一种工业机器人杆长参数的校正工具及校正方法与流程

本发明属于工业机器人技术领域，涉及一种工业机器人杆长的校正方法以及校正工具，该方法可应用于六轴工业机器人研发、测试、现场使用等多个过程中。

背景技术：

在工业机器人的研发过程中，由于其各部件的材料、制造工艺、安装等原因，会导致工业机器人各关节的杆长发生变化。但是，机器人在进行轨迹控制时却一直以工业机器人理论上的建模的杆长来进行规划，实际杆长的变化会导致工业机器人在定位精度与重复精度上产生较大误差。

在工业生产过程中，杆长的变化，轻则导致产品质量一致性不好，产品不合格率提高，重则导致生产线上的工件发生严重干涉，造成设备甚至人员损伤。

通过对杆长进行实际测量，对控制系统中杆长参数的定时检测及修正，可以使工业机器人控制轨迹得到补偿，提高产品一致性要求，也能定时地了解工业机器人的本体情况，及早通知维护人员介入，避免工厂事故的发生。

目前工业机器人厂家较少会对杆长参数进行校正，少部分厂家会在产品出厂时使用三坐标仪、激光测量仪等工具进行外部杆长参数测量并修正。一方面，此方式采用第三方测量工具是从机器人外部得到机器人杆长参数，对机器人本体测量点的选定及检测人员的操作技术有着较高要求；另一方面，第三方的测量工具其价格昂贵，采购周期长，对于处于初级研发阶段的或中小型的机器人公司不易实现。

本申请基于工业机器人的运动学、矩阵运算、病态矩阵处理、矩阵降阶处理和最小二乘法计算等原理解决了工业机器人杆长参数的校正问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种工业机器人杆长参数的校正方法，可用于六轴工业机器人杆长参数的计算与修正，其解决了六轴工业机器人各部件在生产、制造、安装及使用过程中产生的机器人杆长变化而导致的定位精度及重复精度误差的问题。

此外，本发明的另一目的是提供一种工业机器人杆长参数的校正工具。

本发明的技术方案是：

本发明的一个技术方案是提供一种工业机器人杆长参数的校正工具，包括有台阶板和钉盘，所述台阶板上设有多个同高度的台阶，在每个台阶上设有若干个圆孔，所有的圆孔构成矩阵排布设置；所述钉盘包括法兰部和杆部，在杆部的末端加工成与圆孔相配合的细杆部。

在该技术方案的一个实施例中，所述台阶板的台阶数为四层，每层台阶上设有四个圆孔，所有的圆孔构成4×4矩阵排布设置。

在该技术方案的一个实施例中，所述钉盘的杆部的轴线与法兰的轴线重合，所述法兰上设有若干个用以安装在工业机器人的末端法兰的螺孔。

本发明的另一技术方案是提供一种工业机器人杆长参数的校正方法，该方法是基于上述技术方案的校正工具的基础上实现的，该方法包括如下步骤：

s1、安装台阶板和钉盘，并对工业机器人进行建模原点对位；

s2、控制工业机器人使末端的钉盘移动到台阶板其中一个圆孔附近；

s3、控制钉盘的细杆部完全进入圆孔，并记录在当前圆孔位置时的关节数据；

s4、重复上述s2与s3的步骤，依次完成其它圆孔位置的校正，并记录在每个圆孔位置时相应的关节数据；

s5、软件计算得出实际测量杆长的数值，并修正到机器人的杆长参数上。

在一种实施例中，所述s1步骤中安装台阶板和钉盘，具体包括步骤：

s11、安装时将台阶板外沿其中的一边垂直于工业机器人的世界坐标系的x轴，并与y轴成30度角。

s12、将钉盘安装于工业机器人的末端法兰上。

在一种实施例中，所述s3步骤中的记录在当前圆孔位置时的关节数据，圆孔是以孔的底面的圆心作为圆孔的测量点，并以测量点为基础测量关节数据。

在一种实施例中，所述s3步骤中的记录在当前圆孔位置时的关节数据，所述关节数据包括工业机器人的各个关节的夹角，该夹角是通过设置于关节处的角度传感器进行测量的。

在一种实施例中，在软件计算得出实际测量杆长的数值时采用以下的公式：

px＝l6sθ5sθ4sθ1+cθ1(l2+l3cθ2+c(θ2+θ3)(l4+l6cθ4sθ5)+(l5+l6cθ5)s(θ2+θ3))(公式1)

py＝-l6cθ1sθ5sθ4+sθ1(l2+l3cθ2+c(θ2+θ3)(l4+l6cθ4sθ5)+(l5+l6cθ5)s(θ2+θ3))(公式2)

pz＝l1-(l5+l6cθ5)c(θ2+θ3)+l3sθ2+(l4+l6cθ4sθ5)s(θ2+θ3))(公式3)

