单台机器人工件坐标系的非接触式高精度标定方法及应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种单台机器人工件坐标系的非接触式高精度标定方法，第一步，对机器人的基坐标系进行标定；第二步，对机器人的工件坐标系进行标定。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具坐标系的非接触式高精度标定方法采用统一的非接触式高精度方式，使整个系统的标定精准度达到现有标定方法无法企及的高度。本发明所采用的标定指工装套能够在倾斜表面标定机器人工件坐标系，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。本发明还公开了一种能够使机器人系统适应其机器人与环境物位姿变化的方法。
【专利说明】单台机器人工件坐标系的非接触式高精度标定方法及应用
【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件坐标系的非接触式高精度标定方法。本发明还涉及一种能够使机器人系统适应其机器人与环境物位姿变化的方法。
【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。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。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种单台机器人工件坐标系的非接触式高精度标定方法，它可以对整个机器人系统进行非接触式高精度标定，并且与单台机器人工件坐标系的非接触式高精度标定方法以及单台机器人工具坐标系的非接触式高精度标定方法的配合应用，可以实现对整个机器人系统的非接触高精度的标定。
[0007]为解决上述技术问题，本发明单台机器人工件坐标系的非接触式高精度标定方法的技术解决方案为:
[0008]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]在空间中取至少三个点Pp P2, P3，激光测量仪在激光测量仪坐标系下测得PljU1,yi，Z1)、P2J (X2，I2, Z2)、P3J (x3，y3，Z3),在 P1 点进行圆拟合后得到 Pej (Pex, Pey, Pez)；
[0015]三个点P2、P3的取点方法为:
[0016]测量球在空间任意一点P1，测量球从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，测量球从P1点向第一象限或第四象限运行一段距离后得到P3 ；
[0017]三个点P” P2、P3的优选取点方法为:
[0018]测量球在空间任意一点P1，测量球从P1点沿机器人基坐标系的X轴正方向运行一段距离后得到P2，测量球从P1点沿机器人基坐标系的I轴正方向运行一段距离后得到P3。测量球从点P1移动至P2或P3点时运行的距离建议不小于50mm。
[0019]此时所述第一步的步骤三中的算法为:
[0020]A、机器人基坐标系方向向量的计算
[0021]在激光测量仪坐标系下,Xi= PuPv ={x2-X1^y2 -)\,=2-Z1]
【权利要求】
1.一种单台机器人工件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； 在空间中取至少三个点Pp P2、P3，激光测量仪在激光测量仪坐标系下测得PuU1, Y1,Z1)、P2j (x2,12, Z2)、P3j (x3, y3，Z3)，在 P1 点进行圆拟合后得到 Pej (Pex, Pey, Pez)； 三个点Pp P2> P3的取点方法为: 测量球在空间任意一点P1，测量球从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，测量球从P1点向第一象限或第四象限运行一段距离后得到P3 ； 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, pez)，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； 其中
第二步，对机器人的工件坐标系进行标定； 步骤一，安装标定指工装； 将安装有测量球的空间点位定位装置直接吸附于或者装配于标定工作区域的相应位置； 步骤二,工件坐标系的标定取点； 在空间中取至少三个点P5、P6、P7，激光测量仪在激光测量仪坐标系下测得p5j(x5，y5,Z5)、P6j (x6, y6, Z6)、P7j (X7，J1, Z7),在 P5 点进行圆拟合后得到 Pej (Pex, Pey, Pez)； 三个点P5、P6> P7的取点方法为: 将测量球放至工件坐标系的原点P5，然后将测量球从P5点沿工件坐标系的X轴正方向运行一段距离后至点P6，最后将测量球从P5点向工件坐标系的第一象限或第四象限运行一段距离后至P7 ； 步骤三，通过坐标变换的算法，得到单台机器人的工件坐标系； 根据上述测得的P5j(x5，y5，z5), P6j (x6, y6, z6), P7j (x7, y7, z7),求解齐次变换矩阵
，从而实现对单台机器人的工件坐标系的标定；其中:
2.根据权利要求1所述的机器人基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的三个点PpP2、P3的取点方法为: 测量球在空间任意一点P1，测量球从P1点沿机器人基坐标系的X轴正方向运行一段距离后得到P2，测量球从P1点沿机器人基坐标系的I轴正方向运行一段距离后得到P3。
3.根据权利要求2所述的 机器人基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，Xi = PljP2j ={λ:2 U2-J13Z2 ~ζι]
激光测量仪坐标系的孓={1，0,0〗 ^ = {0,1,0} = {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所述的机器人基坐标系的非接触式高精度标定方法，其特征在于:所述第二步的步骤二中的三个点P5、P6、P7的取点方法为: 将测量球放至工件坐标系的原点P5，然后将测量球从P5点沿工件坐标系的X轴正方向运行一段距离后至点P6，最后将测量球从P5点沿工件坐标系的I轴正方向运行一段距离后至 P7 ;通过激光测量仪测得 P5J (X5，y5，Z5), P6j (x6, y6, z6), P7j (x7, y7, z7)。
