一种基于激光跟踪仪的机器人标定方法与流程

本发明实施例涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种基于激光跟踪仪的机器人标定方法。

背景技术

随着人工劳动成本的不断上升，越来越多的企业开始对现有生产方式进行自动化改造。其中，机器人因其兼具灵活性、重复性、高精度等特点已逐渐广泛应用于焊接、搬运、打磨、装配等领域。

机器人精度指标包含重复定位精度及绝对定位精度，其中重复定位精度主要由减速器齿轮回差、电机控制的最小精度等硬件条件决定，一般都较高，可达0.02mm甚至更高，而绝对精度则通常较低，有时甚至达到毫米级，这是在焊接、打磨、折弯等作业中无法接受的。

这是因为机器人自身由多个机械部件组成，由于零部件制造及装配误差的存在，机器人各关节连杆d-h参数及减速比都会与设计理论值存在一定的偏差。这些都会影响机器人运行的绝对精度。为了获得尽可能准确的机器人关节参数，通常在机器人制造完成后，会通过对其d-h参数进行辨识和补偿，以提升机器人的精度性能。

常用的机器人标定设备有拉线标定仪(thedynacalsystem)和激光跟踪仪，通过让机器人拉线或带跟踪靶球走50个随机不重复的采样点，标定设备检测出机器人末端在空间坐标系里每次运行的实际位置到标定设备的距离，通过与控制程序中输入的理论位置进行对比，计算并修正出机器人的实际关节参数。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：由于6轴机器人标定中，在建模时针对6轴机器人通常将机器人简化为由6个连杆长度及6个转角信息等12个未知数组成的模型，通过多组姿态下将关节给定信息及末端点的位置信息等联立而成的多元方程组，逆解求得一组近似真实值的连杆和转角作为机器人的理论参数用于机器人运行时的运算。然而当机器人因加工装配等问题导致整机存在如下偏差时：j1轴中心轴线与机器人底面及标定设备固定面不垂直；j2轴、j3轴、j5轴中心轴线与图1所示左侧截面不垂直；j1轴、j4轴、j6轴线不共面；j4轴、j6轴轴线不共线，由于建模时这些约束默认成立，并没有相应的参数来表达这种偏差，因此机器人无法通过标定后的参数来识别自身存在的这些偏差，进而导致机器人末端位置和姿态运行不准确。

技术实现要素：

本发明实施方式的目的在于提供一种基于激光跟踪仪的机器人标定方法，克服了现有技术标定中建模时无法体现部分d-h参数的问题，从而能够对机器人的d-h参数进行全面标定，进一步提高机器人标定精度。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于激光跟踪仪的机器人标定方法，包括以下步骤：依次控制机器人的所有轴进行单轴转动，并通过激光跟踪仪采集得到转动轴jn转动en次，且每次转动至fn角度处的靶球球心坐标点组；其中，jn表示机器人的第n个轴，en表示第n个轴的转动次数，fn表示第n个轴每次转动的角度；其中，n为自然数；其中，在第n轴单轴转动之前，且在每次单轴转动结束后，控制完成单轴转动的轴回归零点；分别根据采集得到的所述转动轴jn的靶球球心坐标点组拟合轨迹圆，并将轨迹圆的轴线作为对应转动轴jn的标定轴线方程；根据所述机器人各轴的标定轴线方程计算得到所述机器人各轴中任意相邻两轴的公垂线方程；根据所述机器人各轴的标定轴线方程以及所述公垂线方程计算所述机器人的d-h参数；根据计算出的所述机器人的d-h参数对所述机器人进行标定。

