专利名称：基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定装置及方法。
背景技术：
飞机数字化装配系统中的大量模块化工装和自动化设备系统，比如系统平台、靶 标法兰、靶标、机器人导轨、机器人、激光跟踪仪、工件、数控精加工机床、三坐标数控定位 器，都是在自身的局部坐标系下伺服运动。为了提高系统的运动性能和精度，必须构建系统 全局坐标系与各组成子系统局部坐标系的转换关系。各组成子系统局部坐标系的创建与标 定是系统初始化必须完成的重要工作之一，其创建与标定将直接影响到系统的精度。带附加外轴的机器人以其极高的重复定位精度、较高的绝对定位精度、高度的柔 性、较小的安装空间需求和可编程控制等特点，保证其具有比较大的灵活作业空间的同时， 保证了装配系统总体布局设计上的结构紧凑性和作业空间开敞性，在飞机数字化装配系统 中具有广泛应用。构建和标定机器人坐标系可以较为精确地确定靶标、工具、工件、移动导轨坐标系 在全局坐标系下的位姿，机器人移动时便可准确定位机器人及其工具。构建和标定机器人坐标系的传统方法仅仅提出了个别坐标系的构建和标定过程 而不够系统全面，有的要求特殊的标准试件而难以加工，大多数没有给出标定后具体精度 的数值指标。带附加外轴的机器人系统坐标系的构建与标定过程是一个极其繁琐而复杂的过 程，本发明提出了一种快速简单、精度较高的方法来构建与标定系统各坐标系，采用激光跟 踪仪来测量一系列点并进行拟合计算，可以实现大批量全自动化构建与标定坐标系组。该 方法具有操作简单、精度高、可靠性强等优点。
发明内容
本发明的目的是针对上述带附加外轴的机器人系统坐标系的构建，提供一种基于 激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定装置及方法。基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定装置包括系统平台、靶标法兰、靶 标安装孔、机器人导轨、机器人、激光跟踪仪、工件、数控精加工机床、三坐标数控定位器、上 位机；系统平台上安装有9个通过高精密数控机床加工出的靶标安装孔、三坐标数控定位 器、机器人导轨，在三坐标数控定位器上固定有工件，在机器人导轨上安装有机器人，机器 人上安装有靶标法兰，靶标法兰上有6个靶标安装孔，在靶标安装孔上设有靶标，系统平台 外侧设有数控精加工机床、激光跟踪仪、上位机。所述的机器人的定位精度为士 0.692mm。所述的上位机、机器人、激光跟踪仪之间通过RS485以太网连接实现Socket通讯， 以字符串的形式发送数据、命令、请求，通过上位机完成测量数据和计算数据的备份和保存。
基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定方法包括标定世界坐标系、标定靶 标工具坐标系、标定BASE坐标系和标定TRACK坐标系，标定BASE坐标系包括标定BASE坐 标系各坐标轴方向和标定BASE坐标系原点，标定世界坐标系的步骤a)测量9个靶标在激光跟踪仪坐标系下的位置；b)将靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间实际位置与理论位置进行匹配计算，获取 激光跟踪仪坐标系在世界坐标系下的姿态；c)根据激光跟踪仪坐标系与世界坐标系的位姿转换关系，将激光跟踪仪测量坐标 系转站到世界坐标系下；标定BASE坐标系各坐标轴方向的步骤d)使机器人沿BASE坐标系的X轴运动，连续测量靶标的位置，拟合一条直线即机 器人BASE坐标系的X轴方向；使机器人沿BASE坐标系的Y轴运动，连续测量靶标的位置， 拟合一条直线即机器人BASE坐标系Y轴的方向；e)通过机器人BASE坐标系的X轴和Y轴叉乘，计算出Z = XXY,即机器人BASE 坐标系Z轴的方向；标定靶标工具坐标系的步骤f)激光跟踪仪坐标系转站，使激光跟踪仪坐标系的方向转站后与机器人BASE坐 标系的方向一致；g)激光跟踪仪控制机器人以4种不同的姿态使靶标达到空间同一点，分别记录机 器人的工具中心点在BASE坐标系下的位姿；h)经过旋转矩阵变换，计算靶标在T00L0坐标系中的位置；标定BASE坐标系原点的步骤i)根据激光跟踪仪坐标系与世界坐标系的位姿转换关系，将激光跟踪仪测量坐 标系转站到世界坐标系下；i)上位机控制机器人回零，激光跟踪仪测量靶标在世界坐标系下的位置；k)经过位姿矩阵变换，计算BASE坐标系原点在世界坐标系中的位置；标定TRACK 坐标系的步骤1)上位机控制机器人沿TRACK坐标系X轴运动一段直线，每隔一段距离激光跟踪 仪测量靶标在世界坐标系下的位置；m)将测量得到的一组数据进行直线拟合，得到TRACK坐标系X轴在世界坐标系下 的姿态作为TRACK坐标系的方向。