一种基于电磁编码器的机器人零位标定方法与流程

本发明属于工业机器人的标定方法，特别是一种基于电磁编码器的机器人零位标定方法。

背景技术：

由于机器人在加工制造和装配过程中，不可避免地带来结构参数的误差，使得末端执行器位姿产生误差。同时，在实际应用机器人作业过程中，会由于碰撞、磨损、拆装维护等诸多原因而影响机器人精度。因此，对机器人的结构参数进行标定，以获得更加精确的结构参数值，对于提高机器人的位姿精度是非常重要的。

在影响机器人绝对定位精度的因素中，零位误差所占比重高达97％，成为首要解决的机器人误差因素。机器人零位误差是指机器人各活动关节在初始位置(即机器人零位值)时的相对误差值。机器人零位标定的目标则是对零位误差值进行辨识和补偿。当前的机器人零位标定方法主要可分为两类，一类是通过算法辨识的方法，即首先建立零位误差的误差模型，再借助外界测量设备或几何约束关系对误差进行离线或在线辨识；另一类零位标定方法是通过机器人处于零位值时的几何关系(水平或垂直)确定零位值，采用的轴销定位方法，这种方法需要事先在机器人本体上加工出各轴对应的对准孔(或辅助工装)，机器人零位校准时依次移动机器人的1～6个关节，靠插入定位销的方式实现机器人零位的校准。以上两种方法中，前一种方法虽然精度较高，但操作过程繁复、测量设备昂贵等方面的原因一般用于科研活动中，后一种方法则原理简单、方法实用。

虽然后一种方法操作简便，但需要事先对机器人的定位孔或定位面进行加工，校准时需要不断调整机器人关节，整个过程十分耗时且精度远不及前一种方法。

技术实现要素：

发明目的：为解决现有技术的不足，提出一种精确、省时的机器人零位标定方法。

技术方案：一种基于电磁编码器的机器人零位标定方法，包括以下步骤：

(1)调整机器人1轴至初始零位置，在机器人1～6轴的相应位置分别安装电磁编码器，安装时使各电磁编码器的X轴及Y轴分别与机器人建模坐标系的X轴和Y轴平行；

(2)调整机器人的2轴使其坐标系的X轴至水平状态，即使第二电磁编码器的X轴θ角读数显示为0，并记录Y轴的γ角读数R；

(3)锁定机器人2～6轴，将机器人1轴从初始位置转动180°，记录第一电磁编码器X轴的读数λ；

(4)将机器人1轴返回至初始零位置，2轴移动至λ/2角位置，将此位置设为第二电磁编码器的参考零位，并将此位置确定为2轴的零位；

(5)保证机器人6轴法兰上的第六电磁编码器的X轴及Y轴与机器人建模坐标系的X轴和Y轴之间的平行关系，通过参数辨识的方法获得3～6轴的零位偏差；

(6)利用步骤(1)～(5)获得的机器人零位偏差，对机器人进行零位补偿，完成标定。

进一步的，步骤(1)所述的机器人2轴建模坐标系的Z轴与机器人2轴关节轴线到3轴关节轴线的公垂线方向平行，Y轴与机器人2轴关节轴线平行，X轴参考右手定则确定。

进一步的，步骤(2)所述的机器人初始位置倾角θ角和γ角为沿X轴和Y轴的底面倾斜角。

进一步的，步骤(5)所述的机器人6轴建模坐标系的X轴及Y轴或Y轴及X轴分别与6轴关节轴线及5轴关节轴线平行，Z轴参考右手定则确定。

进一步的，步骤(1)至步骤(6)所述机器人1～6轴分别为实现机器人1～6个自由度的底座关节、肩关节、大臂关节、肘关节、小臂关节和手腕关节。

该机器人零位标定方法采用电磁编码器，并且每个轴上都设置有该电磁编码器，这样可以更精确的采集各个轴的位姿状态，进而使得机器人零位标定更为精确；采用该方法进行零位标定后，采集的机器人各轴的数据经控制器处理，可以更精准控制机器人的状态。

