单台机器人工具坐标系的非接触式高精度标定方法
【专利摘要】本发明公开了一种单台机器人工具坐标系的非接触式高精度标定方法，包括以下步骤：第一步，对机器人的基坐标系进行标定；第二步，对机器人的工具坐标系进行标定。本发明所采用的标定指工装套能够对机器人工具坐标系进行有意义的完整标定，标定指工装套能够保证每次操作的可重复性，从而最大程度地降低人为标定产生的误差。本发明与机器人基坐标系的非接触式高精度标定方法以及单台机器人工件坐标系的非接触式高精度标定方法的配合应用，为实现机器人位姿的准确控制、机器人的参数化编程、机器人组的高精度协调工作、机器人位姿变换，机器人系统的搬迁，机器人多工位程序共享，机器人轨迹规划等方面提供了基本的技术基础。
【专利说明】单台机器人工具坐标系的非接触式高精度标定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种工业机器人的标定方法，具体涉及一种单台机器人工具坐标系的非接触式高精度标定方法。
【背景技术】
[0002]以工业机器人为主的柔性加工生产单元已成为制造业的主要发展方向，其中对于机器人位姿的准确控制、机器人的参数化编程、机器人组的高精度协调工作、机器人位姿变换，机器人系统的搬迁，机器人多工位程序共享，机器人轨迹规划等这些方面的需求正逐渐成为关注的焦点。上述这些方面都需要建立实际机器人及其工作环境中和其他设备和工具的精确模型，所以对机器人的环境物参数(工件坐标系)、工具参数的标定以及机器人间的位姿关系标定非常重要。其标定精度直接影响到机器人系统的使用情况。
[0003]工业机器人系统包括至少一个机器人、至少一工作区域，机器人具有机器人基坐标系，且配置有关节位置编码器，机器人前端具有法兰盘；机器人法兰盘上可以安装有工具体，工具体具有工具坐标系；工作区域具有工件坐标系；机器人基坐标系、工具坐标系和工件坐标系构成了工业机器人系统的坐标系体系。
[0004]为了解决上述机器人体系的标定问题，现有的方法都需要通过安装于机器人的工具体末端来接触空间的某点或某几点后完成。如图1所示为机器人的TCP(Tool CoordinatePoint,工具坐标系)标定方法,这种标定方法的操作较为繁琐,对空间点也有一定的要求，需要机器人保持空间点位置不变的情况下，以不同的姿态得到几个点来完成；并且，其标定精度因操作人而异，存在一定的不可控因素，这使得标定后得到的数值有较大的误差，通常在毫米级，且需要花费大量的时间。这种标定方法所存在的弊端无法适应现代化生产对机器人更高精度、对标定操作更高效率、标定精度更高的要求。
[0005]中国专利201010545419.7公开了一种基于激光跟踪测量的机器人工具坐标系自动标定装置及方法，但其只针对机器人工具坐标系进行标定，并非针对整个机器人系统，这就造成了即使工具坐标系的精度达到一定程度，但是由于其他坐标系的精度不能匹配，同样会影响到机器人位姿的准确控制、机器人的参数化编程、机器人组的高精度协调工作、机器人位姿变换，机器人系统的搬迁，机器人多工位程序共享，机器人轨迹规划等方面的应用。另外，其标定时取点的数量较多，操作也较为繁琐。最主要的，其工具坐标系的标定是面向作者自己设计的工具而进行的，而实际使用中，机器人前端的工具根据不同的应用是各式各样的，因此其实用性并不是很高。
