专利名称：基于间接测量法的高精度制孔机器人的工具参数标定方法
技术领域：
本发明涉及一种基于间接测量法的高精度制孔机器人的工具参数标定方法，属于工业机器人标定技术领域。
背景技术：
近年来随着工业机器人技术的发展，以及飞机制造业对自动化、柔性化装配的迫切需求。在飞机的制造过程中用工业机器人进行自动柔性装配、部件加工如钻铆、喷漆、焊接等可以极大提高飞机生产的效率和质量的可靠性。在实际应用中，机器人是通过在末端安装不同的工具来完成各种工作。通常在作业之前需要对工具参数进行标定，工具参数的准确度对机器人的定位精度、轨迹精度都具有直接的影响。特别地当机器人由于误动作发生碰撞、刀具磨损后需要换刀时都需要重新对工具参数进行标定。所以，研究一种精确、便捷的工具坐标系标定方法就具有重要的意义。在已有的文献中，文献“Wang Xuguang, Edward Red. Robotic TCF and Rigid-body Calibration Methods[J]. Robotica, 1997, 15:633-644. ”提出的标定方法中规定工具是轴对称的回转体以及需要保证安装工具时其轴线同机器人末端关节轴线重合或平行，这些在实际操作中往往难以满足且在其方法中有些是示教无法精确作到的，因此会在标定结果中引入较大误差。文献“李瑞峰，侯琳琪，陶谦.机器人末端工具参数自动标定方法[J].哈尔滨工业大学学报，1998,30:74-76. ”提出的三种标定方法中，规定了工具原点只能在末端关节坐标系的某个坐标平面上，即位置参数只有两个。文献“牛雪娟，刘景泰.基于奇异值分解的机器人工具坐标系标定[J].自动化与仪表，2008，3:1-4. ”提出一种称为三点五步法的机器人工具参数标定方法，可以同时标定工具参数的位置参数和姿态参数，但是在标定过程中有些是示教方式无法精确作到的，这样尽管采用了最小二乘优化方法但是其标定结果还是会有较大误差，不适用于对于精度要求很高的应用场合。上述的这些方法大多需要利用一定的外部标定工具且在标定过程中需要较多的人为参与从而会引入较大的误差较难适应对精度要求特别高的场合。
发明内容
本发明为提高工业机器人的工具参数标定精度，针对现有技术存在的不足，而提出一种基于间接测量法的高精度制孔机器人的工具参数标定方法。该方法包括如下步骤
步骤I:利用激光跟踪仪建立机器人坐标系；
步骤2 :建立机器人末端手腕坐标系；
步骤3 :在机器人末端制孔执行装置上选一固定点作为TCP1并借助激光跟踪仪对TCP1 的参数进行标定；
步骤4 :调整机器人姿态使末端制孔执行装置的压力脚与固定在型架上的标定平板距离合适，并使刀具轴线与标定平板垂直；步骤5 :用激光跟踪仪测量TCP1的位置及标定平板的平面法向；
步骤6 :在标定平板上钻孔，测量标定平板表面孔的中心点位置作为TCP2的位置；
步骤7 :运用机器人运动学模型求解出虚拟刀尖点即TCP2的标定参数矩阵。本发明方法在标定过程中共涉及到两个TCP (Tool Center Point,工具中心点)， 其中一个1^^可以通过直接测量的手段来进行标定，另一个TCP2因为是刀具轴线上的虚拟刀尖点无法通过直接测量的手段来标定。本发明具有如下技术效果
O避免了传统机器人工具参数标定过程中的对尖等精确性不高的环节，从而提高了标定精度。2)本方法提出了虚拟刀尖点的概念，使提出的标定方法适用于不同规格的刀具， 从而提高了方法的适用范围。3)采用在标定平板上钻孔的方式将虚拟刀尖点的位姿固定下来，解决了虚拟刀尖点无法测量的问题。4)整个标定过程可以编制成程序固定下来，即使生产任务发生改变也可以通过修改相应的程序参数来适应，从而方便地在工业现场进行应用。
图I为末端手腕坐标系的建立示意图。图2为TCP间位姿关系示意图。
具体实施例方式本发明基于间接测量法的高精度制孔机器人的工具参数标定方法的步骤如下 步骤I:利用激光跟踪仪建立机器人坐标系；
建立激光跟踪仪与机器人基坐标系之间关联的步骤为
1)将球形固定反射器SMR固定在末端执行器的TCP上，且保持A2到A6轴的位置(角度)固定不变，通过旋转Al轴，用FARO激光跟踪仪测量一系列位于圆周上的点；
2)利用FARO自带的CAM2Measure软件，将步骤I)得到的测量点依次拟合出一个平面和一个圆，从而得到圆心的理论坐标；
3)测量机器人底座平面上的一系列点并拟合出一个平面，再对该平面做偏移量为SMR 半径的偏移；
4)把步骤2)中得到的圆心投影到步骤3)偏移得到的平面中，得到机器人的原点位
置；
5)测量机器人处于零点位置时机器人法兰盘上两个水平对称的安装孔，然后算出这两个测量点的中点，再把所得中点向步骤3)中得到的偏移平面做投影，得到处于Z轴上的
■~* 占.
