一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定装置的制作方法

本发明涉及一种工业机器人末端工具标定技术，具体涉及一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定方法及装置。

背景技术：

随着工业机器人技术的快速发展，其逐渐在焊接、切削、装配等领域得到越来越广泛的应用。通过安装不同的末端工具，工业机器人能够完成多种作业任务。其中，工具中心点(Tool Center Point，TCP)的位姿标定精度直接影响工业机器人的作业精度。

工业机器人的末端工具(如螺柱焊枪、切削刀具等)经过长时间工作之后，会出现一定的位姿偏差，从而导致工业机器人无法完成预设功能等问题。目前，针对工业机器人末端工具TCP的标定主要采用离线人工示教的多点法。该方法首先将工业机器人末端工具的TCP对齐到一固定点上，然后通过调整工业机器人的关节角度，实现TCP标定。但此类方法存在一定的弊端：(1)多点法的TCP标定过程主要受人为因素(如操作经验等)的影响，不可避免地引入较大的误差；(2)标定过程耗时较长，将影响工业机器人的生产作业效率；(3)为实现对生产线地周期性标定，将耗费大量的人力资源，同时降低了生产线的总体产能。工业机器人TCP快速在线准确的标定直接关系到生产线的产品质量和生产效率，因此，亟待提出一种应用于工业机器人的TCP快速在线标定方法，既能够保证工业机器人的作业精度，又可以提高工业机器人的自动化程度。

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能够实现工业机器人 TCP的自由度标定的应用于工业机器人的TCP在线快速标定方法及装置。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定装置，包括控制柜，TCP标定装置，工业机器人、末端工具和控制总线，所述控制柜通过控制总线分别连接TCP标定装置和工业机器人，末端工具安装在工业机器人上；所述TCP标定装置包括TCP检测装置、标定控制器和安装底座，TCP检测装置通过安装底座固定安装在工业机器人的一侧，测量平面与工业机器人基坐标系的XOY平面平行。

上述TCP检测装置包括装置上盖、装置本体、精度检验开关以及四组对射式光电传感器，所述精度检验开关设置于装置本体上表面，所述装置本体为纵向镂空正方形的长方体，四组对射式光电传感器分别设置于装置本体内侧面的纵向中线上，对射式光电传感器的激光射线相互垂直且在同一水平面。

上述标定控制器包括装置外壳、微控制器单元、显示单元、按键单元、状态指示灯和通信接口，所述标定控制器获取精度检验开关的输出信号以及四组对射式光电传感器的通断信号，通过连接通信接口的控制总线与控制柜进行数据通信，并通过显示单元、状态指示灯反馈工作信息。

一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定方法，包括如下步骤：

S1、保持工业机器人末端工具垂直于基坐标系的XOY平面，通过人工示教方法实现工业机器人末端工具与TCP检测装置的精度检测开关对准，记录工业机器人法兰的空间位姿数据；

S2、工业机器人连续工作一段时间后，工业机器人根据初始人工示教的空间位姿数据检测当前工业机器人的TCP点是否偏移较大，若无法满足生产要求，则进入标定程序；

S3、标定程序：标定控制器通过控制柜控制工业机器人的末端工具以初始 姿态在TCP检测装置中做正方形轨迹的标定运动；在运动过程中，标定控制器的微控制器单元监测TCP检测装置内的四组对射式光电传感器通断状态，根据该通断信号的时间点，读取并存储工业机器人在该时间点的法兰空间位姿数据，利用以上存储的空间位姿数据计算工业机器人末端工具在X轴与Y轴方向上的位置偏差以及角度偏差，并实现TCP的误差补偿；

S4、重复步骤S3的操作，通过标定结果的迭代，降低TCP标定误差；

S5、控制末端工具在基坐标系的Z轴方向上做匀速直线运动，以确定工业机器人TCP在Z轴方向上位置偏差，补偿TCP的误差；

S6、重复步骤S5的操作，通过标定结果的迭代，降低TCP标定误差。

上述的一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定方法，其特征在于所述步骤S3中末端工具在X轴与Y轴方向上的位置偏差的计算方法为：

