一種機器人自動計算實際臂長的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過零點標定及臂長標定控制精度的機器人自動計算實際臂長的方法。所述機器人包括第一軸臂、第二軸臂、基座，所述第一軸臂與基座通過第一軸關(guān)節(jié)機械連接，第一軸臂可通過第一軸關(guān)節(jié)圍繞基座旋轉(zhuǎn)；所述第一軸臂、第二軸臂通過第二軸關(guān)節(jié)機械連接，第一軸臂、第二軸臂可圍繞第二軸關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)；通過已知平面上三個點的距離，采集機器人的軸臂末端在三個點上時的軸關(guān)節(jié)位置，自動計算出實際臂長和建立基坐標系。本發(fā)明利用自身電機的編碼器和選定的外部三個參考點，通過簡單實用而有效的方法任意定義機器人基坐標系，即可準確測得機器人的實際臂長，實現(xiàn)方法簡單，應(yīng)用靈活，精確度高，控制效率大為提升。
【專利說明】
一種機器人自動計算實際臂長的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及機器人領(lǐng)域，尤其涉及一種通過零點標定及臂長標定控制精度的機器 人控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 1978年，日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明 SCARA(Selective Compl iance Assembly Robot Arm)，該機器人具有四個軸和四個運動自由度，（包括沿X，Y，Z方向的平移和繞Z軸的 旋轉(zhuǎn)自由度）。SCARA機器人在X，Y方向上具有順從性，而在Z軸方向具有良好的剛度，此特性 特別適合于裝配工作;其串接的兩桿結(jié)構(gòu)，類似人的手臂，可以伸進有限空間中作業(yè)然后收 回，適合于搬動和取放物件。SCARA機器人結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈活，速度快、位置精度高，廣泛應(yīng) 用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。
[0003] 由于機械加工誤差、裝配誤差，摩擦磨損等因素的影響，實際機器人的運動學(xué)參數(shù) (如臂長，減速比等）與理論設(shè)計值存在一定偏差，必須通過一定的測量手段或幾何約束關(guān) 系等，并基于機器人的運動學(xué)模型，準確地辨識出運動學(xué)參數(shù)，從而提高機器人的絕對定位 精度。在未知機器人臂長情況下，如何通過簡單實用而有效的方法測得SCARA機器人的臂 長，有著重要意義。
[0004] SCARA機器人的零點為兩臂共線且與基坐標系X軸重合時，機器人末端對應(yīng)的位姿 (也可以用此時絕對式編碼器對應(yīng)的值來表示）。為使用戶可以在實際應(yīng)用中任意定義機器 人基坐標系，提高靈活性及效率，提出了機器人零點標定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于【背景技術(shù)】中提到的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種通過已知平面上三個點的距 離，采集機器人的軸臂末端在三個點上時的軸關(guān)節(jié)位置，自動計算出實際臂長和建立基坐 標系的方法。
[0006] 本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容為：
[0007] -種機器人自動計算實際臂長的方法，所述機器人包括第一軸臂、第二軸臂、基 座，所述第一軸臂與基座通過第一軸關(guān)節(jié)機械連接，第一軸臂可通過第一軸關(guān)節(jié)圍繞基座 旋轉(zhuǎn);所述第一軸臂、第二軸臂通過第二軸關(guān)節(jié)機械連接，第一軸臂、第二軸臂可圍繞第二 軸關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn);所述機器人自動計算實際臂長的方法包括如下步驟：