本发明实施方式相对于现有技术而言，在进行标定时，通过依次控制机器人的各轴分别进行单轴转动，在单轴转动时，控制机器人转动一定的次数，且每次转动一定的角度，并通过激光跟踪仪采集得到各轴转动多次且每次转动一定角度时的靶球球心坐标点组，然后根据采集得到的各轴的靶球球心坐标点组拟合轨迹圆，并将轨迹圆的轴线作为对应的各轴的标定轴线方程，再根据机器人各轴的标定轴线方程以及公垂线方程计算机器人的d-h参数，从而实现机器人的标定。本实施方式中，由于是控制机器人的各轴单轴转动以采集各轴对应的靶球球心坐标点组，并根据机器人的各轴的靶球球心坐标点组计算得到机器人各轴的轨迹圆的轴线方程(即标定轴线方程)，然后再根据机器人各轴的轨迹圆的轴线方程计算得到机器人各轴中任意相邻两轴的公垂线方程，再根据机器人各轴的轨迹圆的轴线方程以及公垂线方程计算机器人的d-h参数，所以在采集到的各轴的靶球球心坐标点组中的坐标点达到一定数量时，即可通过几何运算得到精确的d-h参数，且为机器人的全部d-h参数，因此，本实施方式避免了在建模时无法体现部分d-h参数的问题，能够对d-h参数进行全面标定，从而提高标定精度。另一方面，由于本实施方式是控制机器人单轴转动以采集各轴的靶球球心坐标点组，因此机器人运行姿态非常灵活，同时便于激光跟踪仪在标定时实时跟踪靶球姿态，为机器人标定提供了高可靠的坐标点数据，保证了机器人的标定精度。

另外，所述根据所述机器人各轴的标定轴线方程以及所述公垂线方程计算所述机器人的d-h参数，具体包括：根据所述公垂线方程计算相邻的公垂线单位向量的夹角，所述公垂线单位向量的夹角为关节转角；计算所述各轴的标定轴线方程与第一公垂线方程的第一交点，以及与第二公垂线方程的第二交点，并计算得到所述第一交点以及第二交点之间的距离；其中，所述第一交点以及所述第二交点之间的距离为关节距离；计算相邻标定轴线方程间的公垂线段长度，所述公垂线段长度为杆件长度；计算相邻的轨迹圆轴线方向单位向量的夹角，所述轨迹圆轴线方向单位向量的夹角为杆件扭角。

另外，在所述依次控制机器人的所有轴进行单轴转动前，还包括：将机器人的各轴调整至零点位置。从而可以简化计算。

另外，所述en大于或者等于10，从而可保证标定精度。

另外，在所述对所述机器人各轴的靶球球心坐标点组进行圆拟合得到所述各轴的靶球球心坐标点组对应的轨迹圆方程时，剔除差异大于预设阈值的点。

另外，在所述根据采集得到的所述转动轴jn的靶球球心坐标点组拟合轨迹圆，并将轨迹圆轴线作为对应转动轴jn的标定轴线方程后，还包括：根据所述机器人各轴的轨迹圆的轴线以及预设公式计算所述各轴的实际关节转角；根据所述各轴的实际关节转角计算各轴的减速比；根据计算得到的减速比对所述机器人进行标定。

另外，所述预设公式为：

其中，β’为实际关节转角，u为机器人的对应轴位于零点位置时，靶球坐标位置，v为机器人各轴转动至fn角度处时靶球坐标位置，q为轨迹圆心坐标。

另外，所述根据计算得到的减速比对所述机器人进行标定后，还包括：为所述机器人的各轴设定新零位。

另外，所述为所述机器人的各轴设定新零位具体包括：根据公垂线计算出各轴的关节转角；计算所述关节转角与标准零位时的角度差值；根据所述角度差值为各轴设定新零位。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是6轴机器人坐标系示意图；

