一种基于末端非完整坐标信息的机器人标定系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于末端非完整坐标信息的机器人标定系统，属于机器人标定领域。本实用新型所述磁性表座通过磁力安装在固定平台上，磁性表座与拉线传感器通过连接杆连接在一起，拉线传感器拉线的末端安装在万向节上，万向节上贴有倾角传感器，倾角传感器随万向节一起运动，万向节安装在机器人上；拉线传感器、倾角传感器分别通过拉线传感器电缆、倾角传感器电缆与计算机连接通讯，机器人通过机器人电缆与计算机连接通讯；通过计算机采集拉线传感器的拉线长度、倾角传感器的角度、机器人的关节转角。本实用新型提高了结构参数解算的可靠性和精度；简化了操作步骤并提高了标定效率。
【专利说明】
一种基于末端非完整坐标信息的机器人标定系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种基于末端非完整坐标信息的机器人标定系统，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] 本实用新型提供了一种基于末端非完整坐标信息的机器人标定系统，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] 本实用新型的技术方案是：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] 本实用新型的工作原理是：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。
[0009] 具体步骤如下：
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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;
[0013] Step4、判断是否完成数据采集操作；
[0014]若已经完成数据采集则转至Step7,若尚未完成则转至Step4;
[0015] Step5、计数变量自增l:v = v+l;
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] Step8、完成数据采集后令t = v;
[0019 ] Step9、机器人7末端空间连续两点i与j距离的计算：
[0020]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a、与y轴的夹 角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；
[0021]方向向量的计算：
[0022]在i位置的拉线的方向向量：
[0023]利用方向余弦cosai2+cos0i2+cos y i2 = l，计算出角度y i从而确定在i位置的拉线 的方向向量111，111=((308€4，(308&，(308 7^);
[0024] 在」位置的拉线的方向向量11为:11=((3〇8(1」，(3〇8氏，(3〇8 7^);
[0025] 在i位置的拉线与在j位置的拉线的夹角气./为：
[0026] 机器人7末端i与j两点之间距离的计算：
[0027] 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;ai、队、yi 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； 的、^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；
[0028] Step 10、待标定的机器人7结构参数的求解：
[0029]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：
~ ./a风I
[0031] 其中，）'/=./:.(見丨片.2,…，見u，q)表示机器人7末端位置位于i时的坐标值，山 zi = f::(A、\A2，、U 01>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； ?尤/ - ./x (沒6/,2，…，沒/，斯分).
[0032] .' = 4 (&1，力,2，…為#，W表示机器人7末端位置位于j时的坐标值，0 j, i， Zj ~ i7, (^/,l 5 ^/,2： 5 * * * > ^j,W > m) Q j, 2 , ??? , 0 j, w表不机器人7末端位置位于j时的W个关节转角值；
[0033] SteplO、求解t个方程组成的方程组：
[0035]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；
[0036] 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。
[0037]本实用新型的有益效果是：
[0038] 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。
[0039] 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。
[0040] 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】
[0041 ]图1是本实用新型装置在标定过程中采集数据时的位姿图；
[0042]图2是本实用新型机器人末端在位姿i、j时的长度与角度示意图；
[0043]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-机器人、8-拉线传感器电缆、9-机器人电缆、10-倾角传感器电缆、11-计算机。
【具体实施方式】
[0044] 实施例1:如图1-2所示，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;
[0045] 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。
[0046] 上面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作了详细说明，但是本实用新型并不 限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用 新型宗旨的前提下作出各种变化。
【主权项】
1. 一种基于末端非完整坐标信息的机器人标定系统，其特征在于:包括固定平台（I)、 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); 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。
【文档编号】B25J19/00GK205466311SQ201620025693
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月12日
【发明人】张怀山, 高贯斌, 那靖, 伞红军, 伍星
【申请人】昆明理工大学