[0006]无论是传统的机器人工具坐标系的标定方法还是现有的基于激光跟踪测量的机器人工具坐标系标定的方法，都无法对机器人工具体的进行有意义的完整标定，即在一般情况下，期望标定完成后让工具体工具坐标系的Z向与工具体最前段的弯曲段方向一致，这个工具体Z向的标定精度直接影响机器人在机器人位姿的准确控制、机器人的参数化编程、机器人组的高精度协调工作、机器人位姿变换，机器人系统的搬迁，机器人多工位程序共享，机器人轨迹规划等方面的应用。故对对机器人工具体的进行有意义的完整标定是十分重要的。现有技术关于工具体Z向的处理有两种，一是默认选取机器人末端坐标系的各轴方向为工具体各轴的方向，二是通过肉眼观察，大致标定工具体各轴的方向，一般在标定时，期望工具体最前段的弯曲段方向与机器人工具体的Z向一致。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是提供一种单台机器人工具坐标系的非接触式高精度标定方法，它可以对单台机器人的工具坐标系进行非接触式高精度标定。
[0008]为解决上述技术问题，本发明单台机器人工具坐标系的非接触式高精度标定方法的技术解决方案为，包括以下步骤:
[0009]第一步，对机器人的基坐标系进行标定；
[0010]步骤一，安装标定指工装；
[0011]对于前端未装工具体的机器人，标定指工装采用机器人法兰盘加长杆和空间点位定位装置；安装方法为:将机器人法兰盘加长杆安装到机器人法兰盘上，然后将空间点位定位装置吸附于或者装配于机器人法兰盘加长杆的自由端孔处；
[0012]对于前端已装工具体的机器人，标定指工装采用空间点位定位装置，安装方法为:将空间点位定位装置直接吸附于或者装配于工具体上；
[0013]步骤二，基坐标系的标定取点；
[0014]测量球在空间任意一点P1，测量球在P1点沿机器人基坐标系的X正方向运行一段距离后得到P2，测量球在P1点沿机器人基坐标系的I正方向运行一段距离后得到P3;激光测量仪在激光测量仪坐标系下测得Plj (X1, Yi, Z1)、P2j (X2, y2, Z2)、P3j (x3, y3, Z3),在P1点进行圆拟合后得到Pej(Pex，Pey，Pez)；
[0015]其中测量球从点P1移动至P2或P3点时运行的距离不小于50mm。
[0016]步骤三，通过坐标变换的算法，得到单台机器人的基坐标系；
[0017]通过上述测得的Plj (X1, Y1, Z1)、P2j (x2, J2, Z2)、P3J (x3, y3, z3)和圆拟合得到的
Pej (Pex, Pey, Pez)，求解齐次变换矩阵
【权利要求】
1.一种单台机器人工具坐标系的非接触式高精度标定方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步，对机器人的基坐标系进行标定； 步骤一，安装标定指工装； 对于前端未装工具体的机器人，标定指工装采用机器人法兰盘加长杆和空间点位定位装置；安装方法为:将机器人法兰盘加长杆安装到机器人法兰盘上，然后将空间点位定位装置吸附于或者装配于机器人法兰盘加长杆的自由端孔处； 对于前端已装工具体的机器人，标定指工装采用空间点位定位装置，安装方法为:将空间点位定位装置直接吸附于或者装配于工具体上； 步骤二，基坐标系的标定取点； 测量球在空间任意一点P1，测量球在P1点沿机器人基坐标系的X正方向运行一段距离后得到P2，测量球在P1点沿机器人基坐标系的I正方向运行一段距离后得到P3 ;激光测量仪在激光测量仪坐标系下测得Plj (X1, I1, Z1)、P2j (x2, y2, Z2)、P3j (x3, y3, Z3),在P1点进行圆拟合后得到 Pej(Pex，Pey，Pez)； 步骤三，通过坐标变换的算法，得到单台机器人的基坐标系；
通过上述测得的 PljU1, Υι? Z1)、P2j (x2, j2, ζ2)、Ρ3」(χ3, y3, z3)和圆拟合得到的 Pej(Ρ?，
Pey，PJ，求解齐次变换矩阵?
