一种工业机器人测量轨迹定位误差分析方法及系统与流程

本发明属于工业机器人测量技术领域，更具体地，涉及一种工业机器人测量轨迹定位误差分析方法及系统。

背景技术：

工业机器人是一种可编程的自动化柔性工作设备，具有柔性好、抗干扰性强、重复精度高、工作时间长等特点，被广泛应用在各种生产制造领域，如喷涂、焊接、搬运、装配、物件加工等。就目前工业机器人的生产应用来看，工业机器人通常具有较高的重复定位精度，大部分工业机器人的重复定位精度已到达0.05mm量级。但工业机器人的绝对定位精度较差，大部分工业机器人的绝对定位精度在1mm量级，少数经过精度补偿后，绝对定位精度能达到0.5mm。绝对定位精度差会导致工业机器人执行轨迹程序文件时，其末端点到达的位置会与规划点存在偏差，从而影响机器人的加工、测量精度。这就严重制约了机器人在精密加工制造领域的应用。

到目前为止，国内外学者对提高工业机器人绝对定位精度的研究主要集中在两个方向。其中一个方向集中在机器人本体制造单元的实际尺寸误差和装配误差的标定计算，通过修正机器人的运动学参数来提高机器人控制误差。另一个方向集中在机器人末端定位误差测量补偿方面，通过测量机器人末端运动到的位置和理论位置之间的偏差，补偿机器人运动控制点指令，使机器人末端贴近到理论规划位置。这两种方式都可在一定程度上提高机器人绝对定位精度，但是均未将机器人实际工作场景纳入考虑。机器人在工作时，需要指定待加工工件在机器人工作空间中的安放位姿，机器人末端运动轨迹为相对于待加工工件的轨迹。因此，机器人加工精度的提高，还需要将运动轨迹相对于待加工工件的定位误差纳入考虑。

技术实现要素：

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种工业机器人测量轨迹定位误差分析方法及系统，从机器人实际工作场景出发，对工业机器人执行测量轨迹过程中测量点位相对于待测工件特征点的定位误差进行分析，其目的在于为补偿修正测量轨迹提供参考依据，解决目前工业机器人绝对定位精度较差，不能满足工业机器人离线编程技术在精密加工、测量等领域的应用需求的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种工业机器人测量轨迹定位误差分析方法，包括以下步骤：

s1：控制机器人执行基于待测工件的几何模型生成的测量轨迹，触发测量设备采集待测工件的测量点云数据；

s2：将所述测量点云数据与待测工件的几何模型进行配准计算，得到待测工件在机器人工作空间中的安装定位误差，将所述安装定位误差作为测量轨迹相对于待测工件的全局定位误差；

s3：基于所述全局定位误差对待测工件几何模型进行旋转、偏移变换，修正待测工件几何模型在机器人工作空间中的安装位姿。

优选的，上述工业机器人测量轨迹定位误差分析方法，其步骤s2中将所述测量点云数据与待测工件的几何模型进行配准计算具体包括以下子步骤：

s21：初始化迭代计数k＝1；

s22：对于测量点云数据{pm|m＝1,2,…,n}中每个点pm，在待测工件的几何模型上查找距点pm最近的点p′a；

s23：基于目标函数计算得到当前旋转矩阵rk和偏移向量tk；

s24：判断计算结果是否满足收敛条件若是，则进入下一步；若否，则更新当前测量点云pm＝rk·pm+tk，增加迭代记数k＝k+1，返回步骤s22继续迭代计算；

s25：计算测量点云数据相对于几何模型的旋转变换量r＝rk·rk-1·...·r1和偏移变换量根据所述旋转变换量r得到几何模型相对于测量点云数据的旋转变换量r′＝r^-1；根据所述旋转变换量r和偏移变换量t得到几何模型相对于测量点云数据的偏移变换量t′＝-r^-1·t。

优选的，上述工业机器人测量轨迹定位误差分析方法，其步骤s1中还包括：建立测量轨迹上的特征点与测量点云数据中对应的测量点之间的映射关系，生成特征点-测量点对<pd,pm>。

优选的，上述工业机器人测量轨迹定位误差分析方法，其步骤s3之后还包括以下步骤：

s4：基于测量轨迹的特征点与测量点之间的映射关系以及特征点所在几何曲面，计算测量轨迹在特征点处的局部定位误差。

优选的，上述工业机器人测量轨迹定位误差分析方法，其步骤s4中包括以下子步骤：

s41：计算待测工件测量曲面在特征点pd处的单位法向量确定待测工件测量曲面在特征点处的切平面；

s42：分别将在法向量和所述切平面上进行投影，以在法向量上的投影作为法向误差，以在切平面上的投影作为径向误差，计算得到测量点相对于特征点的法向误差向量和径向误差向量

