單臺機器人工件坐標系的非接觸式高精度標定方法及應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單臺機器人工件坐標系的非接觸式高精度標定方法，第一步，對機器人的基坐標系進行標定；第二步，對機器人的工件坐標系進行標定。本發(fā)明與機器人基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采用統(tǒng)一的非接觸式高精度方式，使整個系統(tǒng)的標定精準度達到現(xiàn)有標定方法無法企及的高度。本發(fā)明所采用的標定指工裝套能夠在傾斜表面標定機器人工件坐標系，標定指工裝套能夠保證每次操作的可重復性，從而最大程度地降低人為標定產(chǎn)生的誤差。本發(fā)明還公開了一種能夠使機器人系統(tǒng)適應其機器人與環(huán)境物位姿變化的方法。
【專利說明】單臺機器人工件坐標系的非接觸式高精度標定方法及應用

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工業(yè)機器人的標定方法，具體涉及一種單臺機器人工件坐標系的非接觸式高精度標定方法。本發(fā)明還涉及一種能夠使機器人系統(tǒng)適應其機器人與環(huán)境物位姿變化的方法。

【背景技術】
[0002]以工業(yè)機器人為主的柔性加工生產(chǎn)單元已成為制造業(yè)的主要發(fā)展方向，其中對于機器人位姿的準確控制、機器人的參數(shù)化編程、機器人組的高精度協(xié)調工作、機器人位姿變換，機器人系統(tǒng)的搬遷，機器人多工位程序共享，機器人軌跡規(guī)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(huán)境中和其他設備和工具的精確模型，所以對機器人的環(huán)境物參數(shù)(工件坐標系)、工具參數(shù)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(tǒng)的使用情況。
[0003]工業(yè)機器人系統(tǒng)包括至少一個機器人、至少一工作區(qū)域，機器人具有機器人基坐標系，且配置有關節(jié)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(qū)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(yè)機器人系統(tǒng)的坐標系體系。
[0004]為了解決上述機器人體系的標定問題，現(xiàn)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(tài)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(shù)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(xiàn)代化生產(chǎn)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(tǒng)，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(shù)化編程、機器人組的高精度協(xié)調工作、機器人位姿變換，機器人系統(tǒng)的搬遷，機器人多工位程序共享，機器人軌跡規(guī)劃等方面的應用。另外，其標定時取點的數(shù)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(jù)不同的應用是各式各樣的，因此其實用性并不是很高。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種單臺機器人工件坐標系的非接觸式高精度標定方法，它可以對整個機器人系統(tǒng)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(xiàn)對整個機器人系統(tǒng)的非接觸高精度的標定。
[0007]為解決上述技術問題，本發(fā)明單臺機器人工件坐標系的非接觸式高精度標定方法的技術解決方案為:
[0008]包括以下步驟:
[0009]第一步，對機器人的基坐標系進行標定；
[0010]步驟一，安裝標定指工裝；
[0011]對于前端未裝工具體的機器人，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機器人法蘭盤上，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；
[0012]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上；
[0013]步驟二，基坐標系的標定取點；
[0014]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PljU1,yi，Z1)、P2J (X2，I2, Z2)、P3J (x3，y3，Z3),在 P1 點進行圓擬合后得到 Pej (Pex, Pey, Pez)；
[0015]三個點P2、P3的取點方法為:
[0016]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 ；
[0017]三個點P” P2、P3的優(yōu)選取點方法為:
[0018]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軸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軸正方向運行一段距離后得到P3。測量球從點P1移動至P2或P3點時運行的距離建議不小于50mm。
[0019]此時所述第一步的步驟三中的算法為:
[0020]A、機器人基坐標系方向向量的計算
[0021]在激光測量儀坐標系下,Xi= PuPv ={x2-X1^y2 -)\,=2-Z1]

