一种基于末端非完整坐标信息的机器人标定系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于末端非完整坐标信息的机器人标定系统及方法，属于机器人 标定领域。
【背景技术】
[0002] 随着机器人在各个行业的广泛运用，业界对工业机器人在运动时在空间上的重复 定位精度与绝对定位精度有严格的要求，由于机器人是一种多自由度设备，这种结构形式 存在误差累积放大的缺点，各级关节的结构参数误差会被逐级放大，从而造成机器人的精 度降低。
[0003] 标定是消除机器人结构参数误差的有效方法，目前常用的机器人标定方法一般都 要借助激光跟踪仪、激光干涉仪、三坐标测量机等精密测量仪器。
[0004] 以上方法的共同特点是要测出机器人末端的坐标值，所需的标定设备成本高、操 作步骤繁琐、对操作人员的技术水平要求较高、数据采集费时费力，难以实现自动化。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种基于末端非完整坐标信息的机器人标定系统及方法，以解决现 有设备成本高、操作步骤繁琐、定位精度低等问题。
[0006] 本发明的技术方案是:一种基于末端非完整坐标信息的机器人标定系统，包括固 定平台1、磁性表座2、连接杆3、拉线传感器4、倾角传感器5、万向节6、机器人7、拉线传感器 电缆8、机器人电缆9、倾角传感器电缆10、计算机11;
[0007] 所述磁性表座2通过磁力安装在固定平台1上，磁性表座2与拉线传感器4通过连接 杆3连接在一起，拉线传感器4拉线的末端安装在万向节6上，万向节6上贴有倾角传感器5， 倾角传感器5随万向节6-起运动，万向节6安装在机器人7上;拉线传感器4、倾角传感器5分 别通过拉线传感器电缆8、倾角传感器电缆10与计算机11连接通讯，机器人7通过机器人电 缆9与计算机11连接通讯;通过计算机11采集拉线传感器4的拉线长度、倾角传感器5的角 度、机器人7的关节转角。
[0008] -种基于末端非完整坐标信息的机器人标定方法，所述方法的具体步骤如下：
[0009] Stepl、将倾角传感器5贴在万向节6上，并将万向节6安装在机器人7末端上；
[0010] Step2、将拉线传感器4通过连接杆3安装在磁性表座2上，并固定磁性表座2,将拉 线传感器4的拉线与万向节6的末端连接；
[0011] Step3、上电，打开倾角传感器5、拉线传感器4、机器人7,并将机器人7移动至初始 位姿且满足初始化计数变量v = 〇;
[0012] Step4、判断是否完成数据采集操作；
[0013]若已经完成数据采集则转至Step7,若尚未完成则转至Step4;
[0014] Step5、计数变量自增1: v = v+l;
[0015] Step6、通过计算机11采集拉线传感器4的拉线长度、倾角传感器5的角度数据和机 器人7的关节转角数据；
[0016] Step7、变换机器人7的位姿，变换的原则为:按照关节顺序的大小依次变换每个关 节的转角（如：按照关节从小到大的原则依次运动，关节一从0°变换到20°，下一次再从20° 变换到40°，以此类推，每次变换关节的角度增加20°，一直增加到340°，即完成此关节的位 姿变换，其余关节也可按照这种方法运动，使机器人7各个关节充分运动，用户也可增加或 减少位姿的变换次数，以便获得更多数据）；其中所有关节变换次数为t，每变换一次就返回 到步骤Step4进行判断；
[0017] Step8、完成数据采集后令t = v;
[0018] Step9、机器人7末端空间连续两点i与j距离的计算：
[0019]数据采集完成后，利用采集到数据即可计算机器人7末端空间连续两点i与j距离 li,j;由于拉线传感器4的拉线与倾角传感器5所在平面始终垂直，并且倾角传感器5与拉线 一起随着万向节6运动，则倾角传感器5采集的角度为拉线与水平面X轴的夹角α、与y轴的夹 角β:首先通过采集到的角度计算得到拉线的方向向量，其次根据拉线的方向向量计算出在 i位置的拉线与在j位置的拉线的夹角，最后根据在i位置的拉线与在j位置的拉线的夹角及 在i位置的拉线与在j位置的拉线的长度计算出机器人7末端i与机器人7末端j两点之间的 距离；