图2是机器人两相邻关节中4个变量的示意图；

图3a、3b是现有技术中通常标定的机器人d-h参数；

图4是带有激光跟踪仪的机器人标定系统的结构示意图；

图5是根据本发明第一实施方式的基于激光跟踪仪的机器人标定方法的流程图；

图6是根据本发明第一实施方式的基于激光跟踪仪的机器人标定方法的轨迹圆、轨迹圆的轴线以及单位向量示意图；

图7是根据本发明第二实施方式的基于激光跟踪仪的机器人标定方法的流程图；

图8是根据本发明第三实施方式的基于激光跟踪仪的机器人标定方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种基于激光跟踪仪的机器人标定方法，适用于工业机器人的标定，例如6轴机器人的标定，本实施方式对于机器人的类型不作具体限制。该标定方法包括：依次控制机器人所有轴进行单轴转动，并通过激光跟踪仪采集得到转动轴jn转动en次，且每次转动至fn角度处的靶球球心坐标点组，其中，jn表示机器人的第n个轴，en表示第n个轴的转动次数，fn表示第n个轴每次转动的角度，在第n轴单轴转动之前，且在每次单轴转动结束后，将完成单轴转动的轴回归零点；根据采集得到的转动轴jn的靶球球心坐标点组拟合轨迹圆，并将轨迹圆的轴线作为对应转动轴jn的标定轴线方程，根据机器人各轴的标定轴线方程计算得到机器人各轴中任意相邻两轴的公垂线方程，根据机器人各轴的标定轴线方程以及公垂线方程计算所述机器人的d-h参数，根据计算出的机器人的d-h参数对机器人进行标定。本发明实施方式相对于现有技术而言，在进行标定时，通过依次控制机器人的各轴分别进行单轴转动，在单轴转动时，控制机器人转动一定的次数，且每次转动一定的角度，并通过激光跟踪仪采集得到各轴转动多次且每次转动一定角度时的靶球球心坐标点组，然后根据采集得到的各轴的靶球球心坐标点组拟合轨迹圆，并将轨迹圆的轴线作为对应的各轴的标定轴线方程，再根据机器人各轴的标定轴线方程以及公垂线方程计算机器人的d-h参数，从而实现机器人的标定。本实施方式中，由于是控制机器人的各轴单轴转动以采集各轴对应的靶球球心坐标点组，并根据机器人的各轴的靶球球心坐标点组计算得到机器人各轴的轨迹圆的轴线方程(即标定轴线方程)，然后再根据机器人各轴的轨迹圆的轴线方程计算得到机器人各轴中任意相邻两轴的公垂线方程，再根据机器人各轴的轨迹圆的轴线方程以及公垂线方程计算机器人的d-h参数，所以在采集到的各轴的靶球球心坐标点组中的坐标点达到一定数量时，即可通过几何运算得到精确的d-h参数，且为机器人的全部d-h参数，因此，本实施方式避免了在建模时无法体现部分d-h参数的问题，能够对d-h参数进行全面标定，从而提高标定精度。另一方面，由于本实施方式是控制机器人单轴转动以采集各轴的靶球球心坐标点组，因此机器人运行姿态非常灵活，同时便于激光跟踪仪在标定时实时跟踪靶球姿态，为机器人标定提供了高可靠的坐标点数据，保证了机器人的标定精度。下面对本实施方式的基于激光跟踪仪的机器人标定方法的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

请参阅图5所示，本实施方式的基于激光跟踪仪的机器人标定方法具体包括以下步骤：

步骤501：依次控制机器人所有轴进行单轴转动，并通过激光跟踪仪采集得到转动轴jn转动en次，且每次转动至fn角度处的靶球球心坐标点组。

请参阅图4所示，本实施方式采用激光跟踪仪采集靶球1球心坐标点，因此，需要将靶球1安装在机器人末端的夹具(例如法兰)上，在一个例子中，可以采用带磁力的靶球座，并将靶球座吸附在机器人末端的法兰盘上，靶球座偏心放置，或者将靶球安装在延长的工装上，以确保标定过程中靶球位置固定不动，且整个标定过程中激光跟踪仪2与靶球位置之间无遮挡，即使得激光跟踪仪始终能够检测到靶球位置。