有益效果:由于磁力线可以穿透污染，因而编码器内部不受灰尘、油污和水汽的影响，传感器与码盘的距离最大可达3mm，码盘及其坚固，所有电子部件灌胶密封，因而不怕振动冲击，适合于机器人苛刻工况下的应用；且仅需进行几步操作即可实现整个机器人的零位标定，并可提高机器人的零位对准精度，节省了零位标定的操作时间。

附图说明

图1为本发明方法所用的机器人及电磁编码器的安装示意图。

图2为本发明的电磁编码器磁极发射原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，为典型的工业机器人结构示意图，机器人本体通过底座安装在工作台上(图中未示出)，底座以上依次串联着机器人的1～6轴，即机器人的底座关节1、肩关节2、大臂关节3、肘关节4、小臂关节5和手腕关节6，各轴之间通过旋转关节联接。同时，1～6轴上分别安装有第一电磁编码器7、第二电磁编码器8、第三电磁编码器9、第四电磁编码器10、第五电磁编码器11和第六电磁编码器12。

使用电磁编码器工作原理进行零位标定首先必须保证编码器的正确安装。图1给出了第一至第六电磁编码器分别在机器人1至6轴上的安装位置。

标定时，调整机器人1轴至初始零位置，在机器人1～6轴的相应位置分别安装电磁编码器，安装时使各电磁编码器的X轴及Y轴分别与机器人建模坐标系的X轴和Y轴平行；调整机器人的2轴使其坐标系的X轴至水平状态，即使第二电磁编码器的X轴θ角读数显示为0，并记录Y轴的γ角读数R；锁定机器人2～6轴，将机器人1轴从初始位置转动180°，记录第一电磁编码器X轴的读数λ；将机器人1轴返回至初始零位置，2轴移动至λ/2角位置，将此位置设为第二电磁编码器的参考零位，并将此位置确定为2轴的零位；保证机器人6轴法兰上的第六电磁编码器的X轴及Y轴与机器人建模坐标系的X轴和Y轴之间的平行关系，通过参数辨识的方法获得3～6轴的零位偏差；利用前面步骤获得的机器人零位偏差，对机器人进行零位补偿，完成标定。

本发明仅需进行几步操作即可实现整个机器人的零位标定，并可提高机器人的零位对准精度，节省了零位标定的操作时间，且不怕振动冲击，适合于机器人苛刻工况下的应用。

如图2所示，为电磁编码器磁极发射原理示意图，电磁编码器由磁性转子1、磁阻编码器2和磁极对3组成。电磁编码器采用磁阻检测原理，扫描系统由磁环及传感器组成，磁环有多个磁极紧密排列而成，N-S极有磁力线，磁环旁传感器可以检测到磁力线的变化，当磁环旋转时，磁力线发生变化，传感器根据磁力线变化(磁力线角度方向)输出信号，而宽距技术科使转子与传感器间的距离是通常编码器的2～4倍大，避免了因对中不准、电机轴跳和轴承移动等原因对传感器造成的损坏，电磁式编码器的磁性码盘是用磁化方法制成的，按编码图形制作成磁化区(磁导率高)和非磁化区(磁导率低)的圆盘。它采用了小型磁环或微型马蹄形磁芯作磁头，磁头靠近时但不接触码盘表面。每个磁头(环)上绕有两个绕组，原边绕组是用恒幅、恒频的正弦波激励，该线圈被称为询问绕组，输出绕组(或读出绕组)通过感应码盘时将磁化信号转换为电信号。当询问绕组被激励以后，输出绕组产生同频信号，但其幅值和两绕组匝数比有关，也与磁头附近有无磁场有关。当磁头对准磁化区时，磁路饱和，输出电压很低。若磁头对准非磁化区，输出电压会很高。输出电压经逻辑状态的调制，就得到用“1”、“0”表示的方波榆出，几个磁头同时输出就形成了数码。

电磁式编码器采用磁电式设计，通过磁感应器件、利用磁场的变化来产生和提供转子的绝对位置，利用磁器件代替了传统的码盘，弥补了传统编码器的这一些缺陷，更具抗震、耐腐蚀、耐污染、性能可靠高、结构更简单。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效变换，均同理包括在本发明的专利保护范围内。