优选的，上述工业机器人测量轨迹定位误差分析方法，其测量设备为光学追踪仪和共焦光谱距离测量传感器。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种工业机器人测量轨迹定位误差分析系统，包括机器人控制单元、配准单元和补偿单元；

所述机器人控制单元用于控制机器人执行基于待测工件的几何模型生成的测量轨迹，触发测量设备采集待测工件的测量点云数据；

所述配准单元用于将所述测量点云数据与待测工件的几何模型进行配准计算，得到待测工件在机器人工作空间中的全局定位误差；

所述补偿单元用于基于所述全局定位误差对待测工件几何模型进行旋转、偏移变换，修正待测工件几何模型在机器人工作空间中的安装位姿。

优选的，上述工业机器人测量轨迹定位误差分析系统，其配准单元包括计数模块、查找模块、第一计算模块、判断模块和第二计算模块；

所述计数模块用于初始化迭代计数k＝1；

所述查找模块用于分别在待测工件的几何模型上查找距测量点云数据{pm|m＝1,2,…,n}中每个点pm最近的点p′m；

所述第一计算模块用于基于目标函数计算当前旋转矩阵rk和偏移向量tk；

所述判断模块用于判断第一计算模块的计算结果是否满足收敛条件若是，则发出第一触发信号；若否，则发出第二触发信号，所述第二触发信号用于控制计数模块增加迭代记数k＝k+1，并控制查找模块更新当前测量点云pm＝rk·pm+tk，继续迭代计算；

所述第二计算模块用于在所述第一触发信号的控制下计算测量点云数据相对于几何模型的旋转变换量r＝rk·rk-1·...·r1和偏移变换量根据所述旋转变换量r得到几何模型相对于测量点云数据的旋转变换量r′＝r^-1；根据所述旋转变换量r和偏移变换量t得到几何模型相对于测量点云数据的偏移变换量t′＝-r^-1·t。

优选的，上述工业机器人测量轨迹定位误差分析系统，其机器人控制单元还用于建立测量轨迹上的特征点与测量点云数据中对应的测量点之间的映射关系，生成特征点-测量点对<pd,pm>。

优选的，上述工业机器人测量轨迹定位误差分析系统，还包括误差计算单元；

所述误差计算单元用于根据机器人控制单元建立的测量轨迹的特征点与测量点之间的映射关系以及特征点所在几何曲面，计算测量轨迹在特征点处的局部定位误差。

优选的，上述工业机器人测量轨迹定位误差分析系统，其误差计算单元包括第三计算模块和第四计算模块；

所述第三计算模块用于计算待测工件测量曲面在特征点pd处的单位法向量确定待测工件测量曲面在特征点处的切平面；

所述第四计算模块用于分别将在法向量和所述切平面上进行投影，以在法向量上的投影作为法向误差，以在切平面上的投影作为径向误差，计算得到测量点相对于特征点的法向误差向量和径向误差向量

优选的，上述工业机器人测量轨迹定位误差分析方法，其测量设备为光学追踪仪和共焦光谱距离测量传感器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的一种工业机器人测量轨迹定位误差分析方法及系统，首先将测量点云数据与待测工件几何模型做配准计算，计算得到测量轨迹相对于待测工件的全局定位误差；基于该全局定位误差对待测工件几何模型进行旋转、偏移变换，修正待测工件几何模型在虚拟机器人工作站中的安装位姿，消除全局误差对局部误差计算的影响，有利于提高定位误差的计算精度；

(2)本发明提供的一种工业机器人测量轨迹定位误差分析方法及系统，从机器人实际工作场景出发，计算得到机器人测量工作站执行测量轨迹过程中，测量点位相对于待测工件特征点的定位误差；该方法可较为简便的对工业机器人定位误差进行评估，便于后续补偿修正测量轨迹，满足机器人实时工作场景需求；本发明有利于改善工业机器人的绝对定位精度对机器人应用领域的限制，满足工业机器人离线编程技术在精密加工、测量等领域的应用需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的工业机器人测量轨迹定位误差分析方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的测量轨迹特征点定义示意图；

