机器人标定系统、距离测量装置及标定方法与流程

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机器人标定系统、距离测量装置及标定方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，机器人得到了广泛的应用，并逐渐成为核心的生产力。在机器人的推广应用中，用户对机器人的绝对精度要求也越来越高，在出厂前，生产商会对机器人进行标定校准，以提高其绝对精度。

目前，对机器人进行标定多采用摄像头、激光跟踪仪等标定技术。采用摄像头标定时，标定精度容易受现场的光线影响，且标定精度也相对较低。在一些生产现场，当出现操作失误引起碰撞时，机器人的模型参数会发生改变，采用摄像头及激光跟踪仪进行标定时，操作过程较为复杂，无法实现对机器人的快速标定。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种能够实现快速标定、且标定精度较高的机器人标定系统、距离测量装置及标定方法。

一种距离测量装置，用于对机器人的机械臂末端的位置进行测量，包括：

固定于测量平台上的固定组件，所述固定组件包括壳体及卷轮，所述卷轮设于所述壳体内，并与所述壳体转动连接；

拉绳，所述拉绳的一端卷绕于所述卷轮上；

导向组件，包括转轴及导向轮，所述转轴的一端与所述壳体连接，另一端与所述导向轮固定连接，所述转轴的轴线与所述导向轮的周缘相切，所述转轴相对所述壳体旋转，以带动所述导向轮运动；

连接件，能够安装于所述机器人的机械臂末端，所述拉绳沿所述转轴的轴线穿设于所述转轴，并绕过所述导向轮后与所述连接件连接，所述机器人带动所述连接件运动，所述连接件带动所述拉绳运动，以改变所述拉绳伸出所述导向轮的长度及所述拉绳绕于所述导向轮上的部分所相对的圆心角；及

测量组件，所述测量组件能够测量所述拉绳伸出所述导向轮的长度及所述拉绳绕于所述导向轮上的部分所相对的圆心角。

在其中一个实施例中，所述测量组件包括长度编码器及角度编码器，所述长度编码器靠近所述卷轮设置，所述角度编码器靠近所述导向轮设置，所述长度编码器能够测量所述拉绳伸出所述导向轮的长度，所述角度编码器能够测量所述拉绳绕于所述导向轮上的部分所相对的圆心角。

在其中一个实施例中，所述测量组件还包括信号处理板，所述信号处理板设于所述壳体内，且与所述长度编码器及所述角度编码器分别电连接。

在其中一个实施例中，所述连接件包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一旋转关节及第二旋转关节，所述第一连杆的一端与所述机器人的机械臂末端连接，另一端通过所述第一旋转关节与所述第二连杆转动连接，所述第三连杆通过所述第二旋转关节与所述第二连杆转动连接，所述第一旋转关节的轴线与所述第二旋转关节的轴线之间相互垂直，所述第三连杆上设有连接柱，所述拉绳通过所述连接柱与所述第三连杆连接。

在其中一个实施例中，所述拉绳的横截面呈梅花状结构，所述拉绳包括中心绳股及外层绳股，所述外层绳股为多个，多个所述外层绳股围设于所述中心绳股周围，所述中心绳股与所述外层绳股的横截面均呈梅花状结构，所述中心绳股包括第一中心绳线及多个第一外层绳线，多个所述第一外层绳线围设于所述第一中心绳线周围，所述外层绳股包括第二中心绳线及多个第二外层绳线，多个所述第二外层绳线围设于所述第二中心绳线周围。

一种机器人标定系统，包括：

上述的距离测量装置；

控制器，与所述机器人连接，所述控制器能够控制所述机器人带动所述连接件运动；及

工作站，与所述控制器及所述测量组件分别通讯连接。

在其中一个实施例中，还包括交换机，所述控制器通过所述交换机与所述工作站通讯连接，所述距离测量装置通过所述交换机与所述工作站通讯连接。

一种机器人标定方法，利用上述的机器人标定系统对机器人进行标定，包括以下步骤：

将所述控制器与所述机器人及所述工作站分别连接，将所述距离测量装置与所述机器人及所述工作站分别连接；

在所述控制器内设定运动参数，所述控制器根据设定的运动参数驱动所述机器人依次运动至多个位置；

所述距离测量装置依次对所述机器人在多个位置处时，所述拉绳伸出所述导向轮的长度及所述拉绳绕于所述导向轮上的部分所相对的圆心角进行测量，得到多组所述拉绳伸出所述导向轮的长度及所述拉绳绕于所述导向轮上的部分所相对的圆心角数据；