本实施方式中，jn表示机器人的第n个轴，en表示第n个轴的转动次数，fn表示第n个轴每次转动的角度。举例而言，当机器人为六轴机器人时，n的取值为自然数1到6。本实施方式对于n的大小不做限制。

依次控制机器人所有轴进行单轴转动，例如为依次控制机器人从第一轴至第六轴(即从j1至j6)进行单轴转动。下面对步骤501进行详细说明，步骤501包括以下子步骤：将机器人的各轴调整至零点位置，具体地，可以根据机器人的零位孔、零位刻线或其他标识将6轴机器人的j1-j6轴调整至零点位置，使标定起始姿态尽量接近理想零位；控制机器人j1轴单轴转动，其中，控制j1轴转动的次数为e1次，且每次转动的角度为f1度，其中，e1例如等于10，f1例如为20，本实施方式对于e1以及f1的大小均不作限制。在控制j1轴单轴转动时，其余各轴均保持不动，同时通过激光跟踪仪采集得到j1轴转动10次，且每次转动20度处的靶球球心坐标点组，通过激光跟踪仪检测记录靶球球心坐标，记录转动至10个20度角度处的靶球球心坐标，从而使得机器人转过总角度β1(即200度)，这样，采集得到的j1轴的靶球球心坐标点组为p1＝(x1,i,y1,i,z1,i)(i＝1,2...n)，转动结束后控制j1轴回归零点。在一个例子中，可以在两个端点(两个端点分别是指转动e1次时的第一个转动结束点和最后一个转动结束点的位置)位置停留多次，从而可以防止激光跟踪仪标定第一个点时读取的位置存在偏差，有利于获得更精确的标定结果。

在采集得到j1轴的靶球球心坐标点组后，按照j1轴的转动控制方式，依次控制机器人的其余各轴，例如机器人的j2至j6轴单轴转动，并分别采集得到其余各轴的靶球球心坐标点组。具体地，控制机器人j2轴单轴转动，其余5个轴均不动，每隔一定预设角度通过激光跟踪仪检测记录靶球球心坐标，记录转动至e2个f2角度处的靶球球心坐标，此时，转过总角度β2，还可以在两个端点位置停留多次，得到靶球球心坐标点组p2＝(x2,i,y2,i,z2,i)(i＝1,2...n)，其中，i表示测试j2轴时所测量的e2个点中的第i个，转动结束后控制j2轴回归零点，以此类推，控制机器人的j3、j4、j5、j6轴单轴转动，控制j3-j6轴分别转过角度β3-β6，并得到靶球球心坐标点组p3-p6，转动结束后控制各轴(j3-j6)回归零点。需要说明的是，在控制机器人的各轴依次单轴转动时，e1-e6的大小(即6个轴各自的转动次数)可以相同，也可以各不相同，本实施方式对于en的大小不作具体限制，f1-f6的大小(即6个轴每次转动的角度)可以相同，也可以各不相同，本实施方式对于fn的大小不作具体限制。值得一提的是，在控制各轴转动时，可以在靶球球心坐标检测允许的前提下控制各轴运动角度(即β1-β6)尽量大，en大于等于10。其中β1-β6中的下标与轴的序号对应。

步骤502：根据采集得到的转动轴jn的靶球球心坐标点组拟合轨迹圆，并将轨迹圆的轴线作为对应转动轴jn的标定轴线方程。

具体而言，对机器人各轴的靶球球心坐标点组进行圆拟合得到各轴的靶球球心坐标点组对应的轨迹圆方程，然后根据各轴的轨迹圆方程得到各轴的轨迹圆的轴线方程。请参阅图6，以p1为例，拟合后轨迹圆c1方程为：(x-x1)²+(y-y1)²+(z-z1)＝r1²；圆心坐标q1＝(x1,y1,z1)^t。其中，轨迹圆轴线l1的方程为其中，l1，m1，n1分别为根据靶球球心坐标点组p1求解轨迹圆方程时的预设参数。举例而言，求解时可假设l1＝1，代入p1求解得m1、n1，进而得到轨迹圆轴线的表达式。根据轨迹圆方程，得到轨迹圆轴线l1的单位方向向量如下：

