工业机器人末端位姿快速测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及一种工业机器人末端位姿快速测量装置及其测量方法，属于工业机器人技术领域。

背景技术：

随着高端制造业的持续发展，逐渐提高了工业机器人的绝对定位精度要求，尤其在激光焊接、激光切割以及航空航天等应用领域，研究发现通过机器人运动学参数标定技术能够实现工业机器人绝对定位精度的提升。

机器人标定过程通常包含建模、测量、辨识以及补偿四个基本步骤，目前运动学参数标定方法主要分为开环法、闭环法和轴线测量法三种。

其中开环法是相比于其他两种方法具有更好的标定性能，该方法首先建立机器人末端位姿的误差模型，然后利用外部测量设备测量机器人工具末端的位置或位姿。激光跟踪仪作为工业测量系统中的一种高精度大尺寸测量仪器，是目前工业机器人标定的主要外部测量设备之一，该测量设备将靶球安装在工业机器人的末端，通过激光跟踪仪测量靶球的空间位置或位姿。若要实现机器人末端位姿的测量则需要使用专用靶标，但专用靶标通常价格较高。

除此以外，还可以利用三个靶球构建坐标系，但因激光跟踪仪无法自动识别靶球而需要人工干预测量过程，这将大大降低工业机器人运动学参数标定的效率，同时也引入一定的测量不确定度。靶球的激光接收范围仅为±30°，而专用靶标的激光接受范围是±45°，均无法保证工业机器人末端任意位姿的测量。

综上所述，目前的工业机器人末端位姿测量设备及方法具有如下缺陷：

(1)测量靶标设备(靶球或专用靶标)具有有限的测量角度范围，影响工业机器人位姿数据测量；(2)位姿测量靶标设备操作复杂或成本较高；(3)人为干预测量过程降低了工业机器人运动学参数标定效率，同时引入了较大的测量不确定度。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种工业机器人末端位姿快速测量装置及其测量方法，解决现有技术在工业机器人末端位姿测量技术的缺陷和不足，实现工业机器人末端位姿的高效率、高精度标定。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种工业机器人末端位姿快速测量装置，其特征是，包括依次连接的平面旋转装置、同心三轴调整装置、磁性基座和靶球；

所述平面旋转装置包括依次连接的法兰连接件、伺服电机和横向摆臂；所述法兰连接件用于固定连接工业机器人的法兰盘；所述横向摆臂与伺服电机的输出轴固定连接；

所述同心三轴调整装置包括X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机和连接模块；所述连接模块用于连接X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机；所述磁性基座位于连接模块内；所述X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机的轴线交点与靶球的球心相重合。

进一步地，所述连接模块包括第一连接件、第二连接件和连接底座；

所述第一连接件分别连接Z轴伺服电机和Y轴伺服电机；所述第二连接件分别连接Y轴伺服电机和X轴伺服电机；

所述Z轴伺服电机的输出轴与第一连接件固定连接；所述Y轴伺服电机的输出轴穿过第一连接件后与第二连接件固定连接；所述X轴伺服电机的输出轴穿过第二连接件后与连接底座固定连接。

进一步地，所述第一连接件和第二连接件均采用L形。

进一步地，所述法兰连接件采用L形。

进一步地，还包括总线模块，用于控制伺服电机、X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机。

进一步地，所述靶球还匹配有激光跟踪仪，靶球用于接收激光跟踪仪发射的激光；所述X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机用于调整靶球位置。

基于上述工业机器人末端位姿快速测量装置的测量方法，其特征是，包括如下步骤：

1)对靶球空间位置数据进行测量，具体步骤如下：

101)将末端位姿快速测量装置安装在工业机器人的法兰盘上，激光跟踪仪放置在待标定的工业机器人附近，使得靶球能够接收激光跟踪仪发射的激光光线；

102)控制平面旋转装置转动，使靶球在三维空间中做圆周运动，激光跟踪仪依次记录靶球的运动位置P₁,P₂,…,P_m(m≥3)，其中在针对不同位姿时所测量的数据点相同；

2)根据步骤1)得到的数据计算工业机器人末端位姿，具体步骤如下：

201)根据测量点拟合平面及空间轨迹圆，求出空间轨迹圆的圆心；

202)建立末端位姿快速测量装置的坐标系{E}，并根据工业机器人的法兰坐标系{N}和末端位姿快速测量装置的坐标系{E}之间的转换矩阵，计算得到工业机器人法兰坐标系{N}的空间位姿。

进一步地，所述步骤102)中在平面旋转装置转动的同时，控制同心三轴调整装置，使得靶球始终能够正对激光跟踪仪。

进一步地，所述步骤201)中具体步骤如下：

2011)拟合靶球的运动轨迹所在平面的方程z＝Ex+Fy+G，其中，x、y、z为旋转平面上的点坐标，E、F、G表示旋转平面的参数；

2012)根据最小二乘法得到运动轨迹所在平面的方程参数如下式所示：其中，(x_k，y_k，z_k)为靶球运动轨迹上第k个测量点的坐标，m为轨迹测量点的个数；

拟合平面对应的平面法向量为n_i＝[E,F,-1]，由此得到与末端位姿快速测量装置坐标系{E}的Z轴同向的单位向量为Z_E＝n_i/|n_i|；

2013)将上述测量点投影至该拟合平面上，平面的法向量为n_i＝[E,F,-1]，测量点(x_i,y_i,z_i)在该拟合平面上的投影应点为(x_pi,y_pi,z_pi)，记为P_pi，其投影公式为其中，