根据多组所述拉绳伸出所述导向轮的长度及所述拉绳绕于所述导向轮上的部分所相对的圆心角数据，并结合所述控制器内所述机器人的理论数学模型及设定的运动参数，计算得到所述机器人的实际数学模型；

根据所述机器人的实际数学模型，对所述控制器内所述机器人的理论数学模型进行修正。

在其中一个实施例中，根据多组所述拉绳伸出所述导向轮的长度及所述拉绳绕于所述导向轮上的部分所相对的圆心角数据，并结合所述控制器内所述机器人的理论数学模型及设定的运动参数，计算得到所述机器人的实际数学模型的步骤还包括：

根据多组所述拉绳伸出所述导向轮的长度及所述拉绳绕于所述导向轮上的部分所相对的圆心角数据，并结合所述连接件的长度信息，计算得到多组所述机器人的机械臂末端的实际位置参数；

根据所述控制器内所述机器人的理论数学模型及设定的运动参数，计算得到多组所述机器人的机械臂末端的理论位置参数；

根据多组所述机器人的机械臂末端的理论位置参数及实际位置参数，计算得到所述机器人的实际数学模型。

在其中一个实施例中，根据所述机器人的实际数学模型，对所述机器人的理论数学模型进行修正的步骤之后还包括：

对所述机器人的运动精度进行验证。

上述机器人标定系统结构简单，便于携带，可在工业现场随时对机器人进行快速标定，操作简单便捷。而且，其不易受环境影响，标定精度较高。同时，上述机器人标定系统的价格较为低廉，适用性较强。

附图说明

图1为本发明一实施例的机器人标定系统的结构示意图；

图2为图1中所示机器人标定系统中距离测量装置与机器人的连接示意图；

图3为图2中所示距离测量装置的内部结构示意图；

图4为图2中所示距离测量装置中连接件与换向组件的结构示意图；

图5为图2中所示距离测量装置中拉绳的横截面示意图；

图6为本发明一实施例的机器人标定方法流程图；及

图7为图6中所示S400的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明一实施例的机器人标定系统10包括距离测量装置100、控制器200、工作站300及交换机400。具体的，控制器200与机器人20连接，用以驱动机器人20的机械臂运动。距离测量装置100与机器人20的机械臂末端连接，以对机器人20的机械臂末端的位置信息进行测量。控制器200、距离测量装置100及工作站300分别与交换机400电连接，控制器200与距离测量装置100均通过交换机400与工作站300进行信息共享。工作站300能够对从控制器200与距离测量装置100获取的数据信息进行运算处理。

需要指出的是，在其他实施例中，控制器200、距离测量装置100及工作站300还可以与交换机400通过无线通信连接，也同样能够实现信息共享。而且，在其他实施例中，交换机400还可以省略。此时，控制器200直接与工作站300连接，距离测量装置100直接与工作站300连接。

另外，在其他实施例中，上述交换机400还可以替换为路由器，也能实现同样的技术效果。

具体在本实施例中，交换机400内还设有供电器(未示出)，从而可以将交换机400的通信接口与供电器的电源接口集成在一起，以较大程度的减少各元件之间连接的插接件和线缆的数目，也提高了系统的稳定性。

结合图2、图3及图4所示，具体在本实施例中，距离测量装置100包括拉绳110、固定组件120、导向组件130、连接件140及测量组件150。固定组件120固定于测量平台上。导向组件130安装于固定组件120上。连接件140能够安装于机器人20的机械臂末端。拉绳110的一端与固定组件120连接，经导向组件130导向后与连接件140连接。

具体的，固定组件120包括壳体121及卷轮122。卷轮122设于壳体121内，并与壳体121转动连接。导向组件130包括转轴131及导向轮132。转轴131的一端与壳体121连接，另一端与导向轮132固定连接，转轴131的轴线与导向轮132的周缘相切，转轴131相对壳体121旋转，以带动导向轮132运动。拉绳110的一端卷绕于卷轮122上，并沿转轴131的轴线穿设于转轴131，拉绳110绕过导向轮132后与连接件140连接。机器人20的机械臂带动连接件140运动，连接件140带动拉绳110运动，导向轮132及转轴131同时相对壳体121旋转，以保持与连接件140相对。在机器人20的机械臂运动的过程中，拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角也分别发生改变。

具体在本实施例中，测量组件150包括长度编码器(未示出)、角度编码器(未示出)及信号处理板151。长度编码器安装于固定组件120上，且靠近卷轮122设置。角度编码器安装于导向组件130上，且靠近导向轮132设置。长度编码器通过测量卷轮122的旋转角度，以获得拉绳110伸出导向轮132的长度。角度编码器能够测量拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角。信号处理板151设于壳体121内，且与长度编码器及角度编码器分别电连接。长度编码器及角度编码器所测量得到的信息能够通过信号处理板151进行整合。