[0008] 選定機器人活動空間內(nèi)的第一觸碰點仏，所述第一軸臂、第二軸臂以兩種對稱位 姿使第二軸臂末端觸碰第一觸碰點出，分別記錄第一軸臂、第二軸臂處于兩種位姿時的角 度位置；
[0009] 以所述第二軸臂末端觸碰第一觸碰點出的兩種位姿的對稱軸線為X軸，Y軸垂直于 X軸，以第一軸關(guān)節(jié)為原點建立基坐標系，所述m點位于X軸上，設(shè)定該X軸為所述機器人零 點位置；
[0010] 計算第二軸臂末端觸碰第一觸碰點出時第一軸臂、第二軸臂在所述基坐標系中分 別轉(zhuǎn)過的角度片I、巧(1);
[0011]在所述基坐標系中選定第二觸碰點B2、第三觸碰點B3，設(shè)定BiB2 = B2B3 = L;計算第 二軸臂末端觸碰第二觸碰點B2時第一軸臂、第二軸臂在所述基坐標系中分別轉(zhuǎn)過的角度 <2>、4 (2>;計算第二軸臂末端觸碰第三觸碰點B3時第一軸臂、第二軸臂在所述基坐標系中 分別轉(zhuǎn)過的角度< 3>、咚(、
[0012] 設(shè)定第一軸臂長度為U、第二軸臂長度為L2，則通過
[0013]
[0014] 計算可得第一軸臂長U、第二軸臂長L2長度；
[0015] 優(yōu)選地，所述機器人計算真實臂長方法還包括：
[0016] 所述第一軸臂、第二軸臂以兩種對稱位姿使第二軸臂末端觸碰第一觸碰點&，采 集第一軸臂的旋轉(zhuǎn)角度位置及以對稱位姿的旋轉(zhuǎn)角度位置采集第二軸臂的角度位 置if及旋轉(zhuǎn)至對稱位姿的角度位置邊 3 ;
[0017] 設(shè)定所述第一軸臂到達機器人零點位置的旋轉(zhuǎn)角度位置SEi，第二軸臂達到零點 位置的旋轉(zhuǎn)角度位置為E2，則所述機器人零點位置對應(yīng)
[0020] 優(yōu)選地，所述第一軸臂、第二軸臂旋轉(zhuǎn)的角度位置為通過編碼器記錄；
[0021] 所述第一軸臂與第二軸臂以兩種對稱位姿使第二軸臂末端到達第一觸碰點B1;所 述編碼器記錄第一軸臂的旋轉(zhuǎn)角度位置# :1)及以對稱位姿的旋轉(zhuǎn)角度位置ef1，所述編碼器 記錄第二軸臂的角度位置ef及旋轉(zhuǎn)至對稱位姿的角度位置ef 1 ;
[0022] 所述第二軸臂末端以任意位姿到達第二觸碰點B2;所述編碼器記錄第一軸臂的旋 轉(zhuǎn)角度位置<3)，所述編碼器記錄第二軸臂的旋轉(zhuǎn)角度位置if ;所述第二軸臂末端以任意位 姿到達第三觸碰點B3;所述編碼器記錄第一軸臂的旋轉(zhuǎn)角度位置if,所述編碼器記錄第二 軸臂的旋轉(zhuǎn)角度位置ef;
[0023] 則所述機器人第二軸臂末端以對稱位姿觸碰仏時，第一軸臂、第二軸臂在所述基 坐標系中的轉(zhuǎn)角分別為：
[0026]其中，m，n2S用于表示第一軸臂與第二軸臂角度位置的編碼器的位數(shù)，奶，％為第 一軸關(guān)節(jié)與第二軸關(guān)節(jié)的減速比。
[0027]同理可得所述機器人第二軸臂末端觸碰出時，第一軸臂、第二軸臂在所述基坐標 系中的轉(zhuǎn)角分別為<2)、
[0028]同理可得所述機器人第二軸臂末端觸碰B3時，第一軸臂、第二軸臂在所述基坐標 系中的轉(zhuǎn)角分別為貧(3)、咚(3)_;
[0029] 所述機器人自動計算真實臂長方法應(yīng)用于SCARA機器人；
[0030] 優(yōu)選地，所述機器人自動計算實際臂長的方法應(yīng)用于可做平面自由度運動的多軸 機器人。
[0031] 有益效果
[0032] 本發(fā)明基于機器人的運動學(xué)模型，無需特殊儀器，利用自身電機的編碼器和選定 的外部三個參考點，通過簡單實用而有效的方法任意定義機器人基坐標系，即可準確測得 機器人的實際臂長，實現(xiàn)方法簡單，應(yīng)用靈活，精確度高，控制效率大為提升。
