机器人标定系统及方法与流程

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及机器人标定系统及方法。

背景技术：

通常工业机器人的重复定位精度很高，但是其绝对定位精度却在几毫米甚至几十毫米。这是由于机器人本体在制造及装配过程中，机器人的杆件长度和电机轴安装角度不可避免地存在着误差。这些误差导致了真实的机器人运动学模型参数和机器人控制器中存放的理论模型参数有一定偏差。控制器以理想模型参数去运算运动学反解并控制实际机器人运动时，机器人在绝对坐标系中的实到位姿必然不是软件中希望的位姿。因此每一台高品质的机器人在出厂时都必须要进行运动学参数的标定。

目前主要的标定手段都是基于独立的激光跟踪仪或线跟踪编码器设备去获取所要标定的真实机器人产品的运动学参数。但不管是使用什么设备都有以下缺点：

1.系统缺乏柔性：依据设备的不同，标定的流程一般需要采集24-50个点，并需要让标定设备知道机器人在每个标定点的关节转角信息。因此一般事先编写好一个对应某一种机型的标定运动程序，再将程序中的各点位的关节角度信息导出，通过u盘等介质上传到标定设备的处理系统上。同时也要将原始的运动学参数填入处理系统。对应每一种新型号的产品，这个准备环节都需要单独去做，不具有通用性。

2.流程不具备自动性，需要人工干预环节太多，不适合批量生产应用：在标定标定过程中，机器人运动到某个标定点后，标定设备是不知道的；标定设备采集完当前点的直角坐标信息，机器人也无法得知。因此每测一个标定点都需要测试人员手动让标定设备采集数据并让机器人向下一个点运动。几十个标定点测下来会耗费很多人力和时间，而且容易出错。

此外每一台产品都要被写入标定运动程序，完成标定之后再擦除。而标定生成的结果也需要人工重新导入到编码软件中，编译后上传到机器人控制系统，收尾步骤十分繁琐。

3.存在误差：由于每个标定点对应的关节角度值是在实际标定之前规定好的，并非是实际的角度反馈值，而实际的转角比指令转角偏差往往还会偏差一些，因此也会在一定程度上导致标定误差。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供机器人标定系统及方法，用于解 决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种机器人标定系统，所述机器人包括：机器人本体及通信连接机器人本体的机器人控制装置；所述机器人标定系统包括：通信连接所述机器人控制装置的数据处理装置、及通信连接所述数据处理装置的用于采集所述机器人本体实际位姿数据的标定设备。。

于本发明的一实施例中，所述机器人控制装置，包括：机器人控制模块，用于控制机器人本体运动，且存储有与该控制相关的机器人本体的原始运动参数；所述机器人标定系统包括：标定功能模块，通信连接所述机器人控制模块，用于从所述数据处理装置获取标定运动指令，并将所述标定运动指令发送至所述机器人控制模块以控制所述机器人本体运动至标定位置；所述标定功能模块还用于接收所述机器人控制模块控制机器人本体运动至标定位置时所生成的到位信号和采集的此过程中机器人本体的运动数据，并将所述到位信号和运动数据发送至所述数据处理装置；所述标定功能模块还用于接收标定结果数据，并据以生成用于替换机器人控制模块中预存的与控制所述机器人本体运动相关的初始标定文件，或者在没有该初始标定文件的情况下将所述当前标定文件作为初始标定文件；其中，所述数据处理装置根据所述运动数据及原始运动参数计算运动到标定位置状态下的机器人本体的理论位姿数据，并获取由所述标定设备采集的运动到所述标定位置状态下的机器人本体的实际位姿数据，从而根据所述理论位姿数据和实际位姿数据的差异计算得到所述标定结果数据并发送至所述机器人控制装置。

于本发明的一实施例中，所述标定功能模块提供与所述数据处理装置通信交互的标准应用接口，所述标准应用接口用于对外传输包括：所述原始运动学参数、标定运动指令、运动数据、及标定结果数据。