【權利要求】
1.一種單臺機器人工件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: 第一步，對機器人的基坐標系進行標定； 步驟一，安裝標定指工裝； 對于前端未裝工具體的機器人，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機器人法蘭盤上，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上； 步驟二，基坐標系的標定取點； 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，得到單臺機器人的基坐標系；
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, pez)，求解齊次變換矩陣
，從而實現(xiàn)對單臺機器人的基坐標系的標定； 其中
第二步，對機器人的工件坐標系進行標定； 步驟一，安裝標定指工裝； 將安裝有測量球的空間點位定位裝置直接吸附于或者裝配于標定工作區(qū)域的相應位置； 步驟二,工件坐標系的標定取點； 在空間中取至少三個點P5、P6、P7，激光測量儀在激光測量儀坐標系下測得p5j(x5，y5,Z5)、P6j (x6, y6, Z6)、P7j (X7，J1, Z7),在 P5 點進行圓擬合后得到 Pej (Pex, Pey, Pez)； 三個點P5、P6> P7的取點方法為: 將測量球放至工件坐標系的原點P5，然后將測量球從P5點沿工件坐標系的X軸正方向運行一段距離后至點P6，最后將測量球從P5點向工件坐標系的第一象限或第四象限運行一段距離后至P7 ； 步驟三，通過坐標變換的算法，得到單臺機器人的工件坐標系； 根據(jù)上述測得的P5j(x5，y5，z5), P6j (x6, y6, z6), P7j (x7, y7, z7),求解齊次變換矩陣
，從而實現(xiàn)對單臺機器人的工件坐標系的標定；其中:
2.根據(jù)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:所述第一步的步驟二中的三個點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軸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軸正方向運行一段距離后得到P3。
3.根據(jù)權利要求2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:所述第一步的步驟三中的算法為: 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 ={λ:2 U2-J13Z2 ~ζι]
激光測量儀坐標系的孓={1，0,0〗 ^ = {0,1,0} = {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(jié)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
4.根據(jù)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:所述第二步的步驟二中的三個點P5、P6、P7的取點方法為: 將測量球放至工件坐標系的原點P5，然后將測量球從P5點沿工件坐標系的X軸正方向運行一段距離后至點P6，最后將測量球從P5點沿工件坐標系的I軸正方向運行一段距離后至 P7 ;通過激光測量儀測得 P5J (X5，y5，Z5), P6j (x6, y6, z6), P7j (x7, y7, z7)。
5.根據(jù)權利要求1所述的單臺機器人工件坐標系的非接觸式高精度標定方法，其特征在于:所述第一步的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.根據(jù)權利要求1所述的單臺機器人工件坐標系的非接觸式高精度標定方法，其特征在于:所述第二步的步驟二中測量球從點P5移動至P6或P7點時運行的距離不小于50mm。
7.根據(jù)權利要求1所述的單臺機器人工件坐標系的非接觸式高精度標定方法，其特征在于:所述第二步的步驟三中的算法為: A、工件坐標系w的方向向量的計算在激光測量儀坐標系下

其中:Ywx = zwy (Z6-Z5) -zwz (y6-y5)=(X7-X5) [ (Z6-Z5)2+(y6-y5)2] - (X6-X5) [ (z7_z5) (z6-z5) + (y7-y5) (y6-y5)]Ywy = (X6_X5) Zwz-Zwx (Z6-Z5)=(y7-y5) [ (X6-X5)2+ (Z6-Z5)2] - (y6-y5) [ (χ6-χ5) (χ7-χ5) + (z7_z5) (z6-z5)]Ywz = Zwx (y6-y5) -Zwy (X6_X5)=(Z7-Z5) [ (y6-y5)2+ (X6-X5)2] - (Z6-Z5) [ (y7-y5) (y6-y5) + (x7_x5) (x6_x5)]B、坐標系j與坐標系t方向余弦的計算

