專利名稱：基于激光跟蹤測量的附加外軸機器人自動標定裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于激光跟蹤測量的附加外軸機器人自動標定裝置及方法。
背景技術：
飛機數(shù)字化裝配系統(tǒng)中的大量模塊化工裝和自動化設備系統(tǒng)，比如系統(tǒng)平臺、靶 標法蘭、靶標、機器人導軌、機器人、激光跟蹤儀、工件、數(shù)控精加工機床、三坐標數(shù)控定位 器，都是在自身的局部坐標系下伺服運動。為了提高系統(tǒng)的運動性能和精度，必須構建系統(tǒng) 全局坐標系與各組成子系統(tǒng)局部坐標系的轉換關系。各組成子系統(tǒng)局部坐標系的創(chuàng)建與標 定是系統(tǒng)初始化必須完成的重要工作之一，其創(chuàng)建與標定將直接影響到系統(tǒng)的精度。帶附加外軸的機器人以其極高的重復定位精度、較高的絕對定位精度、高度的柔 性、較小的安裝空間需求和可編程控制等特點，保證其具有比較大的靈活作業(yè)空間的同時， 保證了裝配系統(tǒng)總體布局設計上的結構緊湊性和作業(yè)空間開敞性，在飛機數(shù)字化裝配系統(tǒng) 中具有廣泛應用。構建和標定機器人坐標系可以較為精確地確定靶標、工具、工件、移動導軌坐標系 在全局坐標系下的位姿，機器人移動時便可準確定位機器人及其工具。構建和標定機器人坐標系的傳統(tǒng)方法僅僅提出了個別坐標系的構建和標定過程 而不夠系統(tǒng)全面，有的要求特殊的標準試件而難以加工，大多數(shù)沒有給出標定后具體精度 的數(shù)值指標。帶附加外軸的機器人系統(tǒng)坐標系的構建與標定過程是一個極其繁瑣而復雜的過 程，本發(fā)明提出了一種快速簡單、精度較高的方法來構建與標定系統(tǒng)各坐標系，采用激光跟 蹤儀來測量一系列點并進行擬合計算，可以實現(xiàn)大批量全自動化構建與標定坐標系組。該 方法具有操作簡單、精度高、可靠性強等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述帶附加外軸的機器人系統(tǒng)坐標系的構建，提供一種基于 激光跟蹤測量的附加外軸機器人自動標定裝置及方法?；诩す飧櫆y量的附加外軸機器人自動標定裝置包括系統(tǒng)平臺、靶標法蘭、靶 標安裝孔、機器人導軌、機器人、激光跟蹤儀、工件、數(shù)控精加工機床、三坐標數(shù)控定位器、上 位機；系統(tǒng)平臺上安裝有9個通過高精密數(shù)控機床加工出的靶標安裝孔、三坐標數(shù)控定位 器、機器人導軌，在三坐標數(shù)控定位器上固定有工件，在機器人導軌上安裝有機器人，機器 人上安裝有靶標法蘭，靶標法蘭上有6個靶標安裝孔，在靶標安裝孔上設有靶標，系統(tǒng)平臺 外側設有數(shù)控精加工機床、激光跟蹤儀、上位機。所述的機器人的定位精度為士 0.692mm。所述的上位機、機器人、激光跟蹤儀之間通過RS485以太網(wǎng)連接實現(xiàn)Socket通訊， 以字符串的形式發(fā)送數(shù)據(jù)、命令、請求，通過上位機完成測量數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)的備份和保存。