于本发明的一实施例中，所述标定功能模块包括：编译模块，用于编译所述标定结果数据以生成所述当前标定文件或标定数据信息的代码；覆写模块，用于将所述当前标定文件或标定数据信息的代码覆写至对应标定文件的存储空间中。

于本发明的一实施例中，所述数据处理装置，包括：标定控制模块；所述标定控制模块，用于接收所述机器人控制装置发送的与所述机器人本体运动控制相关的原始运动参数；所述标定控制模块，用于向所述机器人控制装置发送标定运动指令，以令所述机器人控制装置控制所述机器人本体运动至标定位置；所述标定控制模块，用于从所述机器人控制装置接收到位信号和运动数据，其中，所述机器人控制装置控制机器人本体运动至标定位置时生成所述到位信号，且在此过程中对机器人本体采集以得到所述运动数据；所述标定控制模块，用于 在接收到所述到位信号时控制所述标定设备对运动至所述标定位置状态下的机器人本体采集以得到实际位姿数据，且用于根据所述运动数据及原始运动参数计算运动到标定位置状态下的机器人本体的理论位姿数据，从而根据所述理论位姿数据和实际位姿数据的差异计算得到所述标定结果数据并发送至所述机器人控制装置，以供所述机器人控制装置据以生成与控制机器人本体运动相关的当前标定文件。

于本发明的一实施例中，所述机器人控制装置集成于所述机器人本体，或者，所述机器人控制装置与所述机器人本体相互独立。

于本发明的一实施例中，所述数据处理装置集成于所述标定设备，或者，所述数据处理装置与所述标定设备相互独立。

于本发明的一实施例中，所述标定功能模块提供与所述机器人控制装置通信交互的数据接口，用于传输所述原始运动参数、标定运动指令、运动数据、及到位信号。

于本发明的一实施例中，所述原始运动参数包括：d-h参数。

于本发明的一实施例中，所述运动数据包括：机器人本体关节的转角数据。

于本发明的一实施例中，所述机器人控制装置和数据处理装置之间通过有线或无线以太网来通信连接，以及/或者，所述数据处理装置和标定设备之间通过有线或无线以太网来通信连接；所述通信的协议包括：ethernettcp/ip、ethercat、profibus-dp、cc-link、modbus、rs232及其他标准协议或自定义协议中的任意一种。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种机器人标定方法，应用于所述的机器人标定系统，所述标定方法包括：所述机器人控制装置将存储的与该控制相关的所述机器人本体的原始运动参数发送给所述数据处理装置；所述数据处理装置向所述机器人控制装置发送标定运动指令，以令所述机器人控制装置控制所述机器人本体运动至标定位置；所述机器人控制装置在所述机器人本体运动至标定位置时生成的到位信号且获取此时的机器人本体的运动数据并发送给所述数据处理装置；所述数据处理装置在接收到所述到位信号时控制所述标定设备对运动至所述标定位置状态下的机器人本体采集以得到实际位姿数据，且用于根据所述运动数据及原始运动参数计算运动到标定位置状态下的机器人本体的理论位姿数据，从而根据所述理论位姿数据和实际位姿数据的差异计算得到所述标定结果数据并发送至所述机器人控制装置；所述机器人控制装置根据所述标定结果数据生成当前标定文件，且将所述当前标定文件替换预存的与控制所述机器人本体运动相关的初始标定文件，或者在没有该初始标定文件的情况下将所述当前标定文件作为初始标定文件。

如上所述，本发明的机器人标定系统及方法，系统包括：通信连接机器人控制装置的数 据处理装置、及通信连接数据处理装置的用于采集机器人本体实到位姿数据的标定设备；通过数据处理装置来令机器人控制装置驱动机器人本体转动至标定采样位置，并通过数据处理装置来令机器人控制装置反馈精确的转角数据以计算理论位姿数据，且数据处理装置通过标定设备来采集该状态下机器人本体的实际位姿数据，通过计算获得正确的实际远动学参数标定结果数据，发送至机器人控制装置而由其生成与机器人本体控制相关的标定文件；实现更快捷、智能地标定机器人产品，减少人工数据交换工作，提高出厂调试的效率，减少采样过程中的人工失误或是非实时数据引起的误差，提高产品质量。