5.根据权利要求1所述的单台机器人工件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。
6.根据权利要求1所述的单台机器人工件坐标系的非接触式高精度标定方法，其特征在于:所述第二步的步骤二中测量球从点P5移动至P6或P7点时运行的距离不小于50mm。
7.根据权利要求1所述的单台机器人工件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、工件坐标系w的方向向量的计算在激光测量仪坐标系下
其中:Ywx = zwy (Z6-Z5) -zwz (y6-y5)=(X7-X5) [ (Z6-Z5)2+(y6-y5)2] - (X6-X5) [ (z7_z5) (z6-z5) + (y7-y5) (y6-y5)]Ywy = (X6_X5) Zwz-Zwx (Z6-Z5)=(y7-y5) [ (X6-X5)2+ (Z6-Z5)2] - (y6-y5) [ (χ6-χ5) (χ7-χ5) + (z7_z5) (z6-z5)]Ywz = Zwx (y6-y5) -Zwy (X6_X5)=(Z7-Z5) [ (y6-y5)2+ (X6-X5)2] - (Z6-Z5) [ (y7-y5) (y6-y5) + (x7_x5) (x6_x5)]B、坐标系j与坐标系t方向余弦的计算
C、坐标系W到坐标系i齐次变换矩阵iHw的计算
8.一种能够使机器人系统适应其机器人与环境物位姿变化的方法，机器人系统包括多个元素，该元素是指机器人，或者是指机器人的工作区域，其特征在于，包括以下步骤: 假设系统中各元素记为:e1; e2,......, ei 在系统位姿发生变化前: 各元素的实际使用坐标系记为e2_a,......, et_a 各元素的用于标定的坐标系在系统位姿发生变化前记为: ei—b, e2_b?......, ei—b 在系统位姿发生变化后: 各元素的实际使用坐标系记为，e2_a/，......，ei_a/ 各元素的用于标定的坐标系在系统位姿发生变化前记为: ei—b! , e2_b! ,......, e^b! 其中: 各元素用于标定的坐标系与各元素的实际使用坐标系在系统发生位姿变化前后的相对位姿不变，即%-4 = e-a'Het_v = f (常量)robi_o表不机器人Irobi的原始基座标系工序一，将机器人系统划分成块，每个块中只有一个机器人； 工序二，在机器人与环境物位姿变化之前，对机器人系统的各相关元素进行标定，例如得到ei元素与&元素之间的得到标定值:’Hl b，两种标定特例解释:采用基座标系之间的标定，则~—6&—6 =若采用工件坐标系的标定，则e1-bTJ_ wobjj _brj.riBi Jy ~11 Vohi —base * 工序三，在机器人与环境物位姿变化之后，用相同的标定点和标定方法，再次对机器人系统的各相关元素进行标定，例如得到i元素与j元素之间的得到标定值VHeijf ;工序四，按系统关系链依次将机器人系统进行恢复。
9.根据权利要求8所述的使机器人系统适应其机器人与环境物位姿变化的方法，其特征在于:所述工序四的恢复方法为: 任意选取系统内一个元素作为系统基准元素，保持其基准坐标系不变，然后其他元素按以下公式依次恢复，恢复手段是将恢复公式矩阵的各参数改变机器人基座标系或者改变工件坐标系； ei元素与&元素之间的恢复通用公式:
(1)若ei= robi； ej = wobjj,则力元素与e」元素之间的恢复即为恢复机器人1bi与其工作区域wobl的过程；相关标定参数代入通用公式变为:
(2)若ei= rob^ej = 1bj，则ei元素与ej元素之间的恢复即为恢复机器人IxAi与机器人roh的过程；相关标定参数代入通用公式变为:
(3)若=robi； e」=wobj」，而e」=Wobjj e rob」则Gi元素与e」元素之间的恢复即为恢复机器人rob,与机器人rob」上的工作区域Wobji的过程；相关标定参数代入通用公式变为:
10.根据权利要求8所述的使机器人系统适应其机器人与环境物位姿变化的方法，其特征在于:所述工序四的恢复原则为: (1)所有坐标系只允许修改一次； (2)此方法无法对具有封闭元素环的系统进行恢复功能。
11.根据权利要求8所述的使机器人系统适应其机器人与环境物位姿变化的方法，其特征在于:所述工序二中多台机器人之间位姿的非接触式高精度标定方法为: 第一步，分别为每台机器人安装标定指工装； 对于前端未装任何工具体的机器人，即机器人前端为法兰盘时，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的相应位置； 第二步，标定取点； 选定多台机器人中的任意一台机器人作为基准机器人，其他机器人分别与基准机器人组成不同的组；选定机器人组中的其中一台机器人作为第一机器人，另一台机器人作为第二机器人； 在激光测量仪坐标系下，对于第一机器人，测量球在空间任意一点P8，测量球在P8点沿机器人基坐标系的X正方向运行一段距离后得到P9，测量球在P8点沿机器人基坐标系的y正方向运行一段距离后得到Pltl;激光测量仪在激光测量仪坐标系下测得P8U8, y8，z8),P9 (χ9，y9，z9),P10(x10, y10, z1Q)，在 P8 点进行圆拟合后得到 Pelj (Pelx，Pely, Pelz);对于第二机器人，测量球在空间任意一点P11,测量球在P11点沿机器人基坐标系的X正方向运行一段距离后得到P12，测量球在P11点沿机器人基坐标系的?正方向运行一段距离后得到P13;激光测量仪在激光测量仪坐标系下测得 P11 (xn, yn, zn)、P12 (x12, y12, z12)、P13(x13, y13, z13),在 P11 点进行圆拟合后得到Pe2j (Pe2x，Pe2y^ P&); 第三步，通过坐标变换的算法，得到每组中两台机器人之间的位姿关系；通过上述测 1% 的 (X8, 5^8，Z8)、(X9, 5^9，Z9) > ?10 (Χ10? Υ?Ο? Ζ10)，P11 ^>Χ11 , Yll ? Ζ1?)、Ρ*12 (Χ12,yi2，z12)、P13(x13，y13，z13)，和圆拟合得到的 Pelj(Pelx，Pely，Pelz)，Pe2j(Pe2x，Pe2y，Pe2z)，求解第一机r hD JrT 1I D JT V1器人的基坐标系到第二机器人的基坐标系的齐次变换矩阵^
从而实现对两台机器人之间的位姿关系的标定；
【文档编号】G01B11/00GK104165586SQ201310183272
【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