其中，xx，yy，zz分别表示轨迹圆轴线l1的单位向量的x、y、z三个方向的分量。

可见，向量即为j1轴坐标系正方向，轨迹圆的轴线l1即为机器人j1轴旋转中心轴线。同理依次可求得l2-l6(即j2-j6轴的轨迹圆的轴线)。

步骤503：根据机器人各轴的标定轴线方程计算得到机器人各轴中任意相邻两轴的公垂线方程。

具体地，根据轴线方程l1、l2可求得公垂线方程d1为：

其中，公垂线单位向量：

其中，a＝m1n2-m2n1，b＝n1l2-n2l，c＝l1m2-l2m1，

其中，t1、a、b以及c是为了使上面的向量表达式显得简洁而采用的中间参数，没有具体的几何意义。

步骤504：根据机器人各轴的标定轴线方程以及公垂线方程计算机器人的d-h参数。

请参阅图1、图2以及图3a、图3b，机器人d-h模型中，每个关节包含4个变量如下：

1、关节转角θi：定义为从xi-1到xi的转角，绕zi-1轴正向转为正，且规定θi∈(-π，π]。

2、关节距离di：定义为从xi-1到xi的距离，沿zi-1轴指向为正。

3、杆件长度ai：定义为从zi-1到zi的距离，绕xi轴正向转为正。

4、杆件扭角αi：定义为从zi-1到zi的转角，绕xi轴正向转为正，且规定αi∈(-π，π]。

本实施方式中，公垂线单位向量与的夹角，即为关节转角θ1。因此，根据公垂线方程计算相邻的公垂线单位向量的夹角，从而可以得到各关节的关节转角。

关节距离di这样计算得到：计算各轴的标定轴线方程与第一公垂线方程的第一交点，以及与第二公垂线方程的第二交点，并计算得到第一交点以及第二交点之间的距离，其中，第一交点以及第二交点之间的距离为关节距离。具体地，根据轴线方程l1、l2、公垂线方程d1，可求解得d1与l1的交点m11，坐标m11＝(mx,my,mz)＝(x1+l1t1,y1+m1t1,z1+n1t1)；以及d1与l2的交点m12，轴线方程l2与相邻公垂线d1、d2的交点m12(即第一交点)、m22(即第二交点)的间距，即为关节距离d2(关节距离d1为j1轴轴线与标定设备激光跟踪仪基坐标轴线间的公垂线段长度)。因此，计算各轴的轨迹圆的轴线方程与相邻的公垂线方程的交点之间的间距，即可得到各关节的关节距离。

杆件长度ai这样计算得到：计算相邻标定轴线方程间的公垂线段长度，并将公垂线段长度作为杆件长度。具体地，轴线方程l1、l2间公垂线段长度，点m11、m12的间距，即为杆件长度a1，因此，计算相邻轨迹圆的轴线方程间的公垂线段长度，即可得到各关节的杆件长度。

杆件扭角αi这样计算得到：计算相邻的轨迹圆轴线方向单位向量的夹角，轨迹圆轴线方向单位向量的夹角为杆件扭角。具体地，轴线方向单位向量的夹角、即为杆件扭角α1，因此，计算相邻的轨迹圆的轴线方向单位向量的夹角，即可得到各关节的杆件扭角。