步骤b)所述的将靶标在激光跟踪仪坐标系下的空间实际位置与设定位置进行匹 配计算，获取激光跟踪仪坐标系在世界坐标系下的姿态的步骤为记测量3 9个靶标的实际坐标为Pa、理论坐标为PB，PAi，i = 1,2,... ,m为空间 固定靶标的实际坐标，PBi, i = 1,2,... ,m为空间固定靶标的理论坐标；姿态计算是实际测量坐标值到理论坐标值一个刚性转换aTB PB = ATBXPA(1)该刚性变换aTb可表达为一个旋转变化R和一个平移变换t的组合，即Pb = aTbXPa = RX PA+t (2)
由于测量误差的存在，变换后的结果不能完全等于理论的坐标值，即ζ = PBi-(RXPAi+t), ζ 为误差矩阵。(3)式中，{xAi’，yAi’，zAi’ }为PAi经旋转变化和一个平移变换后的坐标值，{xAi，yAi， ZaJ为PBi的坐标值。令Di;i = 1，2，...，m为靶标对应测量点转换后与理论点之间的距离，即 A = λΙ(χα'-χβι)2+(ya'-yJ2 +( ,'- )权利要求
1.一种基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定装置，其特征在于包括系统平 台(1)、靶标法兰(2)、靶标安装孔(3)、机器人导轨(4)、机器人(5)、激光跟踪仪(6)、工件 (7)、数控精加工机床(8)、三坐标数控定位器(9)、上位机(10)；系统平台(1)上安装有9个 通过高精密数控机床加工出的靶标安装孔(3)、三坐标数控定位器(9)、机器人导轨，在 三坐标数控定位器(9)上固定有工件(7)，在机器人导轨(4)上安装有机器人(5)，机器人 (5)上安装有靶标法兰O)，靶标法兰( 上有6个靶标安装孔(3)，在靶标安装孔C3)上设 有靶标，系统平台(1)外侧设有数控精加工机床(8)、激光跟踪仪(6)、上位机(10)。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定装置，其 特征在于所述的机器人(5)的定位精度为士0.692mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定装置，其 特征在于所述的上位机(10)、机器人(5)、激光跟踪仪(6)之间通过RS485以太网连接实现 Socket通讯，以字符串的形式发送数据、命令、请求，通过上位机(10)完成测量数据和计算 数据的备份和保存。
4.一种使用如权利要求1所述装置的基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定 方法，其特征在于包括标定世界坐标系(11)、标定靶标工具坐标系(12)、标定BASE坐标系 (13)和标定TRACK坐标系(14)，标定BASE坐标系(13)包括标定BASE坐标系(13)各坐标 轴方向和标定BASE坐标系(13)原点，其中，标定世界坐标系(11)的步骤为a)测量9个靶标在激光跟踪仪坐标系(16)下的位置；b)将靶标在激光跟踪仪坐标系(16)下的空间实际位置与理论位置进行匹配计算，获 取激光跟踪仪坐标系(16)在世界坐标系(11)下的姿态；c)根据激光跟踪仪坐标系(16)与世界坐标系(11)的位姿转换关系，将激光跟踪仪测 量坐标系(16)转站到世界坐标系(11)下；标定BASE坐标系(13)各坐标轴方向的步骤为d)使机器人( 沿BASE坐标系(1 的X轴运动，连续测量靶标C3)的位置，拟合一条 直线即机器人BASE坐标系(13)的X轴方向；使机器人沿BASE坐标系(13)的Y轴运动，连 续测量靶标的位置，拟合一条直线即机器人BASE坐标系(U)Y轴的方向；e)通过机器人BASE坐标系(13)的X轴和Y轴叉乘，计算出Z= XXY,即机器人BASE 坐标系(13)Z轴的方向；标定靶标工具坐标系(1 的步骤为f)激光跟踪仪(6)坐标系转站，使激光跟踪仪坐标系(16)的方向转站后与机器人 BASE坐标系(13)的方向一致；g)激光跟踪仪(6)控制机器人(5)以4种不同的姿态使靶标达到空间同一点，分别记 录机器人(5)的工具中心点在BASE坐标系(13)下的位姿；h)经过旋转矩阵变换，计算靶标在T00L0坐标系中的位置；标定BASE坐标系(13)原点的步骤为i)根据激光跟踪仪坐标系(16)与世界坐标系(11)的位姿转换关系，将激光跟踪仪测 