一种机器人自标定装置及方法与流程

本发明属于机器人，具体涉及一种机器人自标定装置及方法。

背景技术：

1、机器人自标定是指利用已知的准确位置或者尺寸来对机器人末端位姿和关节角度进行限制，从而提高机器人的定位精度和运动控制精度。通过自标定，机器人可以自动辨识其自身位置、姿态、末端执行器的位置等参数，并对其进行调整，从而确保机器人能够准确地执行任务。自标定可以大大简化机器人操作员的工作，提高生产效率和定位精度。

2、为了解决机器人生产厂家生产出的机器人由于制造、安装等因素，大多机器人定位精度不高，无法满足高精加工以及离线编程的需求问题。使用自标定装置能够低成本地获取机器人的实际参数，并将数据交付给买家进行验证。通过自标定，可以解决机器人在绝对定位精度上存在的问题，提高其运动精度和定位精度。

3、现有技术如公开号为cn106017264a的中国发明专利提出了一种用于轻量化车身生产线的机器人自标定方法，该方法将标定杆的上端通过过渡盘与机器人的六轴法兰固定连接，在所述标定杆的下端固定安装千分表支架，利用夹紧块将测量销固定安装在千分表支架的前端，将机器人设置在零位坐标上，通过测量获得测量销的前端面中心点在机器人坐标系中的坐标值，以所述坐标值作为千分表校零的零点位置；将千分表的顶针校准并将千分表归零后，利用夹具数模获得各标定点在车身夹具的坐标系中的坐标值；操作机器人获得各标定点在机器人坐标系中的坐标值；最后确立机器人的坐标原点与车身夹具的坐标原点之间的位置关系，利用所述位置关系获得机器人的坐标原点在所述车身夹具的坐标系中的坐标值，完成机器人自标定。

4、而公开号为cn113043264a的中国发明专利提出了一种一体化关节七轴机器人的零位标定方法，该方法首先将距离传感器和标定板安装在机器人上；调整机器人姿态进行第一次标定；再将机器人的第2、4、6轴分别转动相应角度，记录此时机器人的各轴关节值；调整机器人姿态，记录机器人处于机器人姿态的对称姿态的各轴关节值y7；计算机器人各轴的角度差值，再取平均，得到机器人各轴的角度差的平均值，将机器人各轴的角度差的平均值作为误差对机器人的姿态进行补正，再进行第二标定，即完成标定。

5、然而，结合图7所示，机器人的工作空间主要是通过机器人机座坐标系进行定义的。首先将工作空间内的某坐标点位姿转换到机器人机座坐标系下。然后通过运动控制器中的名义d-h参数进行运动学求解将其转换到关节坐标系下，即可获得每个关节的转角。最后控制器再发送关节指令来控制每个电机旋转相应的转角，使机器人末端运动到指定坐标点位姿。但在该过程中由于实际d-h参数与名义d-h参数存在偏差，导致计算所得到的关节角度令机器人末端无法到达指定目标点。

6、现有技术存在如下问题：（1）机器人自标定仍需借助千分表或距离传感器，标定成本高；（2）尚未解决机器人运动学误差的问题，导致获取的机器人运动学参数精度有限。

技术实现思路

1、本发明的发明目的是提供一种机器人自标定装置及方法，以达到利用自标定装置能够低成本地获取机器人的实际参数的目的。

2、为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

3、一种机器人自标定装置，包括机器人和与机器人连接的控制系统，所述机器人包括机器人末端，还包括设置有多个孔位的标定板，所述标定板通过孔位与机器人末端配合；

4、所述机器人末端导入至孔位底部平面形成限制机器人末端移动及末端轴旋转的限制位，获取基于标定板机械结构的实际位姿；

5、基于限制位的机器人关节角度获取机器人的名义位姿， 求解名义位姿与实际位姿最小误差实现机器人自标定。

6、所述控制系统优选包括机器人控制箱和计算机系统的主控；

7、所述标定板安装有四个把手便于搬运，通过把手将标定板固定在平台位置或工作区域。

8、本发明提供的机器人自标定装置通过机器人关节角度计算得到的机器人名义位姿，比较名义位姿与基于标定板机械结构的实际位姿之间的误差，从而建立相应的目标函数，寻找一组近似解使得名义位姿与实际位姿误差达到最小，从而获得机器人的实际参数，提高机器人末端的定位精度。