其中：px是指台阶板上圆孔位置的测量点相对于工业机器人的世界坐标系的沿x轴的数值，py是指圆孔位置的测量点沿y轴的数值，pz是指圆孔位置的测量点沿z轴的数值；

s是正弦sin的缩写；c是余弦cos的缩写；θ是指工业机器人的各个关节的夹角，l是指工业机器人的各个杆长的数值。

在一种实施例中，在软件计算杆长的数值需要至少三个不同圆孔位置的测量点的关节数据为基础，根据公式1-3采用矩阵运算杆长的数值。

该技术方案的校正方法采用特制的校正工具，指定所需的圆孔测量点序列，使所生成的求解机器人的关节与杆长的相关矩阵的列向量或行向量线性无关，以保证各关节杆长解的唯一性和准确性；采用广义最小二乘法处理测量值序列，可消除测量过程可能引入的各关节杆长的离散误差，提高算法的精确度。

附图说明

图1是本发明的校正工具的整体结构视图。

图2是本发明的校正工具的分解视图。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，以便本领域的技术人员能清楚完整的理解本发明中的技术内容。

实施例一

参照图1与图2所示，本实施例是一种工业机器人杆长参数的校正工具，包括有台阶板和钉盘，台阶板上设有四层相同高度的台阶，每层高度为10mm，最下层的长宽都为200mm，在每个台阶上设有四个圆孔，共有16个，所有圆孔构成4×4矩阵排布设置，圆孔之间距离为40mm，圆孔的直径为8mm+0.1mm，深度为10mm，圆孔的设计以便与钉盘的细杆部相配合，在最下层的四角还设有四个安装用螺孔。

钉盘包括法兰部、杆部和细杆部，钉盘杆部的轴线与法兰的轴线重合，杆部长为100mm，直径为10mm，法兰上设有螺孔，用以将钉盘安装在工业机器人的末端法兰。在杆部的末端加工成与圆孔相配合的细杆部，细杆部长为10mm，直径为8mm-0.1mm，并在末端作圆角处理，同样的在圆孔的入口也做圆角处理，方便配合。

实施例二

本实施例是一种工业机器人杆长参数的校正方法，该方法是基于实施例一中的校正工具的基础上实现的，是对具有六轴工业机器人的杆长进行测量，其具备六个杆长和六个关节，本实施例中杆和关节的编号从靠近基座一侧开始。

该校正方法包括如下步骤：

s1、安装台阶板和钉盘，并对工业机器人进行建模原点对位，安装时将台阶板外沿其中的一边垂直于工业机器人的世界坐标系的x轴，并与y轴成30度角，将钉盘的法兰部固定安装到工业机器人的末端法兰上。

s2、对系统进行设置，包括控制驱动器开启软浮动功能，限制电流幅值，允许跟踪位置误差超限；控制工业机器人使末端的钉盘移动到台阶板上第一层的左侧的圆孔附近；

s3、控制钉盘的细杆部完全进入圆孔，并记录在当前圆孔位置时的关节数据；

s4、重复上述s2与s3的步骤，依次完成其它圆孔位置的校正，并记录在每个圆孔位置时相应的关节数据；

s5、软件计算得出实际测量杆长的数值，并修正到机器人的杆长参数上。

其中，圆孔是以孔的底面的圆心作为圆孔的测量点，并以测量点为基础测量关节数据，关节数据包括工业机器人的各个关节的夹角，该夹角是通过设置于关节处的角度传感器进行测量的。