图3是本发明实施例提供的运动执行单元及测量设备的硬件结构示意图；

图4是本发明实施例提供的测量轨迹全局定位误差示意图；

图5是本发明实施例提供的测量轨迹特征点局部定位误差示意图；

图6是本发明实施例提供的工业机器人测量轨迹定位误差分析系统的逻辑框图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-测量轨迹，2-特征点，3-工业机器人，4-共焦光谱传感器，5-光学追踪仪，6-待测工件，7-测量点云数据，8-工件实际曲面，9-理论测量轨迹，10-实际测量轨迹。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本实施例提供的工业机器人测量轨迹定位误差分析方法的流程图；如图1所示，该工业机器人测量轨迹定位误差分析方法包括以下步骤：

s1：基于待测工件的几何模型特征定义测量轨迹的特征点；该测量轨迹是基于待测工件的几何模型生成的，以特征点作为测量轨迹定位误差分析点；

图2是本发明实施例提供的测量轨迹特征点定义示意图，测量轨迹的特征点是测量轨迹上控制轨迹形状的点，如图2中的点p1、p2、p3、p4、p5、p6是测量轨迹1上的特征点2；对于待测工件上几何特征的测量，均可转换为对点的测量，然后由测量点或测量点集分析得到几何特征参数。因此，对于测量轨迹的规划，可先基于工件几何特征得到待测点，然后由待测点生成测量轨迹。那么，对于测量轨迹，待测点作为测量目标点，也是轨迹控制点。对于轨迹定位误差分析，实际是对轨迹上的轨迹控制点作分析。因此，本实施例将测量轨迹中的待测点定义为测量轨迹定位误差分析的特征点。

s2：将测量轨迹传输给机器人控制单元，控制机器人执行该测量轨迹，获得测量点云数据；在机器人运动过程中，当机器人执行到待测点测量指令时，触发测量设备采集测量数据，得到与特征点对应的工件测量点，并记录特征点对应的工件测量点之间的对应关系；轨迹执行完后，得到测量点云数据；

图3是本发明实施例提供的运动执行单元及测量设备的硬件结构示意图；如图3所示，本实施例采用六轴工业机器人3作为运动执行单元，以光学追踪仪hyperscan5和共焦光谱距离测量传感器4作为组合测量设备，将光学追踪仪hyperscan5在机器人外部安装固定，将共焦光谱距离测量传感器4安装在机器人3法兰末端，由机器人3作为运动执行设备带动测量设备运动，对待测工件4进行测量。其中，光学追踪仪hyperscan用于实时追踪测量共焦光谱传感器的位姿数据，位姿跟踪精度为0.06mm，共焦光谱距离测量传感器用于测量工件上的待测点在共焦光谱距离测量传感器光轴方向上的距离，距离测量精度为0.5um，通过组合测量数据可得到精确的待测点数据；

在机器人运动过程中，当机器人执行到待测点测量指令时，触发光学追踪仪hyperscan5和共焦光谱距离测量传感器4采集测量数据，得到与特征点对应的工件测量点，同时记录特征点与测量点之间的对应关系，生成特征点-测量点对，用表示；轨迹执行完后，得到测量点云数据；然后根据测量设备坐标系ot-xyz与待测工件坐标系ow-xyz之间的变换关系，将测量点云数据转换到工件坐标系ow-xyz下。

s3：测量轨迹全局定位误差计算：将测量点云数据与待测工件几何模型做配准计算，得到待测工件在机器人工作站中的安装定位误差，将该误差作为测量轨迹相对于待测工件的全局定位误差；

工业机器人在执行测量轨迹过程中，带动测量设备相对待测工件运动；当待测工件在机器人工作空间中的安装位置存在偏差时，测量设备测得的工作点运动轨迹与工件之间会存在整体偏移，但测量到的点仍位于工件表面，测量点云数据7与工件实际曲面8具有同形性，如图4所示。为了计算得到更为准确的测量轨迹定位误差分析结果，本实施例首先对测量得到的点云数据与待测工件几何模型进行配准，计算得到当测量点云与工件模型的被测曲面最近贴合时，待测工件几何模型所需的旋转、平移变换参数，修正待测工件几何模型在虚拟机器人工作空间中的安装位姿；

配准计算过程如下：

a)初始化迭代计数k＝1；

b)对测量点云数据{pm|m＝1,2,…,n}中每个点pm，在待测工件几何模型上找到距点pm最近的点p′m；

c)基于目标函数计算得到当前旋转矩阵rk和偏移向量tk；

d)判断计算结果是否满足收敛条件若是，则进入下一步；若否，则更新当前测量点云pm＝rk·pm+tk，增加迭代记数k＝k+1，返回步骤b)继续迭代计算；其中，ε为收敛误差，ε的取值需要根据测量精度需求进行调整，测量精度越高，ε越小；本实施例中ε取0.001；

e)计算测量点云数据相对于待测工件几何模型的旋转变换量r＝rk·rk-1·...·r1和偏移变换量进而可得到工件几何模型相对于测量点云的旋转变换量r′＝r^-1和偏移变换量t′＝-r^-1·t。

s4：基于全局定位误差对待测工件几何模型进行旋转、偏移变换，修正待测工件几何模型在虚拟机器人工作站中的安装位姿；

s5：测量轨迹局部定位误差计算：基于测量轨迹特征点、测量点及特征点所在几何曲面，计算测量轨迹上特征点处的局部定位误差，该局部定位误差由径向误差和法向误差两部分构成；