在标定运动过程中，末端工具每经过一组对射式光电传感器，标定控制器读取工业机器人法兰坐标系的空间位姿数据，记为P_ijn；

所述i表示第i组对射式光电传感器，i＝1或2或3或4，其中1为对射式光电传感器1，2为对射式光电传感器2，3为对射式光电传感器3，4为对射式光电传感器4；

所述j表示对射式光电传感器的通断，j＝1或2，1表示对射式光电传感器信号接通，2表示对射式光电传感器信号断开；

所述n表示单次循环运动中，第n次通过第i组对射式光电传感器，n＝1或2；

基于标定控制器获取的法兰坐标系空间位姿数据，

A、末端工具第一次通过第1组对射式光电传感器1时，末端工具的中线与对射式光电传感器1的激光射线的交点Y轴坐标为：

$Y_{11}=\frac{P_{111}.Y+P_{121}.Y}{2},$

末端工具第一次通过第3组对射式光电传感器3时，末端工具的中线与对射式光电传感器3的激光射线的交点Y轴坐标为：

$Y_{31}=\frac{P_{311}.Y+P_{321}.Y}{2},$

末端工具第二次通过第1组对射式光电传感器1时，末端工具的中线与对射式光电传感器1的激光射线的交点Y轴坐标为：

$Y_{12}=\frac{P_{112}.Y+P_{122}.Y}{2},$

末端工具第二次通过第3组对射式光电传感器3时，末端工具的中线与对射式光电传感器3的激光射线的交点Y轴坐标为：

$Y_{32}=\frac{P_{312}.Y+P_{322}.Y}{2},$

因此，末端工具的TCP在Y轴方向上的位置偏差可由下式计算得出：

${\mathrm{TCP}}_{\mathrm{\Δ}Y}=\frac{Y_{11}-Y_{12}+Y_{31}-Y_{32}}{4};$

B、末端工具第一次通过第2组对射式光电传感器2时，末端工具的中线与对射式光电传感器2的激光射线的交点X轴坐标为：

$X_{21}=\frac{P_{211}.X+P_{221}.X}{2},$

末端工具第一次通过第3组对射式光电传感器4时，末端工具的中线与对射式光电传感器4的激光射线的交点Y轴坐标为：

$X_{41}=\frac{P_{411}.X+P_{421}.X}{2},$

末端工具第二次通过第2组对射式光电传感器2时，末端工具的中线与对射式光电传感器2的激光射线的交点X轴坐标为：

$X_{22}=\frac{P_{212}.X+P_{222}.X}{2},$

末端工具第二次通过第3组对射式光电传感器4时，末端工具的中线与对射式光电传感器4的激光射线的交点Y轴坐标为：

$X_{42}=\frac{P_{412}.X+P_{422}.X}{2},$

因此，计算得到末端工具的TCP在X轴方向上的位置偏差：

${\mathrm{TCP}}_{\mathrm{\Δ}X}=\frac{X_{21}-X_{22}+X_{41}-X_{42}}{4}.$

上述步骤S3中角度偏差的计算方法为：

上下两层对射式光电传感器1和3之间的距离为d，计算末端工具的Y方向的角度偏差如下式所示：

${\mathrm{TCP}}_{\mathrm{\Δ}RY}=\arctan \frac{L}{d}=\arctan \left(\frac{X_{41}-X_{21}+X_{42}-X_{22}}{2d}\right),$

上下两层对射式光电传感器2和4之间的距离为d，计算末端工具的X方向的角度偏差如下式所示：

${\mathrm{TCP}}_{\mathrm{\Δ}RX}=\arctan \frac{L}{d}=\arctan \left(\frac{Y_{31}-Y_{11}+Y_{32}-Y_{12}}{2d}\right).$

上述步骤S5中工业机器人TCP在Z轴方向上位置偏差的计算方法为：

标定控制器通过控制柜控制工业机器人的末端工具运动到对射式光电传感器1和2交点的正上方，沿着Z轴方向匀速直线向下运动，对射式光电传感器1和2检测到末端工具到达两射线交点时的位姿数据，与通过人工示教得到的初始值P_TCP0之间的差值就是末端工具的TCP在Z轴方向上的偏差：

TCP_Δz＝P_TCP.Z-P_TCP0.Z。

本发明的有益之处在于：本发明提供的一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定装置的的TCP检测装置及方法：一、能够有效提高工业机器人的作业精度；二、减少工业机器人停机维护时间，提高工业生产线的效率和产能；三、有效地提高工业生产线的自动化程度，节省人力、物力，降低成本。

附图说明

图1是本发明的一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定装置的结构示意图。

图2是本发明的一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定装置的TCP标定装置的结构示意图。

图3是本发明的一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定装置的TCP检测装置的结构示意图。

图4是本发明的一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定装置的标定控制器的结构示意图。

图5是本发明的一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定装置的末端工具的运动轨迹示意图。

图6是本发明的一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定装置的的TCP检测装置测量X/Y轴方向上位移误差示意图。

图7是本发明的一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定装置的TCP检测装置测量X/Y轴方向上角度误差示意图。