[0033] 機器人在生產(chǎn)過程中，臂長在裝配后會和設(shè)計值有誤差，傳統(tǒng)的機器人生產(chǎn)組裝 需要通過裝配工藝來控制裝配誤差。而通過這種標定方法，本身就不需要知道臂長的設(shè)計 長度，直接可以求出裝配后的實際長度，大大促進了生產(chǎn)效率和提升了精度。
[0034]本方法只需要采集三個外部參考點，相比傳統(tǒng)的標定方法，機器人手臂可以在工 作臺上無需拆卸就可以直接進行校正，體現(xiàn)在維護效率上的提升。
【附圖說明】
[0035] 圖1為所述機器人自動計算實際臂長的方法整體原理示意圖；
[0036] 圖2為所述機器人自動計算實際臂長的方法零點標定原理示意圖；
[0037] 圖3為所述機器人自動計算實際臂長的方法臂長計算原理示意圖；
[0038] 圖4為所述機器人自動計算實際臂長的方法零點標定計算示意圖；
[0039] 圖5為所述機器人自動計算實際臂長的方法臂長計算示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面將結(jié)合本發(fā)明附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯 然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實 施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬 于本發(fā)明保護的范圍。
[0041] 如圖1、2、3所示，一種機器人自動計算實際臂長的方法，所述機器人包括第一軸 臂、第二軸臂、基座，所述第一軸臂與基座通過第一軸關(guān)節(jié)機械連接，第一軸臂可通過第一 軸關(guān)節(jié)圍繞基座旋轉(zhuǎn);所述第一軸臂、第二軸臂通過第二軸關(guān)節(jié)機械連接，第一軸臂、第二 軸臂可圍繞第二軸關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)；
[0042] 所述第一軸關(guān)節(jié)、第二軸關(guān)節(jié)處安裝有電機，所述第一軸臂、第二軸臂通過電機帶 動旋轉(zhuǎn)；
[0043] 所述機器人還包括編碼器，所述編碼器安裝于第一軸關(guān)節(jié)、第二軸關(guān)節(jié)電機位置 處，所述編碼器包括第一編碼器、第二編碼器;所述第一編碼器安裝于第一軸關(guān)節(jié)處，用于 記錄所述機器人第一軸臂圍繞第一軸關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度位置;所述第二編碼器安裝于第二軸 關(guān)節(jié)處，用于記錄所述機器人第二軸臂圍繞第二軸關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度位置；
[0044]如圖4所示，第一軸關(guān)節(jié)位于原點0處，第二軸關(guān)節(jié)位于A及A'點處，0A或0A'為第一 軸臂，為第二軸臂，如圖4、5所示，Βχ?點位置為第二軸臂末端位置；
[0045] 所述機器人自動計算實際臂長的方法包括如下步驟，如圖1所示：
[0046] 步驟101，計算機器人初始零點位置；
[0047]該步驟具體分解實現(xiàn)如下：
[0048]步驟201，選定機器人活動空間內(nèi)的第一觸碰點也，所述第一軸臂與第二軸臂以兩 種對稱位姿使第二軸臂末端到達第一觸碰點Β1;所述第一編碼器、第二編碼器分別記錄第 一軸臂的旋轉(zhuǎn)角度位置ef及以對稱位姿的旋轉(zhuǎn)角度位置if，記錄第二軸臂的角度位置if 1 及旋轉(zhuǎn)至對稱位姿的角度位置if ;
[0049] 步驟202,以所述第二軸臂末端觸碰第一觸碰點也的兩種位姿的對稱軸線為X軸，Y 軸垂直于X軸，以第一軸關(guān)節(jié)為原點建立基坐標系，所述m點位于X軸上，設(shè)定該X軸為所述 機器人零點位置；