量坐标系(16)转站到世界坐标系(11)下；j)上位机(10)控制机器人(5)回零，激光跟踪仪(6)测量靶标在世界坐标系(11)下的位置；k)经过位姿矩阵变换，计算BASE坐标系(13)原点在世界坐标系(11)中的位置； 标定TRACK坐标系(14)的步骤为1)上位机(10)控制机器人(5)沿TRACK坐标系(14)X轴运动一段直线，每隔一段距离 激光跟踪仪(6)测量靶标(3)在世界坐标系(11)下的位置；m)将测量得到的一组数据进行直线拟合，得到TRACK坐标系(14) X轴在世界坐标系 (11)下的姿态作为TRACK坐标系(14)的方向。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定方法，其 特征在于步骤b)所述的将靶标在激光跟踪仪坐标系(16)下的空间实际位置与设定位置进 行匹配计算，获取激光跟踪仪坐标系(16)在世界坐标系(11)下的姿态的步骤为记测量3 9个靶标的实际坐标为Pa、理论坐标为PB，PAi，i = 1，2，...，m为空间固定 靶标的实际坐标，PBi, i = 1,2,... ,m为空间固定靶标的理论坐标； 姿态计算是实际测量坐标值到理论坐标值一个刚性转换aTb pb = atbxpa(1)该刚性变换aTb可表达为一个旋转变化R和一个平移变换t的组合，即 Pb = aTbXPA = RXPA+t (2)由于测量误差的存在，变换后的结果不能完全等于理论的坐标值，即 ζ = PBi-(RXPAi+t), ζ 为误差矩阵。(3)式中，{xAi’，yAi’，zAi’ }为PAi经旋转变化和一个平移变换后的坐标值，lxAi，yAi，zAi}为 PBi的坐标值。令Di, i = 1，2，...，m为靶标对应测量点转换后与理论点之间的距离，即A =^( /- )2 +(>V- )2 +(zA'-ζΒ,)2 (4)1 m令导出相对应点的位置误差的均方差表达式为Σ (A-^)2/=1___W-I(5)以位置误差的均方差为目标函数，进行最小二乘拟合求解得到R和t，从而得到测量的 实际坐标值到理论坐标值的位姿变换矩阵，即可将当前激光跟踪仪坐标系(16)转站到世 界坐标系(11)。
6.根据权利要求4所述的一种基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定方法，其 特征在于步骤d)所述的拟合一条直线即机器人BASE坐标系(13)的X轴方向的步骤为 [a,x + hy + c,z + l = 0设表达式1 ‘,。为在激光跟踪仪坐标系(16)下机器人BASE坐标系[a2x + b2y + c2z + I = U(13)的X轴的拟合曲线方程，需要拟合计算出各系数％、bp C1, a2、b2、C2的值。采用激光跟踪仪(6)测量m，m ^ 3个点都在该直线上，将这些点的坐标代入到该直线 方程，构成m个方程组，写成矩阵形式
7.根据权利要求4所述的一种基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定方法，其 特征在于步骤e)所述的通过机器人BASE坐标系(13)的X轴和Y轴叉乘的步骤为设拟合出来坐标系的X、Y轴方向分别用矢量[nx3M oxM axS] ]、！_ 测 Oym j表示。测量过程中X、Y轴不一定正交，需要进行正交化处理，
全文摘要
本发明公开了一种基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定装置及方法。它包括系统平台、靶标法兰、靶标安装孔、机器人导轨、机器人、激光跟踪仪、工件、数控精加工机床、三坐标数控定位器、上位机；系统平台上安装有9个通过高精密数控机床加工出的靶标安装孔、三坐标数控定位器、机器人导轨，在三坐标数控定位器上固定有工件，在机器人导轨上安装有机器人，机器人上安装有靶标法兰，靶标法兰上有6个靶标安装孔，在靶标安装孔上设有靶标，系统平台外侧设有数控精加工机床、激光跟踪仪、上位机。本发明的优点在于(1)能够自动化标定带附加外轴的机器人坐标系统；(2)标定精度高、标定结果可靠；(3)标定操作简单、效率高。
文档编号G01B11/00GK102062576SQ20101054541
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者俞慈君, 曲巍崴, 李江雄, 柯映林, 董辉跃, 谢坤, 郭英杰 申请人:浙江大学