一種基于末端非完整坐標信息的機器人標定系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于末端非完整坐標信息的機器人標定系統(tǒng)，屬于機器人標定領域。本實用新型所述磁性表座通過磁力安裝在固定平臺上，磁性表座與拉線傳感器通過連接桿連接在一起，拉線傳感器拉線的末端安裝在萬向節(jié)上，萬向節(jié)上貼有傾角傳感器，傾角傳感器隨萬向節(jié)一起運動，萬向節(jié)安裝在機器人上；拉線傳感器、傾角傳感器分別通過拉線傳感器電纜、傾角傳感器電纜與計算機連接通訊，機器人通過機器人電纜與計算機連接通訊；通過計算機采集拉線傳感器的拉線長度、傾角傳感器的角度、機器人的關節(jié)轉(zhuǎn)角。本實用新型提高了結構參數(shù)解算的可靠性和精度；簡化了操作步驟并提高了標定效率。
【專利說明】
一種基于末端非完整坐標信息的機器人標定系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種基于末端非完整坐標信息的機器人標定系統(tǒng)，屬于機器人標 定領域。
【背景技術】
[0002] 隨著機器人在各個行業(yè)的廣泛運用，業(yè)界對工業(yè)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(jié)的結構參數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)采集費時費力，難以實現(xiàn)自動化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實用新型提供了一種基于末端非完整坐標信息的機器人標定系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有 設備成本高、操作步驟繁瑣、定位精度低等問題。
[0006] 本實用新型的技術方案是：一種基于末端非完整坐標信息的機器人標定系統(tǒng)，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(jié)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(jié)6上，萬向節(jié)6上貼有傾角傳感器5， 傾角傳感器5隨萬向節(jié)6-起運動，萬向節(jié)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(jié)轉(zhuǎn)角。
[0008] 本實用新型的工作原理是：將拉線傳感器4、傾角傳感器5、萬向節(jié)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(jié)轉(zhuǎn)角， 并按照關節(jié)變換順序改變機器人7的位姿，使采集到充足的數(shù)據(jù);首先根據(jù)采集到的角度確 定拉線的方向向量，其次根據(jù)方向向量計算出任意兩次拉線的夾角，最后根據(jù)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(jù)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(shù)為未知量的方 程式，求解出該方程式即實現(xiàn)對機器人的標定。
[0009] 具體步驟如下：
[0010] Stepl、將傾角傳感器5貼在萬向節(jié)6上，并將萬向節(jié)6安裝在機器人7末端上；
[0011] 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(jié)6的末端連接；
[0012] 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(shù)變量v = 〇;
[0013] Step4、判斷是否完成數(shù)據(jù)采集操作；
[0014]若已經(jīng)完成數(shù)據(jù)采集則轉(zhuǎn)至Step7,若尚未完成則轉(zhuǎn)至Step4;
[0015] Step5、計數(shù)變量自增l:v = v+l;
[0016] 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(shù)據(jù)和機 器人7的關節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)；
[0017] Step7、變換機器人7的位姿，變換的原則為:按照關節(jié)順序的大小依次變換每個關 節(jié)的轉(zhuǎn)角（如：按照關節(jié)從小到大的原則依次運動，關節(jié)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(jié)的角度增加20°，一直增加到340°，即完成此關節(jié)的位 姿變換，其余關節(jié)也可按照這種方法運動，使機器人7各個關節(jié)充分運動，用戶也可增加或 減少位姿的變換次數(shù)，以便獲得更多數(shù)據(jù)）；其中所有關節(jié)變換次數(shù)為t，每變換一次就返回 到步驟Step4進行判斷；
[0018] Step8、完成數(shù)據(jù)采集后令t = v;
[0019 ] Step9、機器人7末端空間連續(xù)兩點i與j距離的計算：
[0020]數(shù)據(jù)采集完成后，利用采集到數(shù)據(jù)即可計算機器人7末端空間連續(xù)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(jié)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a、與y軸的夾 角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(jù)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(jù)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；