基于激光跟蹤測量的附加外軸機器人自動標定方法包括標定世界坐標系、標定靶 標工具坐標系、標定BASE坐標系和標定TRACK坐標系，標定BASE坐標系包括標定BASE坐 標系各坐標軸方向和標定BASE坐標系原點，標定世界坐標系的步驟a)測量9個靶標在激光跟蹤儀坐標系下的位置；b)將靶標在激光跟蹤儀坐標系下的空間實際位置與理論位置進行匹配計算，獲取 激光跟蹤儀坐標系在世界坐標系下的姿態(tài)；c)根據(jù)激光跟蹤儀坐標系與世界坐標系的位姿轉換關系，將激光跟蹤儀測量坐標 系轉站到世界坐標系下；標定BASE坐標系各坐標軸方向的步驟d)使機器人沿BASE坐標系的X軸運動，連續(xù)測量靶標的位置，擬合一條直線即機 器人BASE坐標系的X軸方向；使機器人沿BASE坐標系的Y軸運動，連續(xù)測量靶標的位置， 擬合一條直線即機器人BASE坐標系Y軸的方向；e)通過機器人BASE坐標系的X軸和Y軸叉乘，計算出Z = XXY,即機器人BASE 坐標系Z軸的方向；標定靶標工具坐標系的步驟f)激光跟蹤儀坐標系轉站，使激光跟蹤儀坐標系的方向轉站后與機器人BASE坐 標系的方向一致；g)激光跟蹤儀控制機器人以4種不同的姿態(tài)使靶標達到空間同一點，分別記錄機 器人的工具中心點在BASE坐標系下的位姿；h)經(jīng)過旋轉矩陣變換，計算靶標在T00L0坐標系中的位置；標定BASE坐標系原點的步驟i)根據(jù)激光跟蹤儀坐標系與世界坐標系的位姿轉換關系，將激光跟蹤儀測量坐 標系轉站到世界坐標系下；i)上位機控制機器人回零，激光跟蹤儀測量靶標在世界坐標系下的位置；k)經(jīng)過位姿矩陣變換，計算BASE坐標系原點在世界坐標系中的位置；標定TRACK 坐標系的步驟1)上位機控制機器人沿TRACK坐標系X軸運動一段直線，每隔一段距離激光跟蹤 儀測量靶標在世界坐標系下的位置；m)將測量得到的一組數(shù)據(jù)進行直線擬合，得到TRACK坐標系X軸在世界坐標系下 的姿態(tài)作為TRACK坐標系的方向。步驟b)所述的將靶標在激光跟蹤儀坐標系下的空間實際位置與設定位置進行匹 配計算，獲取激光跟蹤儀坐標系在世界坐標系下的姿態(tài)的步驟為記測量3 9個靶標的實際坐標為Pa、理論坐標為PB，PAi，i = 1,2,... ,m為空間 固定靶標的實際坐標，PBi, i = 1,2,... ,m為空間固定靶標的理論坐標；姿態(tài)計算是實際測量坐標值到理論坐標值一個剛性轉換aTB PB = ATBXPA(1)該剛性變換aTb可表達為一個旋轉變化R和一個平移變換t的組合，即Pb = aTbXPa = RX PA+t (2)
由于測量誤差的存在，變換后的結果不能完全等于理論的坐標值，即ζ = PBi-(RXPAi+t), ζ 為誤差矩陣。(3)式中，{xAi’，yAi’，zAi’ }為PAi經(jīng)旋轉變化和一個平移變換后的坐標值，{xAi，yAi， ZaJ為PBi的坐標值。令Di;i = 1，2，...，m為靶標對應測量點轉換后與理論點之間的距離，即 A = λΙ(χα'-χβι)2+(ya'-yJ2 +( ,'- )權利要求
1.一種基于激光跟蹤測量的附加外軸機器人自動標定裝置，其特征在于包括系統(tǒng)平 臺(1)、靶標法蘭(2)、靶標安裝孔(3)、機器人導軌(4)、機器人(5)、激光跟蹤儀(6)、工件 (7)、數(shù)控精加工機床(8)、三坐標數(shù)控定位器(9)、上位機(10)；系統(tǒng)平臺(1)上安裝有9個 通過高精密數(shù)控機床加工出的靶標安裝孔(3)、三坐標數(shù)控定位器(9)、機器人導軌，在 三坐標數(shù)控定位器(9)上固定有工件(7)，在機器人導軌(4)上安裝有機器人(5)，機器人 (5)上安裝有靶標法蘭O)，靶標法蘭( 上有6個靶標安裝孔(3)，在靶標安裝孔C3)上設 有靶標，系統(tǒng)平臺(1)外側設有數(shù)控精加工機床(8)、激光跟蹤儀(6)、上位機(10)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于激光跟蹤測量的附加外軸機器人自動標定裝置，其 