一種機器人的標定系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種機器人的標定系統及方法，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，現今機器人重復定位精度比較高，絕對定位精度 卻很低，一般相差一個數量級以上，絕對定位精度問題已經嚴重制約了工業機器人的應用 能力和應用范圍。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設備非常昂貴，安裝調試及操作比較復雜，主要適合于機 器人制造企業實驗室場合應用，操作過程依賴于操作人員的水平且非常浪費時間，難以實 現自動化。
【發明內容】
[0005] 本發明提供了一種機器人的標定系統及方法，以解決現有設備昂貴、安裝操作復 雜或定位精度低等問題。
[0006] 本發明的技術方案是：一種機器人的標定系統，包括標定裝置、機器人19、計算機 20、機器人電纜21、標定裝置電纜；
[0007] 所述標定裝置通過標定裝置電纜與計算機20連接通訊，機器人19通過機器人電纜 21與計算機20連接通訊;通過計算機20采集標定裝置的數據以及機器人19的關節轉角，并 根據連續兩次采集到標定裝置的數據計算機器人19末端在空間兩點的距離;所述標定裝置 的數據包括拉線傳感器17的拉線長度、角度傳感器15的角度、角度傳感器Π 14的角度。
[0008] 所述標定裝置包括下底板1、軸承座12、圓錐滾子軸承13、阻擋片4、角度傳感器15、 旋轉軸16、軸承座Π 7、圓錐滾子軸承Π 8、支撐柱9、上底板10、連接塊11、旋轉軸Π 12、轉向 環13、角度傳感器Π 14、深溝球軸承115、深溝球軸承Π 16、拉線傳感器17、連接桿18;
[0009] 所述軸承座12安裝在下底板1上，圓錐滾子軸承13安裝于軸承座12內，旋轉軸16的 下端安裝在圓錐滾子軸承13內，角度傳感器15安裝在旋轉軸16上，阻擋片4一端安裝在角度 傳感器15上，阻擋片4另一端安裝在下底板1上，軸承座Π 7安裝在上底板10上，上底板10與 下底板1通過支撐柱9連接，圓錐滾子軸承Π 8安裝于軸承座Π 7內，旋轉軸16的上端安裝在 圓錐滾子軸承Π 8內，連接塊11安裝在旋轉軸16的末端，連接塊11 一端安裝有深溝球軸承I 15，連接塊11另一端安裝有深溝球軸承Π 16，旋轉軸Π 12的一端安裝在深溝球軸承115內， 旋轉軸Π 12的另一端安裝在深溝球軸承Π 16內，轉向環13安裝在旋轉軸Π 12上，隨旋轉軸 Π 12-起轉動，拉線傳感器17的拉線安裝在轉向環13上，連接桿18安裝在拉線傳感器17上， 角度傳感器Π 14的轉動軸安裝在旋轉軸Π 12上，角度傳感器Π 14安裝在連接塊11上。
[0010] 所述標定裝置電纜包括拉線傳感器電纜22、角度傳感器電纜Π 24、角度傳感器電 纜 123;
[0011] 所述標定裝置中拉線傳感器17、角度傳感器15、角度傳感器Π 14分別通過拉線傳 感器電纜22、角度傳感器電纜Π 24、角度傳感器電纜123與計算機20連接通訊。
[0012] -種機器人的標定方法，所述方法的具體步驟如下：
[0013] Stepl、將拉線傳感器17通過連接桿18固定在機器人19上，并將拉線傳感器17的拉 線與轉向環13連接，從而實現標定裝置與機器人19的連接；
[0014] Step2、上電，打開拉線傳感器17、角度傳感器15、角度傳感器Π 14、機器人19，并將 機器人19移動至初始位姿且滿足初始化計數變量v = 0;
[0015] Step3、判斷是否完成數據采集操作；
[0016]若已經完成數據采集則轉至Step7,若尚未完成則轉至Step4;
[0017] Step4、計數變量自增l:v = v+l;
[0018] Step5、通過計算機20采集拉線傳感器17的拉線長度、角度傳感器15的讀數、角度 傳感器Π 14的讀數(為拉線傳感器17的拉線在豎直方向上與水平面的夾角）和機器人19的 關節轉角數據；
[0019] St ep6、變換機器人19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變換，關節一從0°變換到10°，下一次再從 10°變換到20°，以此類推，每次變換關節的角度增加10°，一直增加到350°，即完成此關節的 位姿變換，其余關節也按照這種方法運動，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Step3進行判斷；
[0020] Step7、完成數據采集后令t = v;
[0021 ] Step8、機器人19末端空間連續兩點i與j距離I i, j的計算：
