一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置及方法

本发明涉及机器人校准领域，特别是涉及一种工业机器人d-h参数三维自标定校准装置及方法。

背景技术：

早期的机器人需要工程师手动将机器人定位在所需位置的。由于机器人重复性的提升，其位姿精确度得到了很大的提升。近些年来，工业机器人的编程已经发生了很大的进步。如今，几乎所有的机器人制造商都提供定制的3d仿真软件，允许工业机器人完全离线编程。离线编程可以极大的提升产线上的工作效率，同时也可以完成很多复杂的动作。

但是，对于很多对机器人位姿和轨迹要求较高的项目，现有的离线编程方式还存在很多问题。这个问题产生的原因在于，机器人的离线编程是基于理想的数学模型，而实际的机器人的位姿和轨迹绝对定位精度相比于重复性是有很大偏差的。

为了解决上述问题，各机器人制造商会不断努力缩小重复性和绝对定位精度之间的差距，很多研究机构和大学已经在机器人建模、位姿轨迹测量、参数辨识和d-h参数校准方面取得了很多研究成果。

机器人d-h参数的校准步骤如下：

第一步，需要建立机器人的运动数学模型，现在已经有很多种方法来建立相应的模型，但最主要的还是基于d-h参数的方法。

第二步，对机器人的位姿进行测量。现有机器人的测量方法主要有接触和非接触方式。接触式方式有时受到自身测量空间的束缚，不能完全满足客户的需求；而非接触方式可以避免空间束缚给测量带来的不便。但接触式测量方式的成本较低而精度更高，测量方法主要有坐标测量机(cmm)、关节臂坐标机、伸缩球杆等设备，因此很多设备厂商更倾向于选用接触式测量方式。非接触式测量方式主要有激光跟踪仪、光学坐标机和视觉测量系统等。

第三步，机器人的参数识别。主要是利用机器人位姿测量设备所采集的数据并应用相应最小二乘算法进行参数识别。

第四步，对相应的计算参数进行补偿。

但上述成果很难在校准成本和校准精度之间找到很好的平衡，从而限制了设备的推广应用。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术存在的问题，提出一种工业机器人d-h参数三维自标定校准装置及方法。

其测头部分安装于机器人末端位置(tcp)，采用三个互相正交的高精度位移传感器，并配套研制一种专用四球标准器校准台，通过针对工业机器人的特定校准算法，可实现对工业机器人d-h参数的快速高精度在线校准。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种工业机器人d-h参数三维自标定校准装置，其特征是，其包括三维校准器、数据传输线缆、零位快速定位夹具、四球校准台、三维角度调整器和控制电脑；三维校准器由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器组成，每个高精度光栅位移传感器通过数据传输线缆与控制电脑相连；三维校准器安装在被校准工业机器人的末端，对四球校准台上的四个标准球进行测量，通过标准球对机器人的tcp点进行高精度定位；零位快速定位夹具，用于对三维校准器的校准；四球校准台下面安装有三维角度调整器。

所述零位快速定位夹具由定位标准球和与其连接的定位销组成，定位销可与三维校准器的定位孔进行精确匹配，用于将三维校准器中心与其自身的三个高精度光栅位移传感器的中心进行高精度定位；定位标准球用于将三个高精度光栅位移传感器对零。

一种工业机器人d-h参数三维自标定校准装置的校准方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一、将三维校准器、四球校准台、控制电脑和工业机器人调整至初始工作状态，使整个装置满足工业机器人的校准要求；

步骤二、设置高精度光栅位移传感器测量范围为0～12mm，设置高精度光栅位移传感器的触发模式为上升沿触发，等待高精度光栅位移传感器数据发生变化，并将测量值传递至控制电脑，数据经过控制电脑处理后，通过专用总线将其传递给工业机器人；