2014)利用步骤2013)中的投影点建立拟合平面的坐标系{P}，以拟合平面与测量坐标系的Z轴交点作为坐标原点O₁，初始点P_p1与最后一个测量点P_pm的连线作为坐标系的X₁轴，而坐标系的Z₁轴与该平面的法向量方向相同，根据坐标系的正交法则计算坐标系的Y₁轴；

2015)计算坐标系{P}与测量坐标系{S}之间的转换矩阵其中，P_pm为运动轨迹上第m个测量点在拟合平面上的投影坐标；

根据得到测量点位置坐标数据拟合圆的轨迹模型，其中^PP_i表示P_i点在坐标系{P}内的坐标，^SP_i表示P_i点在测量坐标系{S}内的坐标。

拟合圆的标准形式为(x_p-x_c)²+(y_p-y_c)²＝r²，其中，(x_c,y_c)和r分别表示圆弧的圆心和半径；

2016)将拟合圆的标准形式转换为w＝x_p²+y_p²+Ax_p+By_p+C，利用最小二乘法，求得式中参数如下所示：其中，(x_pk,y_pk)为靶球运动轨迹上第k个测量点在拟合平面上的投影坐标；m为运动轨迹测量点的个数；

根据上述公式计算得到轨迹的圆心坐标。

进一步地，所述步骤202)中具体建立步骤如下：

a)选取拟合平面的单位法向量作为末端位姿快速测量装置坐标系{E}的Z_E轴；

b)选取连接拟合轨迹圆心O_E和点P₁的单位向量v，即作为末端位姿快速测量装置坐标系{E}的X_E轴；

c)通过Y_E＝Z_E×X_E计算得到末端位姿快速测量装置坐标系{E}的Y_E轴；

d)末端位姿快速测量装置坐标系在测量坐标系{S}表示，即

e)建立工业机器人的法兰坐标系和末端位姿快速测量装置坐标系的转换关系，工业机器人法兰坐标系在测量坐标系内的表达式为其中，为工业机器人法兰坐标系和末端位姿快速测量装置坐标系之间的转换关系。

本发明所达到的有益效果：1)利用单靶球实现高效率、高精度的工业机器人末端位姿测量；2)实现工业机器人大运动范围内的位姿数据测量；3)本装置具有测量过程连续、操作简单、成本低等优点。

附图说明

图1是本发明的机器人末端位姿快速测量系统示意图；

图2是本发明的末端位姿快速测量装置示意图；

图3是本发明的平面旋转装置结构图；

图4是本发明的同心三轴调整装置结构图；

图5是本发明的末端位姿快速测量装置硬件框图；

图6是本发明的末端位姿快速测量流程图；

图7是本发明的测量数据点的数据拟合示意图；

图8是本发明的末端位姿快速测量装置的坐标系建立示意图。

图中附图标记的含义：

1-工业机器人，2-末端位姿快速测量装置，101-平面旋转装置，102-同心三轴调整装置，103-磁性基座，104-靶球，201-法兰连接件，202-伺服电机，203-横向摆臂，204-Z轴伺服电机，205-X轴伺服电机，206-Y轴伺服电机，207-第一连接件，208-第二连接件，209-连接底座，3-激光跟踪仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

参见图1所示，本发明的工业机器人末端位姿快速测量系统由工业机器人1、末端位姿快速测量装置2以及激光跟踪仪3组成。将激光跟踪仪3放置在工业机器人1附近，但不在工业机器人1的工作空间内，末端位姿快速测量装置2工业机器人1的法兰固定连接。

如图2所示，末端位姿快速测量装置2主要包含平面旋转装置101以及同心三轴调整装置102、磁性基座103以及靶球104组成。平面旋转装置101与同心三轴调整装置102通过横向摆臂203固定连接，靶球104通过磁性基座103吸附在同心三轴调整装置102上。

如图3所示，平面旋转装置101由法兰连接件201、伺服电机202以及横向摆臂203组成。L形法兰连接件201一端与工业机器人1的法兰盘固定连接，L形法兰连接件201的另一端与伺服电机202的外壳固定连接，横向摆臂203与伺服电机202的输出轴固定连接。

参见图4所示，同心三轴调整装置102由X轴伺服电机205、Y轴伺服电机206、Z轴伺服电机204、第一连接件207、第二连接件208以及连接底座209构成，其中X轴伺服电机205、Y轴伺服电机206及Z轴伺服电机204的轴线交点与靶球104的球心相重合，Z轴伺服电机204的外壳上端与横向摆臂203固定连接，其输出轴与第一连接件207的一端固定连接，Y轴伺服电机206与第一连接件207的另一端固定连接，其输出轴与第二连接件208的一端固定连接，X轴伺服电机205与第二连接件208的另一端固定连接，其输出轴与连接底座209固定连接。通过调整三个伺服电机204、205、206能够调整靶球104的姿态，使靶球104能够接收激光跟踪仪3发射的激光。

