一种提升工业机器人工具坐标系标定精度的方法与流程

本发明涉及一种工业机器人工具坐标系的标定方法，具体说是一种提升工业机器人工具坐标系标定精度的方法。

背景技术：

在工业机器人的应用中，机器人为完成特定的工作任务，需要在末端安装相应的工具，如焊枪、抓手、吸盘等。为了方便示教和编程，往往需要标定工具坐标系，将机器人的末端点从法兰中心移至工具的末端点。

工业机器人行业中，常见工具坐标系标定方法为“四点法”，移动机器人将工具的末端点对准一固定针状尖物(标定装置)的尖端，记录工具末端点对准尖端时机器人的四个不同姿态时的位姿，利用最小二乘法，标定出工具坐标系位置参数，如式(1)。(参考文献：刘成业，李文广,等.一种机器人工具坐标系标定方法[j].山东科学,2012,25(1):69-74)。

式中，px，py，pz为工具坐标系位置参数标定结果，r1～r4为四个标定点所对应的旋转矩阵，(ex1,ey1,ez1)～(ex4,ey4,ez4)为四个标定点所对应的位置坐标。

工具坐标系标定精度的高低，直接影响机器人运行时的轨迹精度。“四点法”的标定方式，需要人为的对准标定装置的尖端，需要保证四点均对准尖端的同一个位置，这样必然会有一定的误差，很难保证最终的标定精度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种提升工业机器人工具坐标系标定精度的方法，在“四点法”标定过程中，对于每一个示教的标定点均有精度评价，当所记录的标定点满足精度要求时，才可进行下一个标定点的示教，直至四点示教完成，然后再对最终的标定结果给予一个总体的精度评价，若满足则标定结束，给出标定结果。本发明方法，目的是得到高精度的工具坐标系标定结果，进而消除由于工具坐标系标定不精准而带来的轨迹跟踪精度不高的问题。

本发明的基本思路：移动机器人使得工具末端点对准标定装置的尖端，示教记录第一个点；然后变换机器人的姿态，依然要保持工具末端点对准标定装置的尖端，在此过程中，标定提升算法part1会实时地给出当前位置作为标定点的精度评价，当评价分高于60分时，示教记录此标定点，方能成功，否则失败，需要继续移动机器人直至评价分满足才可以示教记录此标定点，并进行下一个标定点的示教，直至四个标定点完成。当四个标定点示教完成后，标定提升算法part2给出最终的标定评价，若精度满足，则给出工具坐标系的参数，标定结束；若精度不满足，则工具坐标系标定失败，需要重新进行“四点法”标定。

由公式(1)可以看出，若四个标定点的旋转矩阵相似的话，极端的情况是存在相同的旋转矩阵的话，则分母矩阵存在0项，无解。基于此，标定提升算法part1采用四元数的描述方法评价各标定点的旋转矩阵的相似关系，给出精度评价分。

本发明为实现发明目的所采用的技术方案：一种提升工业机器人工具坐标系标定精度的方法，其步骤如下：

步骤1.记录第一个标定点姿态(a1,b1,c1)，转换为旋转矩阵r1，再转换为四元数q1的描述：

(a1,b1,c1)→r1→q1(2)

步骤2.记录当前待标定点姿态(a2,b2,c2)，转换为旋转矩阵r2，再转换为四元数q2的描述：

(a2,b2,c2)→r2→q2(3)

步骤3.计算当前待标定点相对于上一个标定点的旋转角度θ,范围为0°～180°：

θ＝f(q1,q2)(4)

步骤4.计算精度评价分γ：

精度评价分是关于旋转角度θ的分段函数，其中θ0、θ1、θ2为设定的旋转角度边界值，该值与机型有关。

根据精度评价分γ是否满足给定的标准值，判断该点的标定精度是否满足要求，若不满足要求，则返回步骤2。如果满足精度要求，则执行下一步骤。

步骤5.选择下一个待标定点，循环执行步骤2，3，4，5，直至四个标定点均操作完成。

以上为标定精度提升的第一步part1，以下为标定精度提升的第二部part2。

步骤6.标定精度提升算法：利用标准差对已记录的四个标定点，进行综合评价，目的是为了消除人眼对准标定装置尖端所带来的位置误差，给出最终标定结果评价，步骤如下：

步骤6.1根据记录的四个标定点，算出四组标定结果：

式中，(px1,py1,pz1)～(px4,py4,pz4)为四组工具坐标系标定结果。

步骤6.2计算四组标定结果的标准差：

式中，为标定结果各个分量的平均值，σx,σy,σz为标定结果各个分量的标准差。

步骤6.3最终标定结果评价σ：

当σ在一定范围内，认为标定精度满足要求，标定成功，给出工具坐标系位置参数为

本发明所提出的提升工业机器人工具坐标系标定精度的方法，在标定的每一步采用四元数的方法评价标定点的旋转关系，以给出精度评价，方便用户示教出合理的标定点，消除每一步标定点带来的精度误差，以保证标定结果的精确性，进而保证轨迹精度。

本发明方法，在所有标定点示教完成后，再附加一个总体的精度评价，消除对准标定尖端的操作误差，保证了标定结果的最终精确性。

本发明方法，无需附加任何的标定系统或装置，仅仅在最基础的“四点法”标定过程中，附加标定算法即可，软件部分实现，对于用户来说，与普通的“四点法”无任何区别，简单易操作。

附图说明

图1是本发明方法精度提升流程图。

图2是评价分数示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明方法作进一步详细说明。

实施例：

以某通用六关节为实验对象，选取具体精度评价分标准如下，如附图2所示。

1、示教记录第一标定点为：(655.95,-302.35,394.36,100.29,19.93,160.18)；

2、根据上述精度评价标准得到的实时评价分，最终选取二三四标定点为：(600.91,-302.35,305.42,94.02,21.98,142.77),(633.46,-391.49,305.42,109.86,21.98,142.77)，(655.95,-188.78,401.75,104,46.05,166.82)，评价分分别为82分，80分，100分。

3、根据四个标定点算出四组标定结果：

①：(99.9873,200.007,300.0368)；

②：(99.95417,200.0286,300.0437)；

③：(99.98198,200.040798,300.042966)；

④：(99.95656,200.0258699,300.0429449)。

4、计算标准差：

σx＝0.017082

σy＝0.0139089

σz＝0.003208

5、计算最终标定结果评价：

σ＝0.0223

最终标定结果远远小于设定要求(2mm),认为标定结果精度较高，标定成功，最终得到工具坐标系位置参数为：99.9700,200.0256,300.0416。