从而实现对单台机器人的基坐标系的标定；
第二步，对机器人的工具坐标系进行标定； 步骤一，安装标定指工装； 对于前端未装工具体的机器人，标定指工装采用机器人法兰盘加长杆和工具体Z向标定套组；安装方法为:将机器人法兰盘加长杆安装到机器人法兰盘上，然后将工具体Z向标定套组吸附于或者装配于机器人法兰盘加长杆的自由端孔处； 对于前端已装工具体的机器人，标定指工装采用工具体Z向标定套组，安装方法为:将工具体Z向标定套组直接吸附于或者装配于工具体上； 步骤二,工具坐标系的标定取点； 使工具体ζ向标定套组的其中一个测量球移动到空间任意一点Pk，与此同时，另一个测量球同步移动到另一点P4，测量球从Pk点向工具坐标系的第一象限或第三象限运行一段距离后得到 Ρ ，通过激光测量仪测得 Pkj (Xk，yk，Zk), P4j (x4, y4, z4), Pyj (xY, yY, ζ ； 步骤三，通过坐标变换的算法，得到单台机器人的工具坐标系； 根据上述测得的Pkj(Xk，yk，Zk), P4j(x4, y4, Z4), Pyj(xY, yY, ζ ),求解齐次变换矩阵
，从而实现对单台机器人的工具坐标系的标定； V0 1J
2.根据权利要求1所述的单台机器人工具坐标系的非接触式高精度标定方法，其特征在于:所述第一步的步骤二中测量球从点P1移动至P2或P3点时运行的距离不小于50mm。
3.根据权利要求1所述的单台机器人工具坐标系的非接触式高精度标定方法，其特征在于:所述第一步的步骤三中的算法为: A、机器人基坐标系方向向量的计算 在激光测量仪坐标系下，χ, = /；；/:, = {x2-X1^y2-yl,z2 -Z1].>，, = PljPy = {-? — A，Λ — Λ ,-3--ι)
激光测量仪坐标系的万={i，o,oj.= {0,1,0} 5 ={0,0,1} B、坐标系j与坐标系i方向余弦的计算
C、坐标系j到坐标系i旋转矩阵％的计算
D、坐标系i到坐标系j的原点位置矢量尔的计算
所以
其中'通过机器人内部关节的位置编码器求得； E、坐标系j到坐标系i的齐次变换矩阵％的计算
4.根据权利要求1所述的单台机器人工具坐标系的非接触式高精度标定方法，其特征在于:所述第二步的步骤三中的算法为: A、坐标系e到坐标系t的原点位置矢量tT6的计算 对于Pk在机器侧有
对于 Pkj (xk, yk，Zk)在激光测有:Pki = iRjPkJ+jTi
其中通过机器人内部关节的位置编码器求得； MPkj= yk ’故 二⑵―卜卩、{^Λ + ]τλ_(,πχ -fRAj + %)
^I^ 1 ^PkI^ e ^PkI U V1 JV 1 J\ 1 J B、工具坐标系t的方向向量的计算 在激光测量仪坐标系下-=PwP4J = {λ*4 - Xk , >4 - ?-，-4 --A-} ytteap = Ψ%={χγ U' Ur-?} 根据右手法则取向: 一 _^ — i j k xt = Vttenp X=, = xY —xk Vr-yk zr - =t =K-，xtz}
X4~Xk J4-Λ Z4~Zk
其中 Xtx = (Yy-Yk) (z4-zk) - (zY_zk) (y4-yk)xty = (x4-xk) (zY-zk) - (xY-xk) (z4-zk)xtz = (xY_xk) (y4_yk) - (Yy-Yk) (x4_xk)i j kyt =^txxt = x^-xk y,-yk:4-
"V*?*"V*
txtytz 其中:
ytx = (y4_Yk) xtz_ (z4-zk) xty = (y4-yk) (yY-yk) (z4-zk) - (y4-yk)2 (zY-zk) - (z4-zk) (x4-xk)(zy-zk) + (Z4-Zk) 2 (xY-xk)
yty = xtx (z4-zk) - (x4-xk) xtz = (yY-yk) (z4-zk)2-(zY-zk) (y4-yk) (z4-zk) - (x4-xk) (xY-xk)(y4ik) + (x4_xk)2 (yY-yk)
ytz = (x4_xk) xty_ (y4_Yk) Xtx = (x4_xk)2 (zY-zk) - (X4-Xk) (XY-Xk) (Z4-Zk) - (y4-yk) (yY-yk)(Z4-Zk) + (y4-yk)2 (zY-zk) c、坐标系j与坐标系t方向余弦的计算X: _ XXcosC'ax ) = —η~I = ,................................g=
'WklCOS( Λ Or ) = T1Trh = [.......;—土弓.....................................J I^IlxJ I ^y2^+y2n:+y2tz
Cosfr/ir ) ■= Xj ’ -x4_xk
'I;Ik.1 4? -?)2+(》:-λ )2+(? -?)2
tx,Q \ y3-x,
cos(.β ) = Yj-——=,..............................................)W
rv,a , Vj-VrΛ-
cos(.φ )=^~ =卜 ; n
^jrtx+Tly+Jrtzcosd,) = Apr = ? , >4 Λ 27
I;丨W v(^4-^r+(>'4->v) +(z4~zky
d、坐标系j到坐标系t旋转矩阵％的计算
E、坐标系e到坐标系t旋转矩阵\的计算tRe
其中(Te)ii通过机器人内部关节的位置编码器求得；
F、坐标系t到坐标系e的齐次变换矩阵?,的计算
【文档编号】G01B11/00GK104165585SQ201310183002
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2013年5月17日
【发明者】朱笑奔, 汪航, 吴旭 申请人:上海三菱电梯有限公司