機器人基坐標系的非接觸式高精度標定方法及其應用的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種機器人基坐標系的非接觸式高精度標定方法，包括以下步驟：步驟一，安裝標定指工裝；步驟二，標定取點；步驟三，通過坐標變換的算法，得到機器人的基坐標系的標定矩陣。本發明借助于激光測量儀的高精度以及非接觸式測量的優點，通過機器人內部關節的位置編碼器以及標定指工裝套，應用坐標變換的算法，能夠實現對機器人基坐標系的非接觸高精度的標定，并且與單臺機器人工件坐標系的非接觸式高精度標定方法以及單臺機器人工具坐標系的非接觸式高精度標定方法的配合應用，可以實現對整個機器人系統的非接觸高精度的標定。本發明還公開了一種多臺機器人之間位姿的非接觸式高精度標定方法。
【專利說明】機器人基坐標系的非接觸式高精度標定方法及其應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種工業機器人的標定方法，具體涉及一種機器人基坐標系的非接觸式高精度標定方法。本發明還涉及一種多臺機器人之間位姿的非接觸式高精度標定方法。
【背景技術】
[0002]以工業機器人為主的柔性加工生產單元已成為制造業的主要發展方向，其中對于機器人位姿的準確控制、機器人的參數化編程、機器人組的高精度協調工作、機器人位姿變換，機器人系統的搬遷，機器人多工位程序共享，機器人軌跡規劃等這些方面的需求正逐漸成為關注的焦點。上述這些方面都需要建立實際機器人及其工作環境中和其他設備和工具的精確模型，所以對機器人的環境物參數(工件坐標系)、工具參數的標定以及機器人間的位姿關系標定非常重要。其標定精度直接影響到機器人系統的使用情況。
[0003]工業機器人系統包括至少一個機器人、至少一工作區域，機器人具有機器人基坐標系，且配置有關節位置編碼器，機器人前端具有法蘭盤；機器人法蘭盤上可以安裝有工具體，工具體具有工具坐標系；工作區域具有工件坐標系；機器人基坐標系、工具坐標系和工件坐標系構成了工業機器人系統的坐標系體系。
[0004]為了解決上述機器人體系的標定問題，現有的方法都需要通過安裝于機器人的工具體末端來接觸空間的某點或某幾點后完成。如圖1所示為機器人的TCP(Tool CoordinatePoint,工具坐標系)標定方法,這種標定方法的操作較為繁瑣,對空間點也有一定的要求，需要機器人保持空間點位置不變的情況下，以不同的姿態得到幾個點來完成；并且，其標定精度因操作人而異，存在一定的不可控因素，這使得標定后得到的數值有較大的誤差，通常在毫米級，且需要花費大量的時間。這種標定方法所存在的弊端無法適應現代化生產對機器人更高精度、對標定操作更高效率、標定精度更高的要求。
[0005]中國專利201010545419.7公開了一種基于激光跟蹤測量的機器人工具坐標系自動標定裝置及方法，但其只針對機器人工具坐標系進行標定，并非針對整個機器人系統，這就造成了即使工具坐標系的精度達到一定程度，但是由于其他坐標系的精度不能匹配，同樣會影響到機器人在機器人位姿的準確控制、機器人的參數化編程、機器人組的高精度協調工作、機器人位姿變換，機器人系統的搬遷，機器人多工位程序共享，機器人軌跡規劃等方面的應用。另外，其標定時取點的數量較多，操作也較為繁瑣。最主要的，其工具坐標系的標定是面向作者自己設計的工具而進行的，而實際使用中，機器人前端的工具根據不同的應用是各式各樣的，因此其實用性并不是很高。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種機器人基坐標系的非接觸式高精度標定方法，它可以對機器人的基坐標系進行非接觸式高精度標定，并且與單臺機器人工件坐標系的非接觸式高精度標定方法以及單臺機器人工具坐標系的非接觸式高精度標定方法的配合應用，可以實現對整個機器人系統的非接觸高精度的標定。
[0007]為解決上述技術問題，本發明機器人基坐標系的非接觸式高精度標定方法的技術解決方案為，包括以下步驟:
[0008]步驟一，安裝標定指工裝；
[0009]對于前端未裝任何工具體的機器人，標定指工裝采用機器人法蘭盤加長桿和空間點位定位裝置；安裝方法為:將機器人法蘭盤加長桿安裝到法蘭盤上，然后將空間點位定位裝置吸附于或者裝配于機器人法蘭盤加長桿的自由端孔處；
[0010]對于前端已裝工具體的機器人，標定指工裝采用空間點位定位裝置，安裝方法為:將空間點位定位裝置直接吸附于或者裝配于工具體的相應位置；
[0011]步驟二，標定取點；