特征在于所述的機器人(5)的定位精度為士0.692mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于激光跟蹤測量的附加外軸機器人自動標定裝置，其 特征在于所述的上位機(10)、機器人(5)、激光跟蹤儀(6)之間通過RS485以太網(wǎng)連接實現(xiàn) Socket通訊，以字符串的形式發(fā)送數(shù)據(jù)、命令、請求，通過上位機(10)完成測量數(shù)據(jù)和計算 數(shù)據(jù)的備份和保存。
4.一種使用如權利要求1所述裝置的基于激光跟蹤測量的附加外軸機器人自動標定 方法，其特征在于包括標定世界坐標系(11)、標定靶標工具坐標系(12)、標定BASE坐標系 (13)和標定TRACK坐標系(14)，標定BASE坐標系(13)包括標定BASE坐標系(13)各坐標 軸方向和標定BASE坐標系(13)原點，其中，標定世界坐標系(11)的步驟為a)測量9個靶標在激光跟蹤儀坐標系(16)下的位置；b)將靶標在激光跟蹤儀坐標系(16)下的空間實際位置與理論位置進行匹配計算，獲 取激光跟蹤儀坐標系(16)在世界坐標系(11)下的姿態(tài)；c)根據(jù)激光跟蹤儀坐標系(16)與世界坐標系(11)的位姿轉換關系，將激光跟蹤儀測 量坐標系(16)轉站到世界坐標系(11)下；標定BASE坐標系(13)各坐標軸方向的步驟為d)使機器人( 沿BASE坐標系(1 的X軸運動，連續(xù)測量靶標C3)的位置，擬合一條 直線即機器人BASE坐標系(13)的X軸方向；使機器人沿BASE坐標系(13)的Y軸運動，連 續(xù)測量靶標的位置，擬合一條直線即機器人BASE坐標系(U)Y軸的方向；e)通過機器人BASE坐標系(13)的X軸和Y軸叉乘，計算出Z= XXY,即機器人BASE 坐標系(13)Z軸的方向；標定靶標工具坐標系(1 的步驟為f)激光跟蹤儀(6)坐標系轉站，使激光跟蹤儀坐標系(16)的方向轉站后與機器人 BASE坐標系(13)的方向一致；g)激光跟蹤儀(6)控制機器人(5)以4種不同的姿態(tài)使靶標達到空間同一點，分別記 錄機器人(5)的工具中心點在BASE坐標系(13)下的位姿；h)經(jīng)過旋轉矩陣變換，計算靶標在T00L0坐標系中的位置；標定BASE坐標系(13)原點的步驟為i)根據(jù)激光跟蹤儀坐標系(16)與世界坐標系(11)的位姿轉換關系，將激光跟蹤儀測 量坐標系(16)轉站到世界坐標系(11)下；j)上位機(10)控制機器人(5)回零，激光跟蹤儀(6)測量靶標在世界坐標系(11)下的位置；k)經(jīng)過位姿矩陣變換，計算BASE坐標系(13)原點在世界坐標系(11)中的位置； 標定TRACK坐標系(14)的步驟為1)上位機(10)控制機器人(5)沿TRACK坐標系(14)X軸運動一段直線，每隔一段距離 激光跟蹤儀(6)測量靶標(3)在世界坐標系(11)下的位置；m)將測量得到的一組數(shù)據(jù)進行直線擬合，得到TRACK坐標系(14) X軸在世界坐標系 (11)下的姿態(tài)作為TRACK坐標系(14)的方向。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于激光跟蹤測量的附加外軸機器人自動標定方法，其 特征在于步驟b)所述的將靶標在激光跟蹤儀坐標系(16)下的空間實際位置與設定位置進 行匹配計算，獲取激光跟蹤儀坐標系(16)在世界坐標系(11)下的姿態(tài)的步驟為記測量3 9個靶標的實際坐標為Pa、理論坐標為PB，PAi，i = 1，2，...