图8是本发明的一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定装置的TCP检测装置测量Z轴方向上位移误差示意图。

图9是本发明的一种应用于工业机器人的TCP在线快速标定装置的TCP在线标定方法流程图。

附图中标记的含义如下：

1、控制柜，2、TCP标定装置，3、工业机器人，4、末端工具，5、控制总线；

201、TCP检测装置，202、安装底座，203、标定控制器；

301、对射式光电传感器1，302、对射式光电传感器2，303、对射式光电传感器3，304、对射式光电传感器4，305、精度检验开关，306、上盖，307、装置本体；

401、装置外壳，402、显示单元，403、按键单元，404、状态指示灯，405、通信接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示：一种应用于工业机器人3的TCP在线快速标定装置，包括控制柜1，TCP标定装置2，工业机器人3、末端工具4和控制总线5，控制柜1通过控制总线5分别连接TCP标定装置2和工业机器人3，末端工具4安装在工业机器人3上；

如图2所示：TCP标定装置2包括TCP检测装置201、标定控制器203和安装底座202，TCP检测装置201通过安装底座202固定安装在工业机器人3的一侧，测量平面与工业机器人3基坐标系的XOY平面平行。

对射式光电传感器1-301、3-303的激光射线与工业机器人3基坐标系的X轴平行。对射式光电传感器2-302、4-304的激光射线与工业机器人3基坐标系的Y轴平行。

如图3所示：TCP检测装置201包括装置上盖306、装置本体307、精度检验开关305以及四组对射式光电传感器，所述精度检验开关305设置于装置本体307上表面，所述装置本体307为纵向镂空正方形的长方体，四组对射式光电传感器分别设置于装置本体307内侧面，对射式光电传感器1-301、3-303在同一垂直平面内，传感器的安装距离为d，对射式光电传感器2-302、4-304在同一垂直平面内，传感器的安装距离为d，对射式光电传感器3-303、4-304的激光射线相互垂直且在同一水平面内，对射式光电传感器1-301、2-302的激光射线也相互垂直且在同一水平面内。

如图4所示，标定控制器203包括装置外壳401、微控制器单元、显示单元 402、按键单元403、状态指示灯404和通信接口405，所述标定控制器203获取精度检验开关305的输出信号以及四组对射式光电传感器的通断信号，通过连接通信接口405的控制总线5与控制柜1进行数据通信，并通过显示单元402、状态指示灯404反馈工作信息。

如图9所示：一种应用于工业机器人3的TCP在线快速标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、保持工业机器人3末端工具4垂直于基坐标系的XOY平面，通过人工示教方法实现工业机器人3末端工具4与TCP检测装置201的精度检测开关对准，记录工业机器人3法兰的空间位姿数据；

S2、工业机器人3连续工作一段时间后，工业机器人3根据初始人工示教的空间位姿数据检测当前工业机器人3的TCP点是否偏移较大，若无法满足生产要求，则进入标定程序；

S3、标定程序：标定控制器203通过控制柜1控制工业机器人3的末端工具4以初始姿态在TCP检测装置201中做正方形轨迹的标定运动；在运动过程中，标定控制器203的微控制器单元监测TCP检测装置201内的四组对射式光电传感器通断状态，根据该通断信号的时间点，读取并存储工业机器人3在该时间点的法兰空间位姿数据，利用以上存储的空间位姿数据计算工业机器人3末端工具4在X轴与Y轴方向上的位置偏差以及角度偏差，并实现TCP的误差补偿；

S4、重复2次步骤S3的操作，通过标定结果的迭代，降低TCP标定误差；

S5、控制末端工具4在基坐标系的Z轴方向上做匀速直线运动，以确定工业机器人3TCP在Z轴方向上位置偏差，补偿TCP的误差；

S6、重复2次步骤S5的操作，通过标定结果的迭代，降低TCP标定误差。

上述的一种应用于工业机器人3的TCP在线快速标定方法，步骤S3中末端工具4在X轴与Y轴方向上的位置偏差的计算方法为：

如图5所示，末端工具4在TCP检测装置201内做正方形轨迹的标定运动，在运动过程中前半路径内的末端工具4保持姿态不变，在后半路径内的末端工具4绕法兰坐标系的Z轴旋转180°。

如图6所示，标定控制器203通过机器人控制柜1控制工业机器人3的末端工具4以初始姿态在TCP检测装置201中做正方形轨迹的标定运动。在标定运动过程中，末端工具4首先通过对射式光电传感器1-301与3-303。每经过一组对射式光电传感器，标定控制器203读取工业机器人3法兰坐标系的空间位姿数据，记为P_ijn