[0050] 如圖4所示，由于0Α = 0Α'，ΑΒρΑ'Βι,ΔΟΑ^ s 為04'盡。則 Δ ΟΑΒι與 Δ ΟΑ'Βι關(guān)于X 軸對稱。設(shè)定所述第一軸臂到達機器人零點位置的旋轉(zhuǎn)角度位置通過第一編碼器記錄為 Ei，第二軸臂達到零點位置的旋轉(zhuǎn)角度位置通過第二編碼器記錄為E2，則所述機器人零點位 置對應(yīng)
[0053]步驟102,計算所述機器人第一軸臂、第二軸臂長度；
[0054]該步驟具體分解實現(xiàn)如下：
[0055]步驟301，計算第二軸臂末端觸碰第一觸碰點也時第一軸臂、第二軸臂在所述基坐 標系中分別轉(zhuǎn)過的角度Μ '、咬W
[0056]則所述機器人第二軸臂末端以對稱位姿觸碰仏時，第一軸臂、第二軸臂在所述基 坐標系中的轉(zhuǎn)角分別為：

[0059] 其中，m，n2S用于采集第一軸臂與第二軸臂角度位置的編碼器的位數(shù)，做，約為第 一軸關(guān)節(jié)與第二軸關(guān)節(jié)的減速比。
[0060] 步驟302,在所述基坐標系中選定第二觸碰點B2、第三觸碰點B3,如圖5所示設(shè)定 BiBpB.zL;計算第二軸臂末端觸碰第二觸碰點B 2時第一軸臂、第二軸臂在所述基坐標系 中分別轉(zhuǎn)過的角度02)、忠25 ;計算第二軸臂末端觸碰第三觸碰點B3時第一軸臂、第二軸臂 在所述基坐標系中分別轉(zhuǎn)過的角度沒廣、化；
[0061] 參照步驟302，同理可計算得所述機器人第二軸臂末端觸碰出時，第一軸臂、第二 軸臂在所述基坐標系中的轉(zhuǎn)角分別為3 '、
[0062]同理可計算得所述機器人第二軸臂末端觸碰B3時，第一軸臂、第二軸臂在所述基 坐標系中的轉(zhuǎn)角分別為吖" > ，.
[0063]步驟303,計算第一軸臂、第二軸臂的長度；
[0064]具體計算方法為:設(shè)定第一軸臂長度為U、第二軸臂長度為L2，則通過
[0076]求得P，Q可以得到第一軸臂U，第二軸臂1^2的長度分別為：

[0078] 所述機器人自動計算實際臂長的方法應(yīng)用于SCARA機器人或者應(yīng)用于類似SCARA 機器人一樣可做平面自由度運動的多軸機器人的臂長誤差計算;所述類似SCARA機器人一 樣可做平面自由度運動的多軸機器人為至少兩個軸臂可在同一平面內(nèi)運動或可在近似同 一平面內(nèi)運動的多軸機器人；
[0079] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發(fā)明的【具體實施方式】只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來 說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下做出若干等同替代或明顯變形，而且性能或用途相同，都 應(yīng)視為本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定的專利保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種機器人自動計算實際臂長的方法，所述機器人包括第一軸臂、第二軸臂、基座， 所述第一軸臂與基座通過第一軸關(guān)節(jié)機械連接，第一軸臂可通過第一軸關(guān)節(jié)圍繞基座旋 轉(zhuǎn);所述第一軸臂、第二軸臂通過第二軸關(guān)節(jié)機械連接，第一軸臂、第二軸臂可圍繞第二軸 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn);其特征在于，所述機器人自動計算實際臂長的方法包括如下步驟： 選定機器人活動空間內(nèi)的第一觸碰點也，所述第一軸臂、第二軸臂以兩種對稱位姿使第 二軸臂末端觸碰第一觸碰點，分別記錄第一軸臂、第二軸臂處于兩種位姿時的角度位置； 以所述第二軸臂末端觸碰第一觸碰點也的兩種位姿的對稱軸線為X軸，Y軸垂直于X軸， 