连接件140包括第一连杆141、第二连杆142、第三连杆143、第一旋转关节144及第二旋转关节145。第一连杆141的一端与机器人20的机械臂末端连接，另一端通过第一旋转关节144与第二连杆142转动连接，第三连杆143通过第二旋转关节145与第二连杆142转动连接，第一旋转关节144的轴线与第二旋转关节145的轴线之间相互垂直。第三连杆143上设有连接柱143a，拉绳110远离轮毂的一端与连接柱143a连接。第三连杆143相对第二连杆142旋转时，第三连杆143上任意一点至第一旋转关节144的轴线与第二旋转关节145的轴线的交点的距离始终不变。

具体的，长度编码器测量得到的拉绳110伸出导向轮132的长度，即为AQ的长度，角度编码器能够测量得到∠OMA的大小。其中，O为转轴131与导向轮132的交点，也为拉绳110与导向轮132的一个切点，A为拉绳110与导向轮132的另一个切点，M为导向轮132的中心，Q为第三连杆143上连接柱143a所在的位置、P为第一旋转关节144的轴线与第二旋转关节145的轴线的交点，N为机器人20与第一连杆141的连接处，即为机器人的机械臂末端。由于PQ为一定值，且P、Q、A始终位于同一直线上，通过弧OA与AQ、PQ的长度之和、∠OMA的大小及连接件140的尺寸信息，经过几何计算，即可得到ON的长度，即为机器人20的机械臂末端的实际位置。

具体在本实施例中，拉绳110包括中心绳股111及外层绳股112。外层绳股112为多个，多个外层绳股112围设于中心绳股111周围，以使拉绳110的横截面呈梅花状结构。具体的，外层绳股112为六个，且均匀分布于中心绳股111周围。六个外层绳股112紧贴中心绳股111的周缘，且缠绕于中心绳股111上。

如图5所示，中心绳股111包括第一中心绳线111a及多个第一外层绳线111b，多个第一外层绳线111b围设于第一中心绳线111a周围，以使中心绳股111的横截面均呈梅花状结构。具体的，第一外层绳线111b为六个，六个第一外层绳线111b紧贴第一中心绳线111a的周缘设置。

外层绳股112包括第二中心绳线112a及多个第二外层绳线112b，多个第二外层绳线112b围设于第二中心绳线112a周围。与外层绳股112的横截面均呈梅花状结构，具体的，第二外层绳线112b为六个，六个第二外层绳线112b紧贴第二中心绳线112a的周缘设置。

具体的，第一中心绳线111a、第一外层绳线111b、第二中心绳线112a及第二外层绳线112b均为直径相等的钢丝。在其他实施例中，第一外层绳线111b、第二外层绳线112b及外层绳股112还可以为能够将圆周均分的其他任意数目。

上述拉绳110具有较好的刚度及柔韧性，既能保证在不同拉力下的变形量，也能保证拉绳110的柔软顺滑。

上述距离测量装置100中，仅需要机器人20的机械臂的末端带动连接件140运动，以改变拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角，并通过测量组件150对拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角数据进行采集，即可以得到机器人20机械臂末端的位置信息，测量过程简单快捷，且测量不受测量环境的影响，测量精度较高。

如图6所示，本发明还提供了一种机器人标定方法，利用上述的机器人标定系统10对机器人20进行标定。

具体在本实施例中，机器人标定方法包括以下步骤。

S100，将控制器200与机器人20、工作站300分别连接，将距离测量装置100与机器人20、工作站300分别连接。

具体的，将控制器200与机器人20连接，将控制器200与工作站300连接，从而在控制器200控制机器人20的机械臂运动时，机械臂的运动参数能够传输至工作站300。

将距离测量装置100与机器人20连接。将固定装置固定于测量平台上，将连接件140安装于机器人20的机械臂末端，将测量组件150与工作站300连接，测量组件150测量得到的数据信息能够传输至工作站300。

具体的，控制器200与工作站300之间还连接有交换机400，距离测量装置100与工作站300之间也通过交换机400连接，控制器200与距离测量装置100均通过交换机400与工作站300进行信息共享，控制器200与距离测量装置100内的数据信息能够经交换机400传输至工作站300。