参见图5所示，末端位姿快速测量装置2的硬件电路主要包含DSP 2812控制器，伺服电机通信接口、ZigBee传输模块以及电源模块。其中伺服电机与控制器采用不同电源供电，防止相互间的串扰。

以上是本发明所涉及装置的结构描述，在具体测量时，参见图6、图7及图8所示：

末端位姿测量主要分为两个基本步骤：

1)对靶球104的空间位置数据测量：

101)将末端位姿快速测量装置2安装在工业机器人1的法兰盘上，激光跟踪仪3放置在待标定的工业机器人1附近，使得靶球104能够接收激光跟踪仪3发射的激光光线，控制工业机器人1运动到目标姿态；

102)利用激光跟踪仪3测量末端位姿快速测量装置2内的靶球104的空间坐标P_i，在测量过程中保持工业机器人1的位姿不变，通过控制平面旋转装置101转动，使靶球104在空间内中做圆周运动，激光跟踪仪3依次记录靶球104的空间位置P₁,P₂,…,P_m(m≥3)。

在平面旋转装置101转动的同时，控制同心三轴调整装置102调整靶球104始终能够正对激光跟踪仪3，保证测量过程的连续性。

2)建立末端位姿快速测量装置2的坐标系{E}：

201)根据测量点拟合平面及空间轨迹圆，求出空间轨迹圆的圆心；

202)建立末端位姿快速测量装置2的坐标系{E}，并根据工业机器人1的法兰坐标系{N}和末端位姿快速测量装置2的坐标系{E}之间的转换矩阵，计算得到工业机器人1的法兰坐标系{N}的空间位姿。

步骤201)具体步骤如下：

2011)拟合靶球的运动轨迹所在平面的方程z＝Ex+Fy+G，其中，x、y、z为旋转平面上的点坐标，E、F、G表示旋转平面的参数；

2012)根据最小二乘法得到运动轨迹所在平面的方程参数如下式所示：其中，(x_k,y_k,z_k)为靶球104运动轨迹上第k个测量点的坐标，m为轨迹测量点的个数。

拟合平面对应的平面法向量为n_i＝[E,F,-1]，由此得到与末端位姿快速测量装置2的坐标系{E}的Z轴同向的单位向量为Z_E＝n_i/|n_i|；

2013)将上述测量点投影至该拟合平面上，平面的法向量为n_i＝[E,F,-1]，测量点(x_i,y_i,z_i)在该拟合平面上的投影应点为(x_pi,y_pi,z_pi)，其投影公式为其中，

2014)利用步骤2013)中的投影点建立拟合平面的坐标系{P}，以拟合平面与测量坐标系的Z轴交点作为坐标原点O₁，初始点P_p1与最后一个测量点P_pm的连线作为坐标系的X₁轴，而坐标系的Z₁轴与该平面的法向量方向相同，根据坐标系的正交法则计算坐标系的Y₁轴；

2015)计算坐标系{P}与测量坐标系{S}之间的转换矩阵其中，P_pm为运动轨迹上第m个测量点在拟合平面上的投影坐标。

根据得到测量点位置坐标数据拟合圆的轨迹模型，其中^PP_i表示P_i点在坐标系{P}内的坐标，^SP_i表示P_i点在测量坐标系{S}内的坐标。

拟合圆的标准形式为(x_p-x_c)²+(y_p-y_c)²＝r²，其中，(x_c,y_c)和r分别表示圆弧的圆心和半径；

2016)将拟合圆的标准形式转换为w＝x_p²+y_p²+Ax_p+By_p+C，利用最小二乘法，求得式中参数如下所示：其中，(x_pk,y_pk)为靶球104的空间运动轨迹上第k个测量点在拟合平面上的投影坐标；m为运动轨迹测量点的个数；

根据上述公式计算得到轨迹的圆心坐标。

步骤202)具体步骤如下

a)选取拟合平面的单位法向量作为末端位姿快速测量装置2的坐标系{E}的Z_E轴；

b)选取连接拟合轨迹圆心O_E和点P₁的单位向量v，即作为末端位姿快速测量装置2的坐标系{E}的X_E轴；

c)通过Y_E＝Z_E×X_E计算得到末端位姿快速测量装置2的坐标系{E}的Y_E轴；

d)末端位姿快速测量装置2的坐标系在测量坐标系{S}表示，即

e)建立工业机器人1的法兰坐标系和末端位姿快速测量装置2的坐标系的转换关系，工业机器人1的法兰坐标系在测量坐标系内的表达式为其中，为工业机器人1的法兰坐标系和末端位姿快速测量装置2的坐标系之间的转换关系。

另外，对于步骤2012)和2016)中所出现的相关变量，虽然采用了相同的符号表示，但是都给出了对应的计算方式，相当于中间变量，对于本发明的实际实施并没有太大的关系，只是能够更加清楚地表示出变量的计算过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。