9、在上述的一种机器人自标定装置中，所述孔位的底部设置有定位销，所述机器人末端设置有与定位销配合以限制机器人末端自由度的末端销孔；

10、所述孔位的深度与机器人末端相配合。

11、标定板上的孔位与机器人末端配合，孔位深度满足机器人末端导入；孔位底部设置有定位销与机器人末端执行器上的末端销孔配合，能限制机器人末端移动及末端轴旋转。

12、所述机器人通过内六角螺钉以及定位销安装于标定板上；由机械加工图纸可以确定每个孔位底部中心坐标相对于机器人机座坐标系的实际位置，同时可以得到孔位底部的定位销相对于孔位底部中心坐标系的偏转角，以便于确定机器人末端坐标系方向。

13、在上述的一种机器人自标定装置中，所述机器人设置有腕部关节与机座关节，所述腕部关节与机座关节组成单个孔位的两种机器人构型；

14、所述标定板的多个孔位分布均匀且孔径一致，该标定板包括机器人工作区域段和机器人工作区域边缘段。

15、在机器人末端同一位置情况下，机器人机座关节与腕部关节旋转180度可能得出另外一个末端位置相同的机器人关节角度构型。

16、本发明在机器人标定过程中提供了较大的关节角度变化，为机器人运动学标定提供了数据样本量，从而有效地辨识出机器人的实际参数。

17、一种机器人自标定装置的方法，包括以下步骤：

18、s100 机器人安装在标定板的相应位置并固定；

19、s200利用拖动示教方式，让机器人末端顺利导入孔位内限制其末端自由度，并记录此状态下的关节角度；

20、s300 通过调整机器人构型和在机器人工作区域内选点，保证机器人逆运动学求解存在多种解；

21、s400对于标定板上的孔位，利用机器人拖动示教进行多组实验，并记录相应的关节角度；

22、s500将机器人末端名义位姿与基于标定板机械结构的实际位姿比较误差，对机器人运动学参数进行标定。

23、本发明利用机器人拖动示教功能，让机器人末端顺利导入标定板上的孔位，保证末端销孔与孔位底部的定位销配合，限制机器人末端的自由度包括位移和旋转；通过计算机与机器人数据连接，实时获取机器人实际关节角度并记录保留；将机器人末端进行依次标定配合，采集数据并记录对应的关节角度，为后续机器人参数误差模型提供数据来源；最后将机器人末端名义位姿与基于标定板机械结构的实际位姿比较误差，对机器人运动学参数进行标定。

24、本发明只需要利用低成本标定板就可以完成机器人运动学参数标定。这为机器人生产厂商对机器人进行参数标定提供了一种有效的解决方案，具有广泛的应用领域和应用前景。

25、在上述的一种机器人自标定装置的方法中，所述步骤s100中包括，在机器人机座中心建立机座坐标系，在机器人末端中心建立末端坐标系；

26、所述步骤s200中包括，建立孔位底部中心坐标系，机器人末端平面与孔位底部平面接触，得到机器人末端中心坐标系与孔位底部中心坐标系重合一致，通过计算机与机器人数据连接，实时获取机器人实际关节角度并记录保留。

27、所述步骤s200中，利于机器人拖动示教功能，让机器人末端顺利导入标定板上的孔位，保证末端销孔与孔位底部的定位销配合，限制机器人末端的自由度包括位移和旋转；孔位底部中心坐标系原点与定位销的延长线方向为孔位底部中心坐标系的y轴正方向，这与末端销孔位置相对于末端坐标系y轴正方向相同；同时保证机器人末端平面与孔位底部平面接触，得到机器人末端中心坐标系与孔位底部中心坐标系重合一致；通过计算机与机器人数据连接，实时获取机器人实际关节角度并记录保留。