附图说明

图1显示为本发明于一实施例中的机器人标定系统的结构示意图。

图2显示为本发明于一实施例中的机器人控制装置的功能模块示意图。

图3显示为本发明于一实施例中的数据处理装置的功能模块示意图。

图4a至4d显示为本发明于一实施例中的机器人标定系统的应用方法示意图。

元件标号说明

1机器人控制装置

11机器人控制模块

12标定功能模块

2数据处理装置

21标定控制模块

3标定设备

4机器人本体

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用 语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明的技术方案应用于机器人标定技术领域，一般目前的现有技术中均专注于关于具体标定的精确性的算法上，而忽略了该些算法如何应用于实际场景中，也就是说，缺少将算法应用于实际环境中的系统，并且，该系统需要是自动化的而能达到自动化标定的目的。

基于此考量，本发明的目的正是为了提供一套这样的系统以及相应的处理过程，以下结合图示进行详细的实施例说明。

请参阅图1，本发明提供一种机器人标定系统，所述机器人包括：机器人本体4及通信连接机器人本体4的机器人控制装置1；所述机器人标定系统包括：数据处理装置2、及标定设备3。

所述机器人控制装置1，通信连接机器人本体4。于本发明的一实施例中，所述机器人控制装置1可以集成在机器人本体4中，例如控制器等形式；而在另一实施例中，所述机器人控制装置1亦可以为独立于机器人本体4外的装置，例如控制柜等；需说明的是，无论是控制器还是控制柜均具有可以运行软件的硬件系统，包括例如处理器(mcu或cpu等或其他实现)，存储器(rom或ram等或其他实现)；另外，所述机器人本体4可以是多轴的机械臂，是能够实现自动控制的、可重复编程的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系的、多用途的操作机。其工作的行为方式主要是通过完成沿着x、y、z轴上的线性运动。机器人可以是任何一种可由d-h表示法描述、建模但不仅限于用d-h表示法描述、建模的机器人构型。

所述数据处理装置2，通信连接所述机器人控制装置1。于本发明的一实施例中，所述数据处理装置2可以是计算机、工控机、微机或是任何具有数据处理功能的设备，也可以是连接这些设备的信息上传终端；数据处理装置2可以独立设置，也可以附加安装在标定设备3上。

所述标定设备3，通信连接所述数据处理装置2，用于采集所述机器人本体4的位姿数据，可以是激光跟踪仪或线编码器，也可以是其他支持信息终端通讯的设备。

于本发明的一实施例中，所述机器人控制装置1和数据处理装置2之间通过有线或无线以太网来通信连接，以及/或者，所述数据处理装置2和标定设备3之间通过有线或无线以太网来通信连接；所述通信的协议包括：ethernettcp/ip、ethercat、profibus-dp、cc-link、modbus、rs232及其他标准协议或自定义协议中的任意一种；考虑便捷性和经济性，一般使用ethernettcp/ip协议及其硬件，但也可以是其他任何总线方式，例如profibus-dp、cc-link、 modbus、rs232等，可以是标准协议也可以是自行修改的应用层协议。

以上实施例介绍本发明的硬件结构，以下通过多个实施例分别介绍上述各装置的功能及实现。

如图2所示，所述机器人控制装置1，包括：机器人控制模块11。

所述机器人控制模块11，用于控制机器人本体4运动，且存储有与该控制相关的机器人本体4的原始运动参数。于本发明的一实施例中，所述机器人控制模块11可通过用于控制机器人的软件系统来实现，所述原始运动参数包括d-h参数；关于d-h模型，d-h矩阵全称denavit-hartenbergmatrix；denavit和hartenberg在1955年提出一种通用的方法，这种方法在机器人的每个连杆上都固定一个坐标系，然后用4×4的齐次变换矩阵来描述相邻两连杆的空间关系。通过依次变换可最终推导出末端执行器相对于基坐标系的位姿，从而建立机器人的运动学方程；所述原始运动参数是根据机器人本体4的设计参数所得到的各种初始理论参数，如长度、角度等信息；当然，由于其为理论参数，因此会和实际机器人本体4产品之间存在误差(例如连杆长度误差等)，故需要进行所述标定作业来补偿误差。