步骤三、通过零位快速定位夹具对三维校准器的三个高精度光栅位移传感器进行精确对零；

步骤四、通过手操器反复调整工业机器人位姿，使三个高精度光栅位移传感器的数值再次调整至零点，这时记录工业机器人的当前位姿p1，以此类推，分别解算出p2、p3和p4，从而得到三维校准器的中心坐标值；

步骤五、建立世界坐标系，使工业机器人在同一位姿下分别定位于四球校准台的四个球心，以四个球的球心坐标拟合的平面作为z平面，以球一和球二建立的直线为x轴方向，以球一和球三建立的直线和球二与球四建立的直线交点为圆心，建立笛卡尔坐标系；

步骤六、准备工作完成后，使用工业机器人对四球校准台进行检测；根据运动学误差和非运动学误差分析，通过获得的球心坐标和四个标准球之间的距离，建立方程组，在校准时需测量至少50个点，应用最小二乘法，解算出结构参数误差；

步骤七、将步骤六中解算出的结构参数误差导入工业机器人d-h模型中，并对其进行位姿精度检测以验证校准结果是否满意，如果不满意需在此基础上继续调整d-h参数。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的一种工业机器人d-h参数三维自标定校准装置及方法，采用的三维校准器安装于机器人执行器末端，每只传感器的精度优于5μm，可实时将采集数据反馈至上位机，并通过零位快速定位夹具对三维校准器进行零位标定。通过以上措施，可在保证校准精度的同时，使整个装置的购置成本大为降低，使用方式快捷简便，可在各使用单位大范围推广。

2.本发明采用的四球校准台，通过高精度坐标测量系统对其球心间距和球心坐标进行高精度赋值，其四个支点的工作高度和距离可进行现场调整，以适应不同机器人的测量范围，并利用四球中心误差冗余效应，提升了校准台坐标系建立精度，可使得工业机器人在特定工作范围内保证较高的校准精度和操作的便利性。

3.本发明所述的四球校准台支撑部分采用三维角度调整器，可在保证机器人在不同工作姿态下进行校准，避免了现场空间局限性和操作复杂性对设备校准的限制。

4.本发明研制了适用于该装置的校准算法，可实现对工业机器的位姿测量、参数识别和数据补偿。

附图说明

图1为本发明一种工业机器人d-h参数三维自标定校准装置结构示意图；

图中：1-包括三维校准器、2-传感器数据传输线缆、3-零位快速定位夹具、4-四球校准台、5-三维角度调整器、6-控制电脑、7-被校准工业机器人。

图2为本发明一种工业机器人d-h参数三维自标定校准方法流程图。

图3为本发明所述零位快速定位夹具结构示意图。图中：3-1、定位标准球，3-2、定位销。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种工业机器人d-h参数三维自标定校准装置，其包括三维校准器1、数据传输线缆2、零位快速定位夹具3、四球校准台4、三维角度调整器5和控制电脑6。

三维校准器1由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器组成，每个高精度光栅位移传感器通过数据传输线缆2与控制电脑6相连；

三维校准器1安装在被校准工业机器人7的末端，对四球校准台4上的四个标准球进行测量。可通过标准球对机器人的tcp点进行高精度定位。

零位快速定位夹具3，用于对三维校准器1的校准。

四球校准台4上设置有四个标准球，四球校准台4采用铝板结构，下面安装有三维角度调整器5。

高精度光栅位移传感器1-1的精度优于5μm内。

在安装时，通过精确调整保持三个高精度光栅位移传感器相互垂直。每个高精度光栅位移传感器的数据通过线缆2传递给控制电脑6进行数据计算。

如图3所示，零位快速定位夹具3由定位标准球3-1和与其连接的定位销3-2组成，定位销3-2可与三维校准器1的定位孔进行精确匹配，用于将三维校准器1的中心与其自身的三个位移传感器的中心进行高精度定位。定位标准球3-1用于将三个位移传感器对零。