[0012]在空間中取至少三個APp P2、P3，激光測量儀在激光測量儀坐標系下測得Pij (Xi, Yi, Z1)、P2j (X2, y2, Z2)、P3j (x3, y3, z3),在 P1 點進行圓擬合后得到 Pej (Pex, Pey, Pez)；
[0013]三個點P2、P3的取點方法為:
[0014]測量球在空間任意一點P1，測量球從P1點沿機器人基坐標系的X正方向運行一段距離后得到P2，測量球從P1點向第一象限或第四象限運行一段距離后得到P3 ；
[0015] 步驟三，通過坐標變換的算法，得到機器人的基坐標系的標定矩陣；
[0016]通過上述測得的PljU1, Y1, Z1)、P2j (X2, y2, Z2)、P3J (x3, y3, z3)和圓擬合得到的Ι^_(ΡΜ，Pey, PJ，求解激光測量儀坐標系到機器人基坐標系的齊次變換矩陣
【權利要求】
1.一種機器人基坐標系的非接觸式高精度標定方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一，安裝標定指工裝； 對于前端術裝任何工具體的機器人，標定指工裝采用機器人法蘭盤加長桿和空間點位定位裝置；安裝方法為:將機器人法蘭盤加長桿安裝到法蘭盤上，然后將空間點位定位裝置吸附于或者裝配于機器人法蘭盤加長桿的自由端孔處； 對于前端已裝工具體的機器人，標定指工裝采用空間點位定位裝置，安裝方法為:將空間點位定位裝置直接吸附于或者裝配于工具體的相應位置； 步驟二,標定取點； 在空間中取至少三個點Pp P2、P3，激光測量儀在激光測量儀坐標系下測得PuU1, Y1,Z1)、P2j (x2,12, Z2)、P3j (x3, y3，Z3)，在 P1 點進行圓擬合后得到 Pej (Pex, Pey, Pez)； 三個點Pp P2> P3的取點方法為: 測量球在空間任意一點P1，測量球從P1點沿機器人基坐標系的X正方向運行一段距離后得到P2，測量球從P1點向第一象限或第四象限運行一段距離后得到P3 ； 步驟三，通過坐標變換的算法，得到機器人的基坐標系的標定矩陣；
通過上述測得的 PljU1, Υι? Z1)、P2j (x2, j2, ζ2)、Ρ3」(χ3, y3, z3)和圓擬合得到的 Pej(Ρ?，pey, Pj，求解激光測量儀坐標系到機器人基坐標系的齊次變換矩陣={ Rn' 'fl，從而
I 0 1 J實現對機器人基坐標系的標定；
⑷ i C% c%、 其中:Pev ,,Rj= C.X。
UJ IcX c%)
2.根據權利要求1所述的機器人基坐標系的非接觸式高精度標定方法，其特征在于:所述步驟三中的算法為: A、機器人基坐標系方向向量的計算 在激光測量儀坐標系下，易=PljP2j = 1? -.T 1-V15T2-Z1]
PljPii ^{χ3-Xl^y1-
則
—__? 7 ^2,- = Xi X V,- = X2 -X1 γ2- V1 Z2 — Z1 = {=u, Zv, }Λ 一 Λ
其中:ziX = (y2_yi) (Z3-Z1)-(Z2-Z1) (Y3-Y1)
Ziy = (X3-X1) (Z2-Z1)-(X2-X1) (Z3-Z1)
ziz = (χ2_χι) (y3_yi)_(y2_yi) (χ3_χι) 一一一 i J' k
=ZiXXi = zixZiyZta ={yjx,y,,,ylz}
X2 ~Χ? Λ—Λ Z2—Zl其中:
YiX = Ziy (Z2-Z1) -Ziz (Y2-Y1) = (X3-X1) [ (Z2-Z1) 2+(Y2I1) 2] - (X2-X1) [ (Z3-Z1)(Z2-ZXy3I1) (y2_yi) I
Yiy = (x2_xi) Ziz_Zix (Z2_Zl) = (y3_yi) [ (X2_X1) 2+ (Z2_Z1) 2] _ (y2_yi) [ (X2_X1)(X3-X1) + (Z3-Z1) (Z2-Z1)]
Iiz = Zix (y2_yi) _Ziy (χ2_χ?) = (Z3-Z1) [ (Y2I1) 2+ (X2-X1) 2] - (Z2-Z1) [ (Y3I1)(Υ2_Υι) + (χ3_χι) (X2-Xi) I 激光測量儀坐標系的萬={1,0,0} f = {0,1,0} ;Zj = {0,0，1} B、坐標系j與坐標系i方向余弦的計算
C、坐標系j到坐標系i旋轉矩陣％的計算
D、坐標系i到坐標系j的原點位置矢量爾的計算
所以
，其中％通過機器人內部關節的位置編碼器求得；