所述机器人控制模块11还可存储有与机器人本体4控制相关的初始标定文件，当控制机器人本体4运动时，会通过该初始标定文件中的参数来补偿所述误差，而由于实际使用会对机器人本体4产生损耗、变化等，因此该标定文件需要进行更新替换，即本申请后续进行的标定文件的替换作业，当然，所述机器人控制模块11可以不存储初始标定文件，而利用本申请后文中产生的当前标定文件作为初始标定文件亦可，这样即省去了存储初始标定文件的工序。

所述机器人标定系统还包括标定功能模块12，在本实施例中，其为运行于所述机器人控制装置1的软件程序模块，而在其它实施例中，所述标定功能模块亦可运行于机器人控制装置1以外的设备上亦可。

标定功能模块12通信连接所述机器人控制模块11，用于从所述数据处理装置2获取标定运动指令，具体的所述标定运动指令可以是转角指令，即令机器人本体4的关节转动预定角度的指令等；所述标定功能模块12将所述标定运动指令发送至所述机器人控制模块11以控制所述机器人本体4运动至标定位置。于本发明的一实施例中，所述标定位置为标定点，即位于预设坐标系中的预设点，该标定点可设有多个，所述机器人本体4到达一个标定点之后进行标定，然后可通过下一次的标定运动指令来继续控制机器人本体4到达下一个标定点继续进行标定。

所述标定功能模块12还用于接收所述机器人控制模块11控制机器人本体4运动至标定 位置时所生成的到位信号和采集的此过程中机器人本体4的运动数据并将所述到位信号和运动数据发送至所述数据处理装置2。于本发明的一实施例中，所述运动数据包括机器人本体4关节的转角数据，优选的，为机器人本体4各轴(机器人关节可设有多轴的线编码器)的实际角度值，可实时反馈给所述数据处理装置2。

所述标定功能模块12还用于接收标定结果数据，并据以生成用于替换机器人控制模块11中预存的与控制所述机器人本体4运动相关的初始标定文件，或者在没有该初始标定文件的情况下将所述当前标定文件作为初始标定文件，此处的效果在前文已进行了描述；其中，所述数据处理装置2根据所述运动数据及原始运动参数计算运动到标定位置状态下的机器人本体4的理论位姿数据，并获取由所述标定设备3采集的运动到所述标定位置状态下的机器人本体4的实际位姿数据，从而根据所述理论位姿数据和实际位姿数据的差异计算得到所述标定结果数据并发送至所述机器人控制装置1。

于本发明的一实施例中，所述标定功能模块12提供与所述数据处理装置2通信交互的标准应用接口(api)，所述标准应用接口用于对外传输包括：所述原始运动学参数、标定运动指令、运动数据、及标定结果数据等信息，所述标准应用接口可以是对应上述各种传输数据的多个；当然，还可包括传输与数据处理装置2建立通信连接的握手指令。

于本发明的一实施例中，所述标定功能模块12包括：编译模块，用于编译所述标定结果数据以生成所述当前标定文件或标定数据信息的代码；覆写模块，用于将所述当前标定文件或标定数据信息的代码覆写至对应标定文件的存储空间中。

需说明的是，所述标定功能模块12可通过软件功能包来实现，并提供所述标准应用接口(api)以供外部的标定软件调用；在与各设备厂商约定的与其标定软件要求相关的规则建立和设置api并明确通讯协议后，任何一种机型的任何一台机器人产品的标定都将不再需要进行准备环节，这就提高了标定系统通用的柔性。