四球校准台4上设置有4个标准球4-1，球的直径为φ30mm，相邻两个球检测距离为300mm，每个校准球的直径、圆度和球间距均经过高精度设备测量并赋值。根据被测机器人的尺寸不同，四球校准台4与标准球直接可设置不同长度的延长杆4-2。四球校准台4采用铝板结构，下面安装有三维角度调整器5，可根据机器人的位姿进行相应调试，以便适用于不同位姿的校准。

一种工业机器人d-h参数三维自标定校方法，包括以下步骤：

步骤一、将三维校准器1、四球工作台4、控制电脑6、工业机器人7和调整至初始工作状态，使整个装置满足工业机器人的校准要求；

步骤二、光栅位移传感器1-1测量范围为(0～12)mm，设置传感器的触发模式为上升沿触发，等待传感器数据发生变化，并将测量值传递至上位机控制上，上位机数据经过处理后，通过专用总线，将其传递给机器人；

步骤三、通过零位快速定位夹具对三维校准器的三个位移传感器进行精确对零，

步骤四、通过手操器，反复调整机器人位姿，使三个位移传感器的数值再次调整至零点，这时记录机器人的当前位姿p1，以此类推，分别结算处p2、p3和p4，从而可解算出三维标准器的中心坐标值；

步骤五、建立世界坐标系，使机器人在同一位姿下分别定位于四球校准器的四个球心，以四个球的球心坐标拟合的平面作为z平面，以球一和球二建立的直线为x轴方向，以球一和球3建立的直线和球2与球4建立的直线交点为圆心，建立笛卡尔坐标系；

步骤六、准备工作完成后，使用机器人对四球校准台进行检测。

(1)采用一种6轴工业机器人，其有6个角度转动关节，结构参数采用了d-h模型。该模型共计9个坐标系，世界坐标系{w}，工具坐标系{t}，基座坐标系{0}和机器人关节坐标系{1～6}。世界坐标系定义在四球校准台的球1上，x轴指向球2，工具坐标系{t}的x轴,y轴和z轴与世界坐标系对齐。

机器人关节变量如公式(1)所示：

q＝[θ1,θ2,…θ6,](1)

世界坐标系{w}到工具坐标系{t}的转换矩阵为：

其中表示{j}坐标系相对于{i}坐标系的转换矩阵。因此，6轴机器人的坐标转换矩阵为：

根据d-h模型的结构参数，坐标转换矩阵的表达式为：

α，a，θ，d是机器人的d-h参数，sθ代表sinθ,cθ代表cosθ。

机器人的末端位姿可表示为：

p＝f(α，a，θ，d)(6)

由机器人运动误差得：

根据公式(7)，可以得到在空间内任意一点pi的方程为：

根据运动学误差和非运动学误差分析，在校准时需测量至少50个点，应用最小二乘法法结算：

aδ＝p(9)

其中：

a为雅克比行列式的系数矩阵，其各参数都是角度的函数；

δ为要求得的δα，δa，δθ，δd；

p为各点误差值。

通过获得的球心坐标和四个标准球之间的距离，建立方程组，解算出δα，δa，δθ，δd。

(2)整个系统运行过程如下：

1)通过移动机器人的位姿，使位移传感器的测头与标准球接触，设置标称为qd；

2)从上位机软件向位移传感器发送数据请求；

3)将3个位移传感器的数据发回给上位机软件，命名为rx，ry，rz；

3)将rx，ry，rz位置坐标传送到机器人控制器中；

4)将工具坐标系替换为r＝[rx，ry，rz]；

5)设位置偏移最小值为γ，重复上述步骤2)至4)直到|r|<γ；

6)当满足步骤5的γ时，在软件中存储当前机器人的位置坐标qa；

7)重复步骤1)至6)，直到所有的测量点均测量完成为止。

注：预设参数γ一般大于机器人的重复性，否则将很难达到检测要求。

步骤七、将识别完成的参数导入工业机器人d-h模型中，并对其进行位姿精度检测以验证校准结果是否满意，如果不满意需在此基础上继续调整d-h参数。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。