，m為空間固定 靶標的實際坐標，PBi, i = 1,2,... ,m為空間固定靶標的理論坐標； 姿態(tài)計算是實際測量坐標值到理論坐標值一個剛性轉換aTb pb = atbxpa(1)該剛性變換aTb可表達為一個旋轉變化R和一個平移變換t的組合，即 Pb = aTbXPA = RXPA+t (2)由于測量誤差的存在，變換后的結果不能完全等于理論的坐標值，即 ζ = PBi-(RXPAi+t), ζ 為誤差矩陣。(3)式中，{xAi’，yAi’，zAi’ }為PAi經(jīng)旋轉變化和一個平移變換后的坐標值，lxAi，yAi，zAi}為 PBi的坐標值。令Di, i = 1，2，...，m為靶標對應測量點轉換后與理論點之間的距離，即A =^( /- )2 +(>V- )2 +(zA'-ζΒ,)2 (4)1 m令導出相對應點的位置誤差的均方差表達式為Σ (A-^)2/=1___W-I(5)以位置誤差的均方差為目標函數(shù)，進行最小二乘擬合求解得到R和t，從而得到測量的 實際坐標值到理論坐標值的位姿變換矩陣，即可將當前激光跟蹤儀坐標系(16)轉站到世 界坐標系(11)。
6.根據(jù)權利要求4所述的一種基于激光跟蹤測量的附加外軸機器人自動標定方法，其 特征在于步驟d)所述的擬合一條直線即機器人BASE坐標系(13)的X軸方向的步驟為 [a,x + hy + c,z + l = 0設表達式1 ‘,。為在激光跟蹤儀坐標系(16)下機器人BASE坐標系[a2x + b2y + c2z + I = U(13)的X軸的擬合曲線方程，需要擬合計算出各系數(shù)％、bp C1, a2、b2、C2的值。采用激光跟蹤儀(6)測量m，m ^ 3個點都在該直線上，將這些點的坐標代入到該直線 方程，構成m個方程組，寫成矩陣形式
7.根據(jù)權利要求4所述的一種基于激光跟蹤測量的附加外軸機器人自動標定方法，其 特征在于步驟e)所述的通過機器人BASE坐標系(13)的X軸和Y軸叉乘的步驟為設擬合出來坐標系的X、Y軸方向分別用矢量[nx3M oxM axS] ]、！_ 測 Oym j表示。測量過程中X、Y軸不一定正交，需要進行正交化處理，
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光跟蹤測量的附加外軸機器人自動標定裝置及方法。它包括系統(tǒng)平臺、靶標法蘭、靶標安裝孔、機器人導軌、機器人、激光跟蹤儀、工件、數(shù)控精加工機床、三坐標數(shù)控定位器、上位機；系統(tǒng)平臺上安裝有9個通過高精密數(shù)控機床加工出的靶標安裝孔、三坐標數(shù)控定位器、機器人導軌，在三坐標數(shù)控定位器上固定有工件，在機器人導軌上安裝有機器人，機器人上安裝有靶標法蘭，靶標法蘭上有6個靶標安裝孔，在靶標安裝孔上設有靶標，系統(tǒng)平臺外側設有數(shù)控精加工機床、激光跟蹤儀、上位機。本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)能夠自動化標定帶附加外軸的機器人坐標系統(tǒng)；(2)標定精度高、標定結果可靠；(3)標定操作簡單、效率高。
文檔編號G01B11/00GK102062576SQ20101054541
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月12日 優(yōu)先權日2010年11月12日
發(fā)明者俞慈君, 曲巍崴, 李江雄, 柯映林, 董輝躍, 謝坤, 郭英杰 申請人:浙江大學