[0020]方向向量的计算：
[0021]在i位置的拉线的方向向量：
[0022]利用方向余弦C〇sai2+C〇s0i2+C〇s γ i2 = l，计算出角度γ i从而确定在i位置的拉线 的方向向量111，111=((308€4，(308&，(308丫士）；
[0023] 在」位置的拉线的方向向量11为:11=((308(^，(308氏，(308丫」）；
[0024] 在i位置的拉线与在j位置的拉线的夹角气/为：气/ '二·丨
[0025] 机器人7末端i与j两点之间距离的计算：
[0026] 根据余弦定理&/ ，求出末端在空间两点i与j之间的距离 式中，h、込表示当机器人7末端位置分别为i、j时，拉线传感器4的拉线长度; 分别表示当机器人7末端位置为i时，拉线与水平面X轴的夹角、与y轴的夹角、与z轴的夹角； 4、的、γ』分别表示当机器人7末端位置为j时，拉线与水平面X轴的夹角、与y轴的夹角、与z 轴的夹角；
[0027] SteplO、待标定的机器人7结构参数的求解：
[0028] 利用采集到的机器人7的关节转角数据，计算得到的距离1^，以及机器人7的运动 学方程列出t个方程，每个方程形式为：
[0029] = ψΧι.-Xj )2 + ( Γ/ - Vj yL + (：, -Zjf xi '「Μ?Α??ρΦ
[0030] 其中，乃=/v(3_J片，2，…，q)表示机器人7末端位置位于i时的坐标值，Θ i, i， % = ./:(%，％：，···，％.」ι) θ1>2,…，01>w表示机器人7末端位置位于i时的w个关节转角值，q为待辨识的机器人7结构参 数向量； Xj ~ f 5 ^/.2 5 " * ' 5 ^/,W 5
[0031 ] 々=/v (A.丨，6/.2，…，^/.u.，9 >表不机器人7末端位置位于j时的坐标值，Θj,丨，Θj, 2，…， ，=Λ (沒/jjfW/.u.A) Θ j, w表示机器人7末端位置位于j时的w个关节转角值；
[0032] SteplO、求解t个方程组成的方程组：
[0033] 4,2 x2Τ + (Λ _ ??? + (? _ ζ2 )*"
[0034] /2,3.，J(a：2 - λ、广 + ()? 'y3 )▲ + (ζ2 - %
[0035] ···
[0036] 4_j)f =1(/(^-1 - Xf Τ + (yt-l ~ 3V Τ + (%-Ι ~ zt y
[0037] 在上面的方程组中，只有待辨识的机器人7的结构参数向量q是不确定的，利用非 线性最小二乘法即可求解，得到结构参数向量q的精确值；
[0038] Stepll、将结构参数向量q代入机器人7的运动学方程中，验证标定结果的有效性， 完成机器人7的标定。
[0039]本发明的工作原理是:将拉线传感器4、倾角传感器5、万向节6、机器人7连接起来， 通过计算机11采集拉线传感器4的长度、倾角传感器5的角度和机器人7的关节转角，并按照 关节变换顺序改变机器人7的位姿，使采集到充足的数据;首先根据采集到的角度确定拉线 的方向向量，其次根据方向向量计算出任意两次拉线的夹角，最后根据计算出的的夹角与 任意两次采集到的拉线长度计算出机器人7末端在空间两点的距离。根据机器人7的末端在 空间两点的距离以及机器人7的运动学方程得到以机器人7结构参数为未知量的方程式，求 解出该方程式即实现对机器人的标定。
[0040] 本发明的有益效果是：
[0041] 1、采用长度可变化的拉线传感器，从而在采集数据时机器人的运动空间变大，机 器人各关节的运动更加充分，为结构参数解算提供了鲁棒性更强的数据支持同时标定操作 更加灵活轻便。
[0042] 2、机器人末端在空间两点间的距离，可根据拉线传感器与倾角传感器的读数精确 计算出，提高了结构参数解算的可靠性和精度。
[0043] 3、由于不需要测出机器人末端的坐标值，因此简化了操作步骤并提高了标定效 率。
【附图说明】
[0044] 图1是本发明装置在标定过程中采集数据时的位姿图；
[0045] 图2是本发明机器人末端在位姿i、j时的长度与角度示意图；
[0046]图中各标号：1_固定平台、2-磁性表座、3-连接杆、4-拉线传感器、5-倾角传感器、 6_万向节、7-