以第一軸關(guān)節(jié)為原點建立基坐標系，所述也點位于X軸上，設(shè)定該X軸為所述機器人零點位 置； 計算第二軸臂末端觸碰第一觸碰點也時第一軸臂、第二軸臂在所述基坐標系中分別轉(zhuǎn) 過的角度91(1)、02(1); 在所述基坐標系中選定第二觸碰點B2、第三觸碰點B3，設(shè)定BiB2 = B2B3 = L;計算第二軸 臂末端觸碰第二觸碰點出時第一軸臂、第二軸臂在所述基坐標標系中分別轉(zhuǎn)過的角度 θ2(2);計算第二軸臂末端觸碰第三觸碰點Β 3時第一軸臂、第二軸臂在所述基坐標系中分別轉(zhuǎn) 過的角度91(3)、0 2(3\ 設(shè)定第一軸臂長度為U、第二軸臂長度為L2，則通過 [L, cos%1) + L，cos(碭⑴ + 沒?1'1)) - /，cosi?/·2) - cos(沒/」)+ %2')]」 -1-[4 sin 印'）十 L2 sin(印n 十込⑴）--L, sinq(2:i - + 爲(wèi)(2) [冬 cos%*0 + L2 C〇s(0u! + 沒2(2))-人I €08((9/.51 + 沒2。))]2 +[/，sin印2) + sin⑷?2) + g(2))-冬 sin - A sin(6V:') + g⑶)]2 二 if 計算可得第一軸臂長u、第二軸臂長l2長度。2. 如權(quán)利要求1所述機器人自動計算實際臂長的方法，其特征在于，所述機器人自動計 算實際臂長的方法還包括： 所述第一軸臂、第二軸臂以兩種對稱位姿使第二軸臂末端觸碰第一觸碰點出，記錄第一 軸臂的旋轉(zhuǎn)角度位置if及以對稱位姿的旋轉(zhuǎn)角度位置ep1，記錄第二軸臂的角度位置及 旋轉(zhuǎn)至對稱位姿的角度位置e( 2i ; 設(shè)定所述第一軸臂到達機器人零點位置的旋轉(zhuǎn)角度位置SEi，第二軸臂達到零點位置 的旋轉(zhuǎn)角度位置為E2，則所述機器人零點位置對應(yīng)3. 如權(quán)利要求1所述機器人自動計算實際臂長的方法，其特征在于，所述第一軸臂、第 二軸臂旋轉(zhuǎn)的角度位置為通過編碼器記錄； 所述第一軸臂與第二軸臂以兩種對稱位姿使第二軸臂末端到達第一觸碰點B1;所述編 碼器記錄第一軸臂的旋轉(zhuǎn)角度位置ef及以對稱位姿的旋轉(zhuǎn)角度位置ef 所述編碼器記錄 第二軸臂的角度位置ef及旋轉(zhuǎn)至對稱位姿的角度位置ef ; 所述第二軸臂末端以任意位姿到達第二觸碰點B2;所述編碼器記錄第一軸臂的旋轉(zhuǎn)角 度位置if，所述編碼器記錄第二軸臂的旋轉(zhuǎn)角度位置ef ;所述第二軸臂末端以任意位姿到 達第三觸碰點B3;所述編碼器記錄第一軸臂的旋轉(zhuǎn)角度位置if,所述編碼器記錄第二軸臂 的旋轉(zhuǎn)角度位置if ; 則所述機器人第二軸臂末端以對稱位姿觸碰出時，第一軸臂、第二軸臂在所述基坐標系 中的轉(zhuǎn)角分別為：其中，m，n2為用于表示第一軸臂與第二軸臂角度位置的編碼器的位數(shù)，奶，2為第一軸 關(guān)節(jié)與第二軸關(guān)節(jié)的減速比； 同理可得所述機器人第二軸臂末端觸碰出時，第一軸臂、第二軸臂在所述基坐標系中的 轉(zhuǎn)角分別為Θι(2)、Θ2(2); 同理可得所述機器人第二軸臂末端觸碰Β3時，第一軸臂、第二軸臂在所述基坐標系中的 轉(zhuǎn)角分別為Θι(3)、Θ2(3)。4. 如權(quán)利要求1或2或3所述機器人自動計算實際臂長的方法，其特征在于:所述機器人 自動計算實際臂長的方法應(yīng)用于SCARA機器人。5. 如權(quán)利要求1或2或3所述機器人自動計算實際臂長的方法，其特征在于:所述機器人 自動計算實際臂長的方法應(yīng)用于可做平面自由度運動的多軸機器人。
【文檔編號】B25J9/16GK106064379SQ201610578648
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年7月21日
【發(fā)明人】楊基鵬, 郭曉彬
【申請人】深圳眾為興技術(shù)股份有限公司