三自由度并联机器人的误差校正方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明适用于机器人误差校正领域，提供一种三自由度并联机器人的误差校正方法及系统，在机器人的末端固定视觉采集系统，并提供具有规则阵列的若干标志点的标定板；具体步骤包括：使三自由度并联机器人带动所述视觉采集系统运动到三自由度并联机器人的工作空间的任意平面；使得所述视觉采集系统的视场内只存在一个任意的标志点，并以此标志点为参考点，获取参考点在图像坐标系中的坐标位置；以参考点为起始位置进行所有标志点的点位遍历，并获取对应标志点的坐标位置；计算所有标志点与参考点的坐标位置偏差，获取到误差校正表。本发明实施例利用视觉辅助进行机器人在空间上的误差定位，得到空间位置误差校正表或变化规律，校正方法方便简单。
【专利说明】
三自由度并联机器人的误差校正方法及系统
技术领域
[0001]本发明属于机器人末端误差校正领域，尤其涉及一种三自由度并联机器人的误差校正方法及系统。【背景技术】
[0002]三自由度并联机器人属于高速、轻载的并联机器人，它是由三个并联的伺服轴确定抓取工具中心的空间位置，实现目标物体的运输、加工、分拣以及焊接等操作。
[0003]对于并联机器人而言，由于机械加工的误差、装配误差等因素的影响，并联架构的理论结构参数(铰链位置、杆长等)与实际的结构参数之间存在偏差，使得并联结构的运动学模型不确定，从而影响并联机构的工作精度。解决其工作精度的方法有两种，一种方法是直接提高机械加工精度以及装配精度;另一种方法是采用运动学标定识别并联机构的运动几何参数。
[0004]第一种方法极大的增加了制造成本。
[0005]第二种方法通过分析误差因素，建立误差模型，基于影响并联机构定平台运动精度较大的几何误差参数建立运动学标定模型，采用阻尼最小二乘法，经多次优化迭代实现方程组求解，利用激光干涉仪完成标定用数据的测量，通过并联机构运动学逆解和各铰链的几何标定参数得到动平台的实际位姿。但第二种方法的实现过程复杂。
【发明内容】
[0006]本发明实施例的目的在于提供一种三自由度并联机器人的误差校正方法及系统， 以解决现有的校正成本高、过程复杂的问题。
[0007]本发明实施例是这样实现的，一种三自由度并联机器人的误差校正方法，在所述三自由度并联机器人的末端固定视觉采集系统，并提供具有规则阵列的若干标志点的标定板;所述误差校正方法，具体步骤包括:
[0008]使三自由度并联机器人带动所述视觉采集系统运动到三自由度并联机器人的工作空间的任意平面；
[0009]使得所述视觉采集系统的视场内只存在一个任意的标志点，并以此标志点为参考点，获取参考点在图像坐标系中的坐标位置；
[0010]以参考点为起始位置进行所有标志点的点位遍历，并获取对应标志点的坐标位置；
[0011]计算所有标志点与参考点的坐标位置偏差，获取到误差校正表。
[0012]进一步地，确定参考点之前，调节标定板的位置，使得所述标定板的相邻边缘分别与X坐标轴和Y坐标轴平行。
[0013]进一步地，以参考点为起始位置进行所有标志点的点位遍历时，所述三自由度并联机器人的运动距离相同。
[0014]进一步地，保证标定板的相邻边缘分别与X坐标轴和Y坐标轴平行的情况下，移动标定板的位置，使得参考点位于图像的中心。
[0015]进一步地，标志点与参考点的坐标位置偏差包括X方向偏差Ax和X方向偏差Ay (单位:mm);
[0016]Ax= (Rx~Dx)
[0017]Ay = (Ry-Dy)
[0018]其中，参考点的位置为R，后续为机器人运动到目标位置后所拍摄的标志点的位置为D，R和D的中心图像坐标为R(Rx，Ry)和D(Dx，Dy)。[〇〇19]进一步地，获取误差校正表步骤之前，确定视觉采集系统的标定系数，所述标定系数为标志点的实际长度直径与采集的图像像素直径之间的关系。
[0020]进一步地，所述标志点为圆形状。[0021 ]进一步地，所述标定系数的获取步骤包括:[〇〇22]获取任意标志点的图像；[〇〇23]对图像处理，获取标志点的轮廓；