6)从机器人机械零点开始按逆时针方向旋转Al轴(小于90度的任意值)并测量，再把该点向步骤3)中得到的偏移平面做投影，得到处于+iT平面上的一点；
7)利用原点以及步骤5)和6)得到的两点构造出坐标系，该坐标系即为机器人坐标
系ο
步骤2 :建立机器人末端手腕坐标系；
如图I所示，控制机器人回到机械零点位置，通过测量机器人末端法兰盘上6个定位孔来拟合一个平面并偏移SMR球的半径作为法兰平面，然后将测量的6个定位孔对应的点投影到法兰平面上用它们来拟合一个圆，则该圆的圆心即为法兰盘坐标系的原点。这样通过原点、点5和6的中点和点4这三点建立的坐标系即为机器人末端手腕坐标系。步骤3 :在机器人末端制孔执行装置上选一固定点作为TCP1并借助激光跟踪仪对 TCP1的参数进行标定；
把末端制孔执行装置安装到机器人末端法兰上，并将用来安放靶标球的磁铁底座固定在末端执行装置的一个固定点上。控制机器人回到机械零点位置，并将靶标球放置在磁铁底座上，此时用激光跟踪仪测得的靶标球的中心点相对于末端坐标系的坐标值即为TCP1工具参数的位置参数。对于姿态参数只需要选取一个使机器人末端制孔执行机构处于一个合适的加工姿态就可以了，不需要做精确地定义。步骤4:调整机器人姿态使末端制孔执行装置的刀具轴线与标定平板垂直，并测量标定平板的平面法向；
具体的步骤为
1)将标定平板固定在机器人包络空间范围内的型架上，并控制机器人使末端制孔执行机构的刀具轴线大体与标定平板垂直；
2)在标定平板上选取预制孔附近的若干点，一般不少于30点，用激光跟踪仪及其自带的CAM2软件拟合出标定平板平面并得到平板的法向；
3)通过步骤2)中得到的标定平板的法向信息，利用机器人自动制孔系统的带有4个激光位移传感器的法向找正模块对机器人姿态进行微调，使刀具轴线与标定板精确垂直；
步骤5 :用激光跟踪仪测量TCP1的位置；
得到TCP1的位置参数后，因为规定法向找正后TCP的X轴方向是和标定平板的法向是重合的，所以通过RPY (滚动角、俯仰角、偏航角)变换可以很容易得到在基座标中TCP的姿态。步骤6 :在标定板上钻孔，测量标定平板表面孔的中心点位置作为TCP2的位置； 得到TCP2的位置参数后，因为规定TCP1和TCP2的姿态始终是相同的，所以此时也很容
易得到TCP2的姿态。TCP间位姿关系如图2所示。步骤7 :运用机器人运动学模型求解出虚拟刀尖点即TCP2的标定参数矩阵。在确定了 TCP1相对于机器人末端手腕坐标系的位置分量和姿态分量后对于机器人处于任一姿态有
权利要求
1.一种基于间接测量法的高精度制孔机器人的工具参数标定方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤I:利用激光跟踪仪建立机器人坐标系；步骤2 :建立机器人末端手腕坐标系；步骤3 :在机器人末端制孔执行装置上选一固定点作为TCP1并借助激光跟踪仪对TCP1 的参数进行标定；步骤4 :调整机器人姿态使末端制孔执行装置的压力脚与固定在型架上的标定平板距离合适，并使刀具轴线与标定平板垂直；步骤5 :用激光跟踪仪测量TCP1的位置及标定平板的平面法向；步骤6 :在标定平板上钻孔，测量标定平板表面孔的中心点位置作为TCP2的位置；步骤7 :运用机器人运动学模型求解出虚拟刀尖点即TCP2的标定参数矩阵。
2.根据权利要求I所述的基于间接测量法的高精度制孔机器人的工具参数标定方法， 其特征在于所述步骤3中在标定TCP1时其位置参数是通过测量获得的，其姿态参数是人为指定的。
3.根据权利要求I所述的基于间接测量法的高精度制孔机器人的工具参数标定方法， 其特征在于所述步骤5中，定义TCP1上坐标系X轴与标定平板的平面法向方向是重合的。
4.根据权利要求I所述的基于间接测量法的高精度制孔机器人的工具参数标定方法， 其特征在于所述步骤6中，定义TCP2的姿态参数与TCP1是一致的。
全文摘要
本发明公开了一种基于间接测量法的高精度制孔机器人的工具参数标定方法，该方法共涉及两个TCP，其中一个TCP可以通过直接测量来确定，另一个TCP则是制孔装置刀具轴线上的虚拟刀尖点。主要思想是通过控制机器人末端到达一定的位姿后在标定平板上钻孔从而将虚拟刀尖点的位姿固定下来，再运用机器人运动学模型来确定虚拟刀尖点的参数。该发明避免了传统机器人工具参数标定过程中的对尖等精确性不容易保证的环节，从而提高了标定精度；提高了方法的适用范围；解决了虚拟刀尖点无法测量的问题；整个标定过程可以编制成程序固定下来，即使生产任务发生改变也可以通过修改相应的程序参数来适应，从而方便地在工业现场进行应用。
文档编号B23Q17/24GK102601684SQ201210097988
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者周卫雪, 周炜, 廖文和, 沈建新, 田威, 贺美华 申请人:南京航空航天大学