θ1>2,…，01>w表示機器人7末端位置位于i時的w個關節轉角值，q為待辨識的機器人7結構參 數向量； Xj ~ f 5 ^/.2 5 " * ' 5 ^/,W 5
[0031 ] 々=/v (A.丨，6/.2，…，^/.u.，9 >表不機器人7末端位置位于j時的坐標值，Θj,丨，Θj, 2，…， ，=Λ (沒/jjfW/.u.A) Θ j, w表示機器人7末端位置位于j時的w個關節轉角值；
[0032] SteplO、求解t個方程組成的方程組：
[0033] 4,2 x2Τ + (Λ _ ??? + (? _ ζ2 )*"
[0034] /2,3.，J(a：2 - λ、廣 + ()? 'y3 )▲ + (ζ2 - %
[0035] ···
[0036] 4_j)f =1(/(^-1 - Xf Τ + (yt-l ~ 3V Τ + (%-Ι ~ zt y
[0037] 在上面的方程組中，只有待辨識的機器人7的結構參數向量q是不確定的，利用非 線性最小二乘法即可求解，得到結構參數向量q的精確值；
[0038] Stepll、將結構參數向量q代入機器人7的運動學方程中，驗證標定結果的有效性， 完成機器人7的標定。
[0039]本發明的工作原理是:將拉線傳感器4、傾角傳感器5、萬向節6、機器人7連接起來， 通過計算機11采集拉線傳感器4的長度、傾角傳感器5的角度和機器人7的關節轉角，并按照 關節變換順序改變機器人7的位姿，使采集到充足的數據;首先根據采集到的角度確定拉線 的方向向量，其次根據方向向量計算出任意兩次拉線的夾角，最后根據計算出的的夾角與 任意兩次采集到的拉線長度計算出機器人7末端在空間兩點的距離。根據機器人7的末端在 空間兩點的距離以及機器人7的運動學方程得到以機器人7結構參數為未知量的方程式，求 解出該方程式即實現對機器人的標定。
[0040] 本發明的有益效果是：
[0041] 1、采用長度可變化的拉線傳感器，從而在采集數據時機器人的運動空間變大，機 器人各關節的運動更加充分，為結構參數解算提供了魯棒性更強的數據支持同時標定操作 更加靈活輕便。
[0042] 2、機器人末端在空間兩點間的距離，可根據拉線傳感器與傾角傳感器的讀數精確 計算出，提高了結構參數解算的可靠性和精度。
[0043] 3、由于不需要測出機器人末端的坐標值，因此簡化了操作步驟并提高了標定效 率。
【附圖說明】
[0044] 圖1是本發明裝置在標定過程中采集數據時的位姿圖；
[0045] 圖2是本發明機器人末端在位姿i、j時的長度與角度示意圖；
[0046]圖中各標號：1_固定平臺、2-磁性表座、3-連接桿、4-拉線傳感器、5-傾角傳感器、 6_萬向節、7-