[0024]对轮廓拟合，得到圆，并获取圆以像素为单位的直径；[〇〇25]比较标志点的实际长度单位直径与像素单位直径，获取到标定系数。
[0026]进一步地，获取多个标志点的像素单位直径，得到多个标定系数，然后将多个标定系数的平均值作为最终的标定系数。[〇〇27]本发明实施例还提供一种三自由度并联机器人的误差校正系统，包括设置在所述三自由度并联机器人的末端的视觉采集系统和具有规则阵列的若干标志点的标定板；其中，所述视觉采集系统包括图像处理模块、计算模块、CCD相机。[〇〇28]本发明实施例提供了一种三自由度并联机器人的误差校正方法及系统，利用视觉辅助(相机结合视觉算法)进行机器人在空间上的误差定位，得到空间位置误差校正表或空间位置的变化规律，所述校正方法更加方便简单。【附图说明】
[0029]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]图1是本发明实施例提供的三自由度并联机器人的误差校正装系统的示意图；
[0031]图2是本发明实施例提供的三自由度并联机器人的误差校正装方法流程图；
[0032]图3是本发明实施例提供的标定系数确定的示意图；
[0033]图4是本发明实施例提供的误差校正过程示意图；
[0034]图5是本发明实施例提供的坐标位置偏差计算示意图。【具体实施方式】[〇〇35]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0036]如图1所示，三自由度并联机器人包括静平台110、动平台120和三条对称分布的支链130，其中，各支链130中主动臂131与静平台110经转动铰连接，形如平行四边形的从动臂 132—端与主动臂131连接，另一端与动平台120经球面副连接，三个主动臂131在伺服电动机驱动下可做独立的纯转动。[〇〇37]三自由度并联机器人的工作空间是由主动臂131以及从动臂132的长度，动平台 120与静平台110的半径、以及主动臂131活动角度范围五个参数确定，三自由度并联机器人的活动空间可以认为有两个，一个是可达空间，即机器人的极限边界，形如碗状；另一个是任务空间，也称为工作空间，形如圆柱体。[〇〇38]如图1、2所示，本发明实施例提供一种三自由度并联机器人的误差校正方法，在所述三自由度并联机器人的末端固定视觉采集系统210,并提供具有规则阵列的若干标志点 221的标定板220;本发明实施例的所述误差校正方法，通过视觉采集系统210对标定板220 上的标志点221的空间位置进行采集，并得到所有空间位置的误差校正表，最终根据误差校正表对三自由度并联机器人进行校正。[〇〇39]具体步骤包括:[〇〇40] S310,使三自由度并联机器人带动所述视觉采集系统210运动到三自由度并联机器人的工作空间的任意平面；
[0041]具体的，首先使得三自由度并联机器人处于回零的状态，之后才驱动三自由度并联机器人的Z轴运动到工作空间的一定的高度，即处于工作空间的某个平面内。
[0042]本实施例中，所述视觉采集系统210包括CCD相机和数据处理模块，所述数据处理模块用于图像处理和数据计算。
[0043] S320,使得所述视觉采集系统210的视场内只存在一个任意的标志点，并以此标志点为参考点，获取参考点在图像坐标系中的坐标位置，单位为像素；
[0044]所述标志点221可为圆形状，如圆点或圆环。如图3 (3a、3b)所示，本实施例的采用圆点。其中，所述标志点的直径、任意两个标志点的中心间距为已知的设定值，或者为可测量值。
[0045]进一步地，在确定参考点之前，首先调节标定板220的位置，使得所述标定板220的相邻边缘分别与X坐标轴和Y坐标轴平行，以便后续操作的方便定位。
[0046]然后，在保证标定板的相邻边缘分别与X坐标轴和Y坐标轴平行的情况下，移动标定板220的位置，使得参考点位于图像的中心，并且为了方便提取坐标信息，所述视觉采集系统的视场内只存在一个标志点。[〇〇47]调节完成将标定板220固定好，此时触发视觉采集系统210拍照，并处理图像中的标志点(此时为参考点)，得到标志点的图像坐标，记录下来作为参考基准坐标。[〇〇48]在其他实施例中，步骤S310和S320中的视觉采集系统210和标定板220的移动的顺序可调或者同时进行。