S200，在控制器200内设定运动参数，控制器200根据设定的运动参数驱动机器人20依次运动至多个位置。

在控制器200内设定机器人20的机械臂末端的运动参数，控制器200根据设定的运动参数驱动机器人20运动。机器人20的机械臂末端运动至某一设定位置后，在此位置保持预定的时间后，运动至下一设定位置，直至完成全部设定的运动路径。

具体的，在本实施例中，在控制器200内写入具有五十组设定位置的机器人20运动程序，以使机器人20的机械臂末端依次到达设定位置。

S300，距离测量装置100依次对机器人20在多个位置处时，拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角进行测量，得到多组拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角数据。

当机器人20的机械臂运动时，机械臂带动连接件140及拉绳110运动。当机械臂末端在某一位置保持稳定后，长度编码器对当前位置处拉绳110伸出导向轮132的长度进行测量，角度编码器对当前位置处拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角进行测量，从而得到一组拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角数据。通过测量多个位置，从而得到多组拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角数据。

在本实施例中，对机器人20的机械臂末端所到达的五十个位置，距离测量装置100能够测量得到五十组拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角数据。

S400，根据多组拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角数据，并结合控制器200内机器人20的理论数学模型及设定的运动参数，计算得到机器人20的实际数学模型。

工作站300能够从位置测量组件150获取测量得到的多组拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角数据，并能够从控制器200获取控制器200内机器人20的理论数学模型及设定的运动参数，通过相关数据计算处理，以得到机器人20的实际数学模型。

需要指出的是，对于相应型号的机器人20，控制器200内会存储有其理论数学模型，而机器人20的理论数学模型包括机器人的理论DH参数、理论零位位置、理论减速比、理论耦合比等模型信息。

S500，根据机器人20的实际数学模型，对控制器200内机器人20的理论数学模型进行修正。

根据S400中得到的机器人20的实际数学模型，即可将其与控制器200内机器人20的理论数学模型进行比较，以对理论数学模型进行修正。

结合图6及图7所示，具体在本实施例中，步骤S400具体还包括以下步骤。

S410，根据多组拉绳110伸出导向轮132的长度、拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角数据，并结合连接件140的长度信息，计算得到多组机器人20的机械臂末端的实际位置参数。

对步骤S300测量得到的多组拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角数据，测量组件150能够将其经交换机400传输至工作站300。工作站300对每一组拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角数据进行计算处理，即可得到一组OP的长度数据。通过对多组拉绳110伸出导向轮132的长度及拉绳110绕于导向轮132上的部分所相对的圆心角数据进行计算处理，从而得到多组OP的长度数据。

对任意一组OP的长度数据，结合连接件140中第一连杆141与第二连杆142的长度信息，即可计算处理得到一组机械臂末端的实际位置参数。通过对多组OP的长度数据进行计算处理，从而得到多组机械臂末端的实际位置参数。

S420，根据控制器200内机器人20的理论数学模型及设定的运动参数，计算得到多组机器人20的机械臂末端的理论位置参数。

工作站300能够获取S200中控制器200内设定的运动参数信息，同时，工作站300也能够获取控制器200内机器人20的理论数学模型，通过计算处理，以得到机器人20的机械臂末端运动至设定位置处时，机械臂末端的理论位置参数。

通过对控制器200内设定的多组运动参数信息进行处理，以得到多组机器人20的机械臂末端的理论位置参数。

S430，根据多组机器人20的机械臂末端的理论位置参数及实际位置参数，计算得到机器人20的实际数学模型。

工作站300通过对机械臂末端在某一位置处的实际位置参数与理论位置参数进行比较计算，即可得到机器人20在此位置处的运动偏差。通过对多个位置处的实际位置参数与理论位置参数进行比较计算，得到机器人20在多个位置处的运动偏差。

根据多个位置处运动偏差及机器人20的各关节参数，即可建立得到机器人20的实际数学模型。机器人20的实际数学模型包括机器人20的实际DH参数、实际零位位置、实际减速比、实际耦合比等模型信息。

具体在本实施例中，上述机器人标定方法还包括S600，对机器人20的运动精度进行验证。

在对控制器200内机器人20的理论数学模型进行修正之后，还需要通过定位试加工的方式，以对前述的理论数学模型修正是否有误进行验证，从而实现对机器人20的运动精度的验证。

需要指出的是，在其他实施例中，还可以通过其他方式对机器人20的运动精度进行验证。

上述机器人标定系统10结构简单，便于携带，可在工业现场随时对机器人20进行快速标定，操作简单便捷。而且，其不易受环境影响，标定精度较高。同时，相比激光跟踪仪等昂贵的标定设备，上述机器人标定系统10的价格较为低廉，适用性较强。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。