再如图3所示，所述数据处理装置2，包括：标定控制模块21。

所述标定控制模块21，用于接收所述机器人控制装置1发送的与所述机器人本体4运动控制相关的原始运动参数；所述标定控制模块21，用于向所述机器人控制装置1发送标定运动指令，以令所述机器人控制装置1控制所述机器人本体4运动至标定位置；所述标定控制模块21，用于从所述机器人控制装置1接收到位信号和运动数据，其中，所述机器人控制装置1控制机器人本体4运动至标定位置时生成所述到位信号，且在此过程中对机器人本体4采集以得到所述运动数据；所述标定控制模块21，用于在接收到所述到位信号时控制所述标定设备3对运动至所述标定位置状态下的机器人本体4采集以得到实际位姿数据，且用于根 据所述运动数据及原始运动参数计算运动到标定位置状态下的机器人本体4的理论位姿数据(即计算机器人本体4运动到该标定位置时在理论上应当处于的位姿状态)，从而根据所述理论位姿数据和实际位姿数据的差异计算得到所述标定结果数据并发送至所述机器人控制装置1，以供所述机器人控制装置1据以生成与控制机器人本体4运动相关的当前标定文件。

需说明的是，所述标定控制模块21即可为所述标定软件，与所述标定功能模块12通过api接口进行信息交互来实现各种功能，由于该api接口的存在，使得在设置完成通信协议及规则的情况下，各种标定软件均可很方便地调用该标定功能模块12。

为更清楚展现本发明的应用，予一实施例中，请参阅图4a至4d，展示所述机器人标定系统的应用方法：

如图4a所示，所述机器人控制装置1将存储的与该控制相关的所述机器人本体4的原始运动参数发送给所述数据处理装置2。

如图4b所示，所述数据处理装置2向所述机器人控制装置1发送标定运动指令，以令所述机器人控制装置1控制所述机器人本体4运动至标定位置。

如图4c所示，所述机器人控制装置1在所述机器人本体4运动至标定位置时生成的到位信号且获取此时的机器人本体4的运动数据并发送给所述数据处理装置2，且所述数据处理装置2在接收到所述到位信号时控制所述标定设备3对运动至所述标定位置状态下的机器人本体4采集以得到实际位姿数据。

所述数据处理装置2根据所述运动数据及原始运动参数计算运动到标定位置状态下的机器人本体4的理论位姿数据，从而根据所述理论位姿数据和实际位姿数据的差异计算得到所述标定结果数据并发送至所述机器人控制装置1。

如图4d所示，所述机器人控制装置1根据所述标定结果数据生成当前标定文件，且将所述当前标定文件替换预存的与控制所述机器人本体4运动相关的初始标定文件，或者在没有该初始标定文件的情况下将所述当前标定文件作为初始标定文件。

综上所述，本发明的机器人标定系统及方法，所述系统包括：通信连接所述机器人控制装置的数据处理装置、及通信连接所述数据处理装置的用于采集所述机器人本体位姿数据的标定设备；通过数据处理装置来令机器人控制装置驱动机器人本体运动至标定位置反馈相关数据以计算理论位姿数据，且数据处理装置通过标定设备来采集该状态下机器人本体的实际位姿数据，从而通过两者差异获得标定结果数据，发送至机器人控制装置而由其生成与机器人本体控制相关的标定文件；本发明实现更为快捷、智能地标定机器人产品，减少人工数据交换工作，提高出厂调试的效率，并减少采样过程中的人工失误或是非实时数据引起的误差， 提高产品质量；相比于现有技术，本申请的技术方案无需事先人工示教机器人的标定程序，也不用将转角数据导出机器人或导入数据处理装置，更不用人工一个点一个点操作标定过程。大大提高了标定效率，减少了生产成本，并防止了人员运行机器人不到位产生的误差；标定的结果也从总线上传到机器人标定接口api，内置的标定文件编译程序将取出该结果进行编译，形成标定文件后覆盖到机器人系统中。这样进一步减少了人工环节，流程更加方便。也可防止人员填写结果错误而导致的质量问题

本发明可供机器人生产厂商的标定人员更为快捷、智能地标定机器人产品，减少人工数据交换工作，提高出厂调试的效率。并减少采样过程中的人工失误或是非实时数据引起的误差，提高产品质量。同时适用于任何新开发的产品，避免了再次规划和传输标定运动及理论模型的过程，解决了因产品规格增多或修改，而不断增加各自的标定工艺的麻烦，做到一劳永逸。

本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。