[0049]本实施例中，所述标志点为较大的圆点构成，则参考点在图像坐标系中的坐标位置为中心图像坐标(圆心坐标)。[0〇5〇] S330，以参考点为起始位置进行所有标志点的点位遍历，并获取对应标志点的坐标位置；
[0051]如图4所示，在点位遍历时，所述三自由度并联机器人每次运动的距离相同。
[0052]如步骤S320中，视场内只存在一个标志点作为参考点，则后续的点遍历时，由于是阵列的标志点，则每次移动中心间距后，所述视场内应该只有一点标志点，标定板220的此方式设置对于图像的数据处理，尤为方便。[〇〇53]如本实施例中，采用两个标志点的中心间距作为运动距离，当参考点位于图像中心时，若机器人不存在运动误差，每运动一次所获得的图像中的标志点位置应该与参考点的位置相同(图像的中心处)。[〇〇54]为了保证机器人在其工作平面内移动都可以获取到标志点的图像，应该使标定板 220的尺寸大于工作空间的平面。
[0055]在其他实施例中，参考点也可以不位于图像中心，只要保证视觉采集系统210在每次移动后，能够采集到标志点即可。[0〇56]S340,计算所有标志点与参考点的坐标位置偏差，获取到误差校正表。
[0057]如图5所示，由于以参考点为基准，且标定板的边缘与系统的XY轴平行，运动后采集到的标志点的位置与参考点的位置在X、Y方向的偏移，即为机器人相应的运动误差。
[0058]如，参考点的位置为R，后续为机器人运动到目标位置后所拍摄的标志点(点位遍历后的标志点)的位置为D，对两幅图像进行处理，分别得到R和D的中心图像坐标为R(Rx，Ry) 和D(Dx，Dy)，计算出X方向的偏差Ax与Y方向的偏差Ay(单位:_)为:
[0059]Ax=(Rx-Dx)(1)
[0060]Ay = (Ry-Dy)(2)[0061 ]将多个Ax和Ay集合在一起，则构成了机器人的误差校正表，在实际加工中，只需要将对应位置的误差补偿到加工位置或路径中即可。
[0062]进一步的，可将多个Ax和多个Ay拟合成一条曲线，以此获取误差规律，利用此误差规律实现机器人运动误差的校正。
[0063]在其他实施例中，也可以不对所有标志点进行点位遍历，根据实际加工精度需要， 可选择部分标志点进行坐标偏差获取，即，在步骤S330中，根据需要选择点位遍历的数量； 或者根据需要选择标志点之间的中心间距的大小。具体的，标志点的中心间距越小，或者点位遍历的标志点数量越多，误差校正的精度越高。[〇〇64]进一步的，由于视觉采集系统210对图形的处理可能存在一定误差，在获取误差校正表之前，先确定视觉采集系统210的标定系数s(由视觉采集系统210本身的采集误差造成的)，然后再将所述标定系数s带到X方向与Y方向的偏差中去，使得运动误差更加精确。
[0065]具体的，所述标定系数s为标志点220的实际直径d(长度:mm)与采集的图像直径p (像素:piXel)之间的换算关系。即，
[0066]s = d/p(mm/pixel) (3)
[0067]本实施例中，所述标定系数s的获取步骤包括:[〇〇68]获取任意标志点的图像；[〇〇69]对图像处理，获取标志点的轮廓；
[0070]对轮廓拟合，得到圆，并获取圆以像素为单位的直径；[〇〇71]比较标志点的实际长度单位直径与像素单位直径，获取到标定系数。
[0072]在一个实施例中，通过图像的灰度值提取出标志点的轮廓。
[0073]进一步地，为了得到更精确的标定系数s，可以多拍几个标志点220,利用上述公式(3)计算出一系列的换算系数s(sl，s2，s3.sn)，再求s的平均值，得到平均标定系数scl，所述平均标定系数scl作为最终的标定系数。
[0074] 贝 lj，Ax= (Rx-Dx)*scl(4)
[0075]Ay = (Ry-Dy)*scl(5)
