一种用于工业机器人热形变误差补偿的测量装置及方法与流程

本发明涉及工业机器人标定技术领域,具体为一种用于工业机器人热形变误差补偿的测量装置及方法。

背景技术：

随着机器人技术的发展，工业机器人逐渐在焊接、切削、装配等领域得到越来越广泛的应用。通过安装不同的末端工具，工业机器人能够完成多种作业任务。但随着工业机器人的持续运行，因环境温度变化、伺服电机散热、关节摩擦等都会导致工业机器人定位精度的下降，无法满足当前的作业任务需求,其主要原因是温度引起连杆与关节的热形变，从而导致机器人几何参数的变化，这也是影响工业机器人精度的主要因素。

目前针对工业机器人的热形变误差补偿的方法主要分为两类：(1)基于前期的实验测试数据，利用人工神经网络等技术建立工业机器人的热形变误差修正模型，根据该模型实现热形变误差的补偿；(2)利用人工周期性地完成机器人参数标定，重新修正工业机器人的几何参数，以此提高工业机器人的作业精度。但第一类方法会较大程度地受前期修正模型的建模精度影响，同时未能充分考虑其他未知影响因素。第二类方法离线地周期性标定会耗费大量的人力资源，较大程度地降低生产线的产能。目前也存在一些如基于视觉的机器人几何参数周期性标定方法，但该方法受环境光的影响较大。因此，亟待提出一种用于工业机器人热形变误差的快速在线检测装置及补偿方法，既能够保证工业机器人的误差补偿精度，又可以提高工业机器人生产线的自动化程度。

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技术缺陷和不足，提供一种用于工业机器人热形变误差补偿的测量装置，以及基于所述测量装置的标定方法，该测量装置及方法能够实现工业机器人运动学参数的准确辨识，提升工业机器人的末端定位精度。

为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：

一种用于工业机器人热形变误差补偿的测量装置，其特征在于，机器人末端检测球装置与机器人末端定位检测装置；

所述机器人末端检测球装置由连接件和检测球构成，所述连接件包括一法兰盘和一连接杆，连接杆的一端与检测球固定连接，另一端与法兰盘