所述i表示第i组对射式光电传感器，i＝1或2或3或4，其中1为对射式光电传感器1-301，2为对射式光电传感器2-302，3-303为对射式光电传感器3-303，4-304为对射式光电传感器4-304；

所述j表示对射式光电传感器的通断，j＝1或2，1表示对射式光电传感器信号接通，2表示对射式光电传感器信号断开；

所述n表示单次循环运动中，第n次通过第i组对射式光电传感器，n＝1或2；

基于标定控制器203获取的法兰坐标系空间位姿数据，

A、末端工具4第一次通过第1组对射式光电传感器1-301时，末端工具4的中线与对射式光电传感器1-301的激光射线的交点Y轴坐标为：

$Y_{11}=\frac{P_{111}.Y+P_{121}.Y}{2},$

末端工具4第一次通过第3组对射式光电传感器3-303时，末端工具4的中线与对射式光电传感器3-303的激光射线的交点Y轴坐标为：

$Y_{31}=\frac{P_{311}.Y+P_{321}.Y}{2},$

末端工具4第二次通过第1组对射式光电传感器1-301时，末端工具4的中线与对射式光电传感器1-301的激光射线的交点Y轴坐标为：

$Y_{12}=\frac{P_{112}.Y+P_{122}.Y}{2},$

末端工具4第二次通过第3组对射式光电传感器3-303时，末端工具4的中线与对射式光电传感器3-303的激光射线的交点Y轴坐标为：

$Y_{32}=\frac{P_{312}.Y+P_{322}.Y}{2},$

因此，末端工具4的TCP在Y轴方向上的位置偏差可由下式计算得出：

${\mathrm{TCP}}_{\mathrm{\Δ}Y}=\frac{Y_{11}-Y_{12}+Y_{31}-Y_{32}}{4};$

B、末端工具4第一次通过第2组对射式光电传感器2-302时，末端工具4的中线与对射式光电传感器2-302的激光射线的交点X轴坐标为：

$X_{21}=\frac{P_{211}.X+P_{221}.X}{2},$

末端工具4第一次通过第3组对射式光电传感器4-304时，末端工具4的中线与对射式光电传感器4-304的激光射线的交点Y轴坐标为：

$X_{41}=\frac{P_{411}.X+P_{421}.X}{2},$

末端工具4第二次通过第2组对射式光电传感器2-302时，末端工具4的中线与对射式光电传感器2-302的激光射线的交点X轴坐标为：

$X_{22}=\frac{P_{212}.X+P_{222}.X}{2},$

末端工具4第二次通过第3组对射式光电传感器4-304时，末端工具4的中线与对射式光电传感器4-304的激光射线的交点Y轴坐标为：

$X_{42}=\frac{P_{412}.X+P_{422}.X}{2},$

因此，计算得到末端工具4的TCP在X轴方向上的位置偏差：

${\mathrm{TCP}}_{\mathrm{\Δ}X}=\frac{X_{21}-X_{22}+X_{41}-X_{42}}{4}.$

上述步骤S3中角度偏差的计算方法为：

如图7所示：上下两层对射式光电传感器1-301和3-303之间的距离为d，计算末端工具4的Y方向的角度偏差如下式所示：

${\mathrm{TCP}}_{\mathrm{\Δ}RY}=\arctan \frac{L}{d}=\arctan \left(\frac{X_{41}-X_{21}+X_{42}-X_{22}}{2d}\right),$

上下两层对射式光电传感器2-302和4-304之间的距离为d，计算末端工具4的X方向的角度偏差如下式所示：

${\mathrm{TCP}}_{\mathrm{\Δ}RX}=\arctan \frac{L}{d}=\arctan \left(\frac{Y_{31}-Y_{11}+Y_{32}-Y_{12}}{2d}\right).$

上述步骤S5中工业机器人3TCP在Z轴方向上位置偏差的计算方法为：

如图8所示：标定控制器203通过控制柜1控制工业机器人3的末端工具4运动到对射式光电传感器1-301和2-302交点的正上方，沿着Z轴方向匀速直线向下运动，对射式光电传感器1-301和2-302检测到末端工具4到达两射线交点时的位姿数据，与通过人工示教得到的初始值P_TCP0之间的差值就是末端工具4的TCP在Z轴方向上的偏差：

TCP_Δz＝P_TCP.Z-P_TCP0.Z。

在工业机器人3执行作业任务的过程中，通过机器人控制柜1对工业机器人3的末端工具4的坐标进行偏差补偿。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。