[0076]本发明实施例主要通过是利用工业相机(CXD相机)对规则设置的标志点的位置信息进行获取，并结合视觉算法的方式，获取标志点的位置误差，以此确定运动误差，实现对机器人的校正。[〇〇77]本发明实施还提供一种三自由度并联机器人的误差校正系统，包括设置在所述三自由度并联机器人的末端的视觉采集系统210和具有若干规则阵列的标志点221的标定板 220;所述视觉采集系统210包括数据处理模块和CCD相机;数据处理模块包括图像处理模块和计算模块，其中，所述计算模块包括:
[0078]对标志点坐标位置进行计算的坐标计算模块；
[0079]计算所有标志点与参考点的坐标位置偏差的偏差计算模块。
[0080]进一步地，所述视觉采集系统210还包括对偏差数据或标志点轮廓进行拟合的拟合模块。
[0081]进一步地，由于图像处理过程中可能存在误差，所述计算模块还包括标定系数计算模块以及平均标定系数计算模块。
[0082]当然，在其他实施例中，所述图像处理模块或计算模块也可以单独存在，不包含在数据处理模块或视觉采集系统中。
[0083]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
【主权项】
1.一种三自由度并联机器人的误差校正方法，其特征在于，在所述三自由度并联机器 人的末端固定视觉采集系统，并提供具有规则阵列的若干标志点的标定板;所述误差校正 方法，具体步骤包括:使三自由度并联机器人带动所述视觉采集系统运动到三自由度并联机器人的工作空 间的任意平面；使得所述视觉采集系统的视场内只存在一个任意的标志点，并以此标志点为参考点， 获取参考点在图像坐标系中的坐标位置；以参考点为起始位置进行所有标志点的点位遍历，并获取对应标志点的坐标位置；计算所有标志点与参考点的坐标位置偏差，获取到误差校正表。2.根据权利要求1所述的误差校正方法，其特征在于，确定参考点之前，调节标定板的 位置，使得所述标定板的相邻边缘分别与X坐标轴和Y坐标轴平行。3.根据权利要求2所述的误差校正方法，其特征在于，以参考点为起始位置进行所有标 志点的点位遍历时，所述三自由度并联机器人的运动距离相同。4.根据权利要求3所述的误差校正方法，其特征在于，保证标定板的相邻边缘分别与X 坐标轴和Y坐标轴平行的情况下，移动标定板的位置，使得参考点位于图像的中心。5.根据权利要求4所述的误差校正方法，其特征在于，点位遍历后的标志点与参考点的 坐标位置偏差包括X方向偏差Ax和X方向偏差Ay (单位:mm);Ax= (Rx-Dx)Ay = (Ry_Dy)其中，参考点的位置为R，后续为机器人运动到目标位置后所拍摄的标志点的位置为D， R和D的中心图像坐标为R(Rx，Ry)和D(Dx，Dy)。6.根据权利要求5所述的误差校正方法，其特征在于，获取误差校正表步骤之前，确定 视觉采集系统的标定系数，所述标定系数为标志点的实际长度直径与采集的图像像素直径 之间的关系。7.根据权利要求6所述的误差校正方法，其特征在于，所述标志点为圆形状。8.根据权利要求7所述的误差校正方法，其特征在于，所述标定系数的获取步骤包括:获取任意标志点的图像；对图像处理，获取标志点的轮廓；对轮廓拟合，得到圆，并获取圆以像素为单位的直径；比较标志点的实际长度单位直径与像素单位直径，获取到标定系数。9.根据权利要求8所述的误差校正方法，其特征在于，获取多个标志点的像素单位直 径，得到多个标定系数，然后将多个标定系数的平均值作为最终标定系数。10.—种三自由度并联机器人的误差校正系统，其特征在于，包括设置在所述三自由度 并联机器人的末端的视觉采集系统和具有规则阵列的若干标志点的标定板;其中，所述视 觉采集系统包括图像处理模块、计算模块、以及CCD相机。
【文档编号】B25J9/16GK105945909SQ201610322299
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】周蕾, 李玉廷, 王光能, 舒远, 闫静, 文茜, 高云峰
【申请人】大族激光科技产业集团股份有限公司, 深圳市大族电机科技有限公司