[0022]數據采集完成后，利用采集到的標定裝置的數據可計算機器人19末端空間連續兩 點i與j距離1^;由于旋轉軸16的軸線，旋轉軸Π 12的軸線，拉線傳感器17拉線的延長線相 交于同一點〇,轉向環13末端到〇點的距離為1〇,因此能建立機器人19末端空間連續兩點i與 j距離的空間幾何關系，求出h,^選擇旋轉軸Π 12軸線所在平面為水平面，首先根據拉 線傳感器17的拉線長度以及角度傳感器Π 14的讀數計算機器人19末端位置i、j到水平面投 影點k、p的距離I1,k、U P;其次根據拉線傳感器17的拉線長度、角度傳感器15與角度傳感器 Π 14的讀數計算投影點的長度lk,P，最后根據勾股定理即可計算出機器人19末端空間連續 兩點i與j距離；
[0023]機器人19末端位置i與j到投影點k與p距離h,的計算：
[0024] li,k= (li+lo)sin9i
[0025] lj,p = (lj+lo)sin9j
[0026] 投影點長度lk,P的計算：
[0027] l〇,k=(li+lo)cos9i
[0028] l〇,p = (lj+lo)cos0j
[0029] 根據余弦定理lk,P2 = Iikhlc^p2HA · 1。,p · cos9k,p，得到lk,p;
[0030] 機器人19末端位置i與j距離的計算：
[0031] ln,k=lj,p
[0032]
[0033]
[0034] 根據勾股定理
求出機器人19末端在空間兩點i與j之間的距離 li, j;式中，Ii、Ij表不當機器人19末端位置分別為i、j時，拉線傳感器17的拉線長度;0i、0j表 示當機器人19末端位置分別為i、j時，角度傳感器Π 14的讀數;0k、θρ表示當機器人19末端位 置分別為i、j時，角度傳感器15的讀數；0 k,p為機器人19末端由位置i移動到位置j時在水平 面轉過的角度，01<,1) = 91{-91);11為」點在線11^上的投影點；1。,1{、1。, 1)分別表示〇點至投影點1^的 距離；ln,k、Uj分別表示η至k、j的距離；h, n表示i至η的距離；
[0035 ] Step9、待標定的機器人19結構參數的求解：
[0036] 利用采集到的機器人19的關節轉角數據，計算得到的I1^以及機器人19的運動學 方程列出t個方程，每個方程形式為：
[0037]
[0038] 器人19末端位置位于i時的坐標值，， θ1>2,…，01>w表示機器人19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19結構 參數向量；
[0039]
表示機器人19末端位置位于j時的坐標值，θ^， Θ j, 2，…，Θ j, ?表不機器人19末端位置位于j時的w個關節轉角值；
[0040] SteplO、求解t個方程組成的方程組：
[0041]
[0042] 在上面的方程組中，只有待辨識的機器人19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；
[0043] Stepll、將結構參數向量q代入機器人19的運動學方程中，驗證標定結果的有效 性，完成機器人19的標定。
[0044]本發明的工作原理是:將拉線傳感器17通過連接桿18固定在機器人19上，通過計 算機20采集拉線傳感器17、角度傳感器15、角度傳感器Π 14的讀數以及機器人19的關節轉 角，并根據連續兩次采集到的拉線傳感器17、角度傳感器15、角度傳感器Π 14的數據計算出 機器人19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19的 運動學方程得到以機器人19結構參數為未知量的方程式，按照關節變換順序改變機器人19 的位姿可以得到一系列的方程式，聯立所得到的方程式即可得到結構參數辨識方程組，求 解結構參數辨識方程組即可得到機器人19的結構參數、實現機器人19的標定。
[0045] 本發明的有益效果是：
[0046] 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。
[0047] 2、機器人末端在空間兩點間的距離，可根據拉線傳感器、角度傳感器I、角度傳感 器Π 的讀數計算出，提高了結構參數解算的可靠性和精度。
[0048] 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】
[0049] 圖1是本發明在標定過程中采集數據時的位姿圖；
[0050] 圖2是本發明標定裝置結構示意圖；
[0051 ]圖3是本發明軸承座I與下底板安裝示意圖；
[0052]圖4是本發明軸承座Π 與上底板安裝示意圖；
[0053]圖5是本發明深溝球軸承Π 與連接塊安裝示意圖；
[0054]圖6是本發明機器人末端空間連續兩點i與j的空間幾何關系與距離計算原理圖；
[0055] 圖中：1_下底板、2-軸承座1、3_圓錐滾子軸承1、4_阻擋片、5-角度傳感器I、6_旋轉 軸I、7-軸承座Π 、8-圓錐滾子軸承Π 、9-支撐柱、10-上底板、11-連接塊、12-旋轉軸Π 、13-轉向環、14-角度傳感器Π 、15-深溝球軸承I、16-深溝球軸承Π 、17-拉線傳感器、18-連接 桿、19