[0021]方向向量的計算：
[0022]在i位置的拉線的方向向量：
[0023]利用方向余弦cosai2+cos0i2+cos y i2 = l，計算出角度y i從而確定在i位置的拉線 的方向向量111，111=((308€4，(308&，(308 7^);
[0024] 在」位置的拉線的方向向量11為:11=((3〇8(1」，(3〇8氏，(3〇8 7^);
[0025] 在i位置的拉線與在j位置的拉線的夾角氣./為：
[0026] 機器人7末端i與j兩點之間距離的計算：
[0027] 根據(jù)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;ai、隊、yi 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； 的、^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；
[0028] Step 10、待標定的機器人7結構參數(shù)的求解：
[0029]利用采集到的機器人7的關節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，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：
~ ./a風I
[0031] 其中，）'/=./:.(見丨片.2,…，見u，q)表示機器人7末端位置位于i時的坐標值，山 zi = f::(A、\A2，、U 01>2,…，01>w表示機器人7末端位置位于i時的w個關節(jié)轉(zhuǎn)角值，q為待辨識的機器人7結構參 數(shù)向量； ?尤/ - ./x (沒6/,2，…，沒/，斯分).
[0032] .' = 4 (&1，力,2，…為#，W表示機器人7末端位置位于j時的坐標值，0 j, i， Zj ~ i7, (^/,l 5 ^/,2： 5 * * * > ^j,W > m) Q j, 2 , ??? , 0 j, w表不機器人7末端位置位于j時的W個關節(jié)轉(zhuǎn)角值；
[0033] SteplO、求解t個方程組成的方程組：
[0035]在上面的方程組中，只有待辨識的機器人7的結構參數(shù)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(shù)向量q的精確值；
[0036] Stepll、將結構參數(shù)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。
[0037]本實用新型的有益效果是：
[0038] 1、采用長度可變化的拉線傳感器，從而在采集數(shù)據(jù)時機器人的運動空間變大，機 器人各關節(jié)的運動更加充分，為結構參數(shù)解算提供了魯棒性更強的數(shù)據(jù)支持同時標定操作 更加靈活輕便。
[0039] 2、機器人末端在空間兩點間的距離，可根據(jù)拉線傳感器與傾角傳感器的讀數(shù)精確 計算出，提高了結構參數(shù)解算的可靠性和精度。
[0040] 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】
[0041 ]圖1是本實用新型裝置在標定過程中采集數(shù)據(jù)時的位姿圖；
[0042]圖2是本實用新型機器人末端在位姿i、j時的長度與角度示意圖；
[0043]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(jié)、7-機器人、8-拉線傳感器電纜、9-機器人電纜、10-傾角傳感器電纜、11-計算機。
【具體實施方式】
[0044] 實施例1:如圖1-2所示，一種基于末端非完整坐標信息的機器人標定系統(tǒng)，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(jié)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;
[0045] 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(jié)6上，萬向節(jié)6上貼有傾角傳感器5， 傾角傳感器5隨萬向節(jié)6-起運動，萬向節(jié)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(jié)轉(zhuǎn)角。
[0046] 上面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作了詳細說明，但是本實用新型并不 限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本實用 新型宗旨的前提下作出各種變化。
【主權項】
1. 一種基于末端非完整坐標信息的機器人標定系統(tǒng)，其特征在于:包括固定平臺（I)、 磁性表座(2)、連接桿(3)、拉線傳感器(4)、傾角傳感器(5)、萬向節(jié)(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); 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(jié)(6)上，萬向節(jié)(6)上貼有 傾角傳感器(5)，傾角傳感器(5)隨萬向節(jié)(6)-起運動，萬向節(jié)(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(jié)轉(zhuǎn)角。
【文檔編號】B25J19/00GK205466311SQ201620025693
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月12日
【發(fā)明人】張懷山, 高貫斌, 那靖, 傘紅軍, 伍星
【申請人】昆明理工大學