28、在上述的一种机器人自标定装置的方法中，所述步骤s300中包括，机器人对于每个孔位都存在两种构型，即机座关节与腕部关节进行180度旋转得到另一种构型。

29、所述步骤s300中，由于机器人逆运动学求解存在多种解，在机器人末端同一位置情况下，机器人机座关节与腕部关节旋转180度可能得出另外一个末端位置相同的机器人构型；在机器人标定过程中提供了较大的关节角度变化，为机器人运动学标定提供了数据样本量，能有效地辨识出机器人的实际参数。

30、在上述的一种机器人自标定装置的方法中，所述步骤s500中包括，

31、s501建立机器人机座坐标系、机器人末端坐标系以及标定板上每个孔位底部中心坐标系；

32、s502对机器人运动学建模，此时机器人运动学参数均为名义参数；

33、s503通过机械结构计算得到孔位的中心坐标系相对于机座坐标系的实际位姿，同时求解机器人关节角度对应的机器人末端名义位姿，将上述实际位姿与名义位姿带入机器人运动学误差模型中进行数学求解，获得机器人的实际参数。

34、所述步骤s503中，孔位底部中心坐标系的z轴正方向是垂直于孔位底部向下，孔位底部中心坐标系的y轴正方向是孔位中心坐标系原定与定位销连线的方向，孔位底部中心坐标系的x轴方向根据右手螺旋法则可以确定。

35、在上述的一种机器人自标定装置的方法中，所述步骤s502中包括机器人运动学建模和建立机器人运动学误差模型；

36、所述机器人运动学建模包括：对于机器人运动学，随机给定六个旋转关节对应的旋转角度，即一组机器人关节角度，可以获得机器人末端坐标系相对于机座坐标系的位姿为：

37、（1）；

38、所述建立机器人运动学误差模型包括：

39、由式（1）可以获得机器人末端坐标系相对于机器人机座坐标系的位姿：

40、  （2）；

41、式中，函数表示机器人正运动学即；向量表示六自由度机器人实际的24个d-h参数，即：

42、 （3）；

43、获得机器人的名义d-h参数，将名义d-h参数带入式（2）中得到机器人末端坐标系相对于机器人机座坐标系的名义位姿：

44、  （4）；

45、考虑d-h参数中存在的误差，将机器人的正运动学改写为：

46、 （5）；

47、式中，表示六自由度机器人的d-h参数误差，即：

48、 （6）。

49、在上述的一种机器人自标定装置的方法中，所述步骤s503中还包括，将计算得到的机器人末端名义位姿与机器人末端实际位姿比较误差，进行机器人在不同姿态下使用标定板进行测量的多组实验并记录每个末端点对应的机器人关节角度，建立相应的目标函数，寻找一组近似解使得名义位姿与实际位姿误差达到最小，从而获取机器人的实际参数。

50、在上述的一种机器人自标定装置的方法中，所述步骤s503中，

51、通过机械结构计算得到孔位的中心坐标系相对于机座坐标系的实际位姿：

52、  （7）

53、其中，角度是绕孔位中心坐标系的z轴顺时针旋转的角度；、和分别孔位中心坐标系的原点相对于机座坐标系的位置坐标；

54、当机器人末端与孔位底面接触时，可以得到机器人末端坐标系相对于机座坐标系的实际位姿等于孔位中心坐标系相对于机座坐标系的位姿关系，即：

55、 （8）

56、将计算得到的机器人末端名义位姿与机器人实际位姿比较误差，建立相应的目标函数，寻找一组近似解使得名义位姿与实际位姿误差达到最小。

57、在上述的一种机器人自标定装置的方法中，所述步骤s503中，假设进行 k组机器人在不同姿态下使用标定板进行测量的实验，则 k组实验存在以下关系式：

58、  （9）

59、采用非线性迭代最小二乘算法使得目标函数中的误差趋向于零：

60、（10）。

61、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

62、（1）本发明只需要利用低成本标定板就可以完成机器人运动学参数标定。这为机器人生产厂商对机器人进行参数标定提供了一种有效的解决方案，具有广泛的应用领域和应用前景。

63、（2）本发明将计算得到的机器人末端名义位姿与实际位姿比较误差，建立相应的目标函数，采用非线性迭代最小二乘算法使得目标函数中的误差趋向于零，从而获得机器人的实际参数，提高机器人末端的定位精度。