E、坐標系j到坐標系i的齊次變換矩陣％的計算
至此，完成機器人基坐標系的標定。
3.根據權利要求1所述的機器人基坐標系的非接觸式高精度標定方法，其特征在于:所述步驟二中的三個點PpP2、P3的取點方法為: 測量球在空間任意一點P1，測量球從P1點沿機器人基坐標系的X正方向運行一段距離后得到P2，測量球從P1點沿機器人基坐標系的I正方向運行一段距離后得到P3。
4.根據權利要求3所述的機器人基坐標系的非接觸式高精度標定方法，其特征在于:所述步驟三中的算法為: A、機器人基坐標系方向向量的計算 在激光測量儀坐標系下，Xi = PljP2j =(? -?,V2-,Z2-Z1J
激光測量儀坐標系的勺={1,0,0} ；yj ={0,1,0} IZi ={0,0,1} B、坐標系j與坐標系i方向余弦的計算
C、坐標系j到坐標系i旋轉矩陣％的計算
D、坐標系i到坐標系j的原點位置矢量爾的計算
所以
,其中eTi通過機器人內部關節的位置編碼器求得； E、坐標系j到坐標系i的齊次變換矩陣％的計算
至此，完成機器人基坐標系的標定。
5.根據權利要求1所述的機器人基坐標系的非接觸式高精度標定方法，其特征在于:所述步驟二中測量球從點P1移動至P2或P3點時運行的距離不小于50mm。
6.一種多臺機器人之間位姿的非接觸式高精度標定方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，分別為每臺機器人安裝標定指工裝； 對于前端未裝任何工具體的機器人，即機器人前端為法蘭盤時，標定指工裝采用機器人法蘭盤加長桿和空間點位定位裝置；安裝方法為:將機器人法蘭盤加長桿安裝到法蘭盤上，然后將空間點位定位裝置吸附于或者裝配于機器人法蘭盤加長桿的自由端孔處； 對于前端已裝工具體的機器人，標定指工裝采用空間點位定位裝置，安裝方法為:將空間點位定位裝置直接吸附于或者裝配于工具體的相應位置； 第二步，標定取點； 選定多臺機器人中的任意一臺機器人作為基準機器人，其他機器人分別與基準機器人組成不同的組；選定機器人組中的其中一臺機器人作為第一機器人，另一臺機器人作為第二機器人； 在激光測量儀坐標系下，對于第一機器人，測量球在空間任意一點P8，測量球在P8點沿機器人基坐標系的X正方向運行一段距離后得到P9，測量球在P8點沿機器人基坐標系的y正方向運行一段距離后得到Pltl;激光測量儀在激光測量儀坐標系下測得P8U8, y8，z8),P9 (χ9，y9，z9),P10(x10, y10, z1Q)，在 P8 點進行圓擬合后得到 Pelj (Pelx，Pely, Pelz);對于第二機器人，測量球在空間任意一點P11,測量球在P11點沿機器人基坐標系的X正方向運行一段距離后得到P12，測量球在P11點沿機器人基坐標系的ι正方向運行一段距離后得到P13;激光測量儀在激光測量儀坐標系下測得 P11 (xn, yn, Z11)、P12 (X12, y12, z12)、P13(x13, y13, z13),在 P11 點進行圓擬合后得到Pe2j (Pe2x，Pe2y^ P&); 第三步，通過坐標變換的算法，得到每組中兩臺機器人之間的位姿關系；
通過上述測 1% 的 (X8, 5^8，Z8)、(X9, 5^9，Z9) > ?10 (Χ10? Υ?Ο? Ζ10)，P11 ^>Χ11 , Yll ? Ζ1?)、Ρ*12 (Χ12,yi2，z12)、P13(x13，y13，z13)，和圓擬合得到的 Pelj(Pelx，Pely，Pelz)，Pe2j(Pe2x，Pe2y，Pe2z)，求解第一機,iIR JJ1IJ V1器人的基坐標系到第二機器人的基坐標系的齊次變換矩陣4盡
從而實現對兩臺機器人之間的位姿關系的標定；
7.根據權利要求6所述的多臺機器人之間位姿的非接觸式高精度標定方法，其特征在于:所述第三步中的算法為: A、激光測量儀坐標系j到第一機器人的基坐標系I1的齊次變換矩陣^/^的計算:其中
B、激光測量儀坐標系j到第二機器人的基坐標系i2的齊次變換矩陣^1,的計算其中
C、第一機器人的基坐標系I1到第二機器人的基坐標系i2的齊次變換矩陣i2A1的計算
至此，完成兩臺機器人基坐標系的關系的標定。
【文檔編號】G01B11/00GK104165584SQ201310182990
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年5月17日 優先權日:2013年5月17日
【發明者】朱笑奔, 汪航, 吳旭 申請人:上海三菱電梯有限公司