以下根据测量记录的数据对杆长进行计算的过程是：

由运动学正解方程可知，在软件计算得出实际测量杆长的数值时采用以下的公式：

px＝l6sθ5sθ4sθ1+cθ1(l2+l3cθ2+c(θ2+θ3)(l4+l6cθ4sθ5)+(l5+l6cθ5)s(θ2+θ3))(公式1)

py＝-l6cθ1sθ5sθ4+sθ1(l2+l3cθ2+c(θ2+θ3)(l4+l6cθ4sθ5)+(l5+l6cθ5)s(θ2+θ3))(公式2)

pz＝l1-(l5+l6cθ5)c(θ2+θ3)+l3sθ2+(l4+l6cθ4sθ5)s(θ2+θ3))(公式3)

其中：px是指台阶板上圆孔位置的测量点相对于工业机器人的世界坐标系的沿x轴的数值，py是指圆孔位置的测量点沿y轴的数值，pz是指圆孔位置的测量点沿z轴的数值；

s是正弦sin的缩写；c是余弦cos的缩写；θ是指工业机器人的各个关节的夹角，l是指工业机器人的各个杆长的数值。

上述公式将关节参数的系数分离得到：

px＝(0)l1+(cθ1)l2+(cθ1cθ2)l3+(cθ1c(θ2+θ3))l4+(cθ1s(θ2+θ3))l5+(sθ5sθ4sθ1+cθ1(c(θ2+θ3)cθ4sθ5+s(θ2+θ3)cθ5))l6

(公式4)

py＝(0)l1+(sθ1)l2+(sθ1cθ2)l3+(sθ1c(θ2+θ3))l4+(sθ1s(θ2+θ3))l5+(-cθ1sθ5sθ4+sθ1(c(θ2+θ3)cθ4sθ5+s(θ2+θ3)cθ5))l6

(公式5)

pz＝(1)l1+(0)l2+(sθ2)l3+(s(θ2+θ3))l4+(-c(θ2+θ3))l5+(-c(θ2+θ3)cθ5+s(θ2+θ3)cθ4sθ5)l6

(公式6)

以两个测量点为例，分别标为测量点j和测量点k，根据上述公式4-6转为矩阵可得：

其中，j与k是排列组合中线性无关的两个测量点序号，pjx是指测量点j相对于工业机器人的世界坐标系的沿x轴的数值，pjy是指测量点j沿y轴的数值，pjz是指测量点j沿z轴的数值，其它测量点以此类推。

gj表示公式4-6中关节参数系数的计算，使用测量第j个测量点时的机器人关节值(θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6)。

定下如下关节参数系统另外：

gx，1＝0

gx，2＝cθ1

gx，3＝cθ1cθ2

gx，4＝cθ1c(θ2+θ3)

gx，5＝cθ1s(θ2+θ3)

gx，6＝sθ5sθ4sθ1+cθ1(cθ23cθ4sθ5+s(θ2+θ3)cθ5)

gy，1＝0

gy，2＝sθ1

gy，3＝sθ1cθ2

gy，4＝sθ1c(θ2+θ3)

gy，5＝sθ1s(θ2+θ3)

gy，6＝-cθ1sθ5sθ4+sθ1(c(θ2+θ3)cθ4sθ5+s(θ2+θ3)cθ5)

gz，1＝1

gz，2＝0

gz，3＝sθ2

gz，4＝s(θ2+θ3)

gz，5＝-c(θ2+θ3)

gz，6＝-c(θ2+θ3)cθ5+s(θ2+θ3)cθ4sθ5

当得知两个测量点位置及相应系数矩阵时，即机器人关节值(θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6)。则公式7可简化为各杆长的公式如下：

对于多个测量点，如果只取测量点的x与z轴位置坐标的p值时，根据公式8推导可得各杆长的公式为：

更进一步地，对于一个测量点形成的2行6列系数矩阵如下：

如果存在m个测量点，则可形成2m行6列系数矩阵如下：

对矩阵方程公式10进行处理得：

对其关节参数求解，可得：

在得到每个测量点的关节值后，通过计算软件进行编程计算即可得到各杆长的数值。

以上实施例为本发明的优选实施例，本发明不限于上述实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不背离本发明技术原理的基础上所做的任何显而易见的改动，都属于本发明的构思和所附权利要求的保护范围。