至此关于机器人j1轴关节的4个d-h参数都已计算得到，同理，可完成机器人j2-j6轴d-h参数的计算。

步骤207：根据计算出的机器人的d-h参数对机器人进行标定，即将计算得出的d-h参数配置到机器人算法模型中，完成机器人的标定，从而使机器人的算法执行精度更高。

本实施方式与现有技术相比，控制机器人的各轴单轴转动以采集各轴对应的靶球球心坐标点组，再根据机器人的各轴的靶球球心坐标点组计算得到机器人各轴的轨迹圆轴线方程，然后再根据机器人各轴的轨迹圆轴线方程计算得到机器人各轴中任意相邻两轴的公垂线方程，再根据机器人各轴的轨迹圆轴线方程以及公垂线方程计算机器人的d-h参数，所以在采集到的各轴的靶球球心坐标点组中的坐标点达到一定数量时，即可通过几何运算得到精确的d-h参数，且为机器人的全部d-h参数，因此，本实施方式避免了在建模时无法体现部分d-h参数的问题，能够对d-h参数进行全面标定，从而提高标定精度。另一方面，由于本实施方式是控制机器人单轴转动以采集各轴的靶球球心坐标点组，因此机器人运行姿态非常灵活，同时便于激光跟踪仪在标定时实时跟踪靶球姿态，为机器人标定提供了高可靠的坐标点数据，保证了机器人的标定精度。

本发明的第二实施方式涉及一种基于激光跟踪仪的机器人标定方法。第二实施方式在第一实施方式的基础上做出改进，主要改进之处在于：在第二实施方式中，提供了机器人的减速比的标定方法。

请参阅图7所示，本实施方式的基于激光跟踪仪的机器人标定方法包括步骤701至步骤708。其中步骤701至步骤705分别与第二实施方式中的步骤501至步骤505对应相同，此处不再赘述。

步骤706：根据机器人各轴的轨迹圆的轴线方程以及预设公式计算各轴的实际关节转角。

其中，预设公式为：以j1轴为例，采集参数时，利用j1轴转动的总角度β1，并根据两端点处点u1、v1、轨迹圆心q1的坐标，通过预设公式计算出实际关节转角β1’，该预设公式为向量偏角的标准计算公式，用于计算向量qu和向量qv的夹角。

步骤707：根据各轴的实际关节转角计算各轴的减速比。

具体地，由其中，tt1为标定前j1轴预设减速比，tt1’为标定校准后减速比。

步骤708：根据计算得到的减速比对机器人进行标定。

需要说明的是，本实施方式对于减速比的计算步骤以及d-h参数的计算步骤的先后顺序不作具体限制，在实际应用中，也可以先对减速比进行标定，再对d-h参数进行标定，或者一并将计算出的减速比以及d-h参数配置到机器人算法模型中，完成机器人的标定。

本实施方式与现有技术相比，可以根据采集得到的靶球球心坐标点组同时实现减速比与d-h参数的标定。

本发明的第三实施方式涉及一种基于激光跟踪仪的机器人标定方法。第三实施方式在第二实施方式的基础上做出改进，主要改进之处在于：在第三实施方式中，提供了机器人的零点的标定方法。

请参阅图8所示，本实施方式的基于激光跟踪仪的机器人标定方法包括步骤801至步骤809。其中步骤801至步骤808分别与第二实施方式中的步骤701至步骤708对应相同，此处不再赘述。

步骤809：为机器人的各轴设定新零位。

具体地，步骤809中，根据公垂线计算出各轴的关节转角，计算关节转角与标准零位之间的角度差值，根据角度差值为各轴设定新零位。以j1轴为例，关节转角θ1即为该轴的当前夹角，然后计算与标准零位(因结构不同为0或90度)之间的角度差值，反向运行该角度(即如果标定结果显示该轴的当前姿态角度不为0度(或90度)，就将该轴运行至0度(或90度)，反向是指如果当前角度偏差为3度，则需要将机器人向负方向运行3度，即运行到达0度的位置。其中，零度的调整应在减速比标定后进行)，重新设定为新零位。

本实施方式与前述实施方式相比，可以基于采集的同一组各轴的靶球球心坐标点组完成机器人d-h参数、减速比以及零点的标定，并且d-h参数的标定更准确。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。