在修正待测工件几何模型在虚拟机器人工作站中的安装位姿后，利用步骤s2中建立的特征点与测量点之间的对应关系，更新特征点-测量点对基于工件几何模型计算测量点偏差；

图5是本发明实施例提供的测量轨迹特征点局部定位误差示意图；如图5所示，特征点所处曲线为理论测量轨迹9，测量点所处曲线为实际测量轨迹10；首先，计算工件测量曲面在特征点pd处单位法向量确定工件测量曲面在特征点处的切平面；然后，分别将在法向量和切平面上作投影，以在法向量上的投影作为法向误差，以在切平面上的投影作为径向误差，可计算得到测量点相对于特征点的法向误差向量和径向误差向量

本实施例提供的工业机器人测量轨迹定位误差分析方法，首先将测量点云数据与待测工件几何模型做配准计算，计算得到测量轨迹相对于待测工件的全局定位误差；基于该全局定位误差对待测工件几何模型进行旋转、偏移变换，修正待测工件几何模型在虚拟机器人工作站中的安装位姿，消除全局误差对局部误差计算的影响，有利于提高定位误差的计算精度。

本实施例还提供了一种工业机器人测量轨迹定位误差分析系统，图6是该系统的逻辑框图；如图6所示，该工业机器人测量轨迹定位误差分析系统包括机器人控制单元、配准单元、补偿单元和误差计算单元；

机器人控制单元用于控制机器人执行基于待测工件的几何模型生成的测量轨迹，触发测量设备采集待测工件的测量点云数据；还用于建立测量轨迹上的特征点与测量点云数据中对应的测量点之间的映射关系，生成特征点-测量点对<pd,pm>。

配准单元用于将测量点云数据与待测工件的几何模型进行配准计算，得到待测工件在机器人工作站中的安装定位误差，将该误差作为测量轨迹相对于待测工件的全局定位误差；

该配准单元包括计数模块、查找模块、第一计算模块、判断模块和第二计算模块；

其中，计数模块用于初始化迭代计数k＝1；

查找模块用于分别在待测工件的几何模型上查找距测量点云数据{pm|m＝1,2,…,n}中每个点pm最近的点p′m；

第一计算模块用于根据目标函数计算当前旋转矩阵rk和偏移向量tk；

判断模块用于判断第一计算模块的计算结果是否满足收敛条件若是，则发出第一触发信号；若否，则发出第二触发信号，该第二触发信号用于控制计数模块增加迭代记数k＝k+1，并控制查找模块更新当前测量点云pm＝rk·pm+tk，继续迭代计算；其中，ε为收敛误差，ε的取值需要根据测量精度需求进行调整，测量精度越高，ε越小；本实施例中ε取0.001；

第二计算模块用于在第一触发信号的控制下计算测量点云数据相对于几何模型的旋转变换量r＝rk·rk-1·...·r1和偏移变换量根据旋转变换量r得到几何模型相对于测量点云数据的旋转变换量r′＝r^-1；根据旋转变换量r和偏移变换量t得到几何模型相对于测量点云数据的偏移变换量t′＝-r^-1·t。

补偿单元用于根据第二计算模块得到的旋转变换量r′和偏移变换量t′对待测工件几何模型进行旋转、偏移变换，修正待测工件几何模型在机器人工作空间中的安装位姿。

误差计算单元用于根据机器人控制单元建立的测量轨迹的特征点与测量点之间的映射关系以及特征点所在几何曲面，计算测量轨迹在特征点处的局部定位误差；该局部定位误差包括径向误差和法向误差；

该误差计算单元包括第三计算模块和第四计算模块；

其中，第三计算模块用于计算待测工件测量曲面在特征点pd处的单位法向量确定待测工件测量曲面在特征点处的切平面；

第四计算模块用于分别将在法向量和所述切平面上进行投影，以在法向量上的投影作为法向误差，以在切平面上的投影作为径向误差，计算得到测量点相对于特征点的法向误差向量和径向误差向量

本发明提供的一种工业机器人测量轨迹定位误差分析方法及系统，从机器人实际工作场景出发，计算得到机器人测量工作站执行测量轨迹过程中，测量点位相对于待测工件特征点的定位误差；该方法可较为简便的对工业机器人定位误差进行评估，便于后续补偿修正测量轨迹，满足机器人实时工作场景需求；本发明有利于改善工业机器人的绝对定位精度对机器人应用领域的限制，满足工业机器人离线编程技术在精密加工、测量等领域的应用需求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。