C、坐標系W到坐標系i齊次變換矩陣iHw的計算
8.一種能夠使機器人系統(tǒng)適應其機器人與環(huán)境物位姿變化的方法，機器人系統(tǒng)包括多個元素，該元素是指機器人，或者是指機器人的工作區(qū)域，其特征在于，包括以下步驟: 假設系統(tǒng)中各元素記為:e1; e2,......, ei 在系統(tǒng)位姿發(fā)生變化前: 各元素的實際使用坐標系記為e2_a,......, et_a 各元素的用于標定的坐標系在系統(tǒng)位姿發(fā)生變化前記為: ei—b, e2_b?......, ei—b 在系統(tǒng)位姿發(fā)生變化后: 各元素的實際使用坐標系記為，e2_a/，......，ei_a/ 各元素的用于標定的坐標系在系統(tǒng)位姿發(fā)生變化前記為: ei—b! , e2_b! ,......, e^b! 其中: 各元素用于標定的坐標系與各元素的實際使用坐標系在系統(tǒng)發(fā)生位姿變化前后的相對位姿不變，即%-4 = e-a'Het_v = f (常量)robi_o表不機器人Irobi的原始基座標系工序一，將機器人系統(tǒng)劃分成塊，每個塊中只有一個機器人； 工序二，在機器人與環(huán)境物位姿變化之前，對機器人系統(tǒng)的各相關元素進行標定，例如得到ei元素與&元素之間的得到標定值:’Hl b，兩種標定特例解釋:采用基座標系之間的標定，則~—6&—6 =若采用工件坐標系的標定，則e1-bTJ_ wobjj _brj.riBi Jy ~11 Vohi —base * 工序三，在機器人與環(huán)境物位姿變化之后，用相同的標定點和標定方法，再次對機器人系統(tǒng)的各相關元素進行標定，例如得到i元素與j元素之間的得到標定值VHeijf ;工序四，按系統(tǒng)關系鏈依次將機器人系統(tǒng)進行恢復。
9.根據(jù)權利要求8所述的使機器人系統(tǒng)適應其機器人與環(huán)境物位姿變化的方法，其特征在于:所述工序四的恢復方法為: 任意選取系統(tǒng)內一個元素作為系統(tǒng)基準元素，保持其基準坐標系不變，然后其他元素按以下公式依次恢復，恢復手段是將恢復公式矩陣的各參數(shù)改變機器人基座標系或者改變工件坐標系； ei元素與&元素之間的恢復通用公式:
(1)若ei= robi； ej = wobjj,則力元素與e」元素之間的恢復即為恢復機器人1bi與其工作區(qū)域wobl的過程；相關標定參數(shù)代入通用公式變?yōu)?
(2)若ei= rob^ej = 1bj，則ei元素與ej元素之間的恢復即為恢復機器人IxAi與機器人roh的過程；相關標定參數(shù)代入通用公式變?yōu)?
(3)若=robi； e」=wobj」，而e」=Wobjj e rob」則Gi元素與e」元素之間的恢復即為恢復機器人rob,與機器人rob」上的工作區(qū)域Wobji的過程；相關標定參數(shù)代入通用公式變?yōu)?
10.根據(jù)權利要求8所述的使機器人系統(tǒng)適應其機器人與環(huán)境物位姿變化的方法，其特征在于:所述工序四的恢復原則為: (1)所有坐標系只允許修改一次； (2)此方法無法對具有封閉元素環(huán)的系統(tǒng)進行恢復功能。
11.根據(jù)權利要求8所述的使機器人系統(tǒng)適應其機器人與環(huán)境物位姿變化的方法，其特征在于:所述工序二中多臺機器人之間位姿的非接觸式高精度標定方法為: 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?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, zn)、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r hD JrT 1I D JT 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^
從而實現(xiàn)對兩臺機器人之間的位姿關系的標定；
【文檔編號】G01B11/00GK104165586SQ201310183272
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年5月17日 優(yōu)先權日:2013年5月17日
【發(fā)明者】朱笑奔, 汪航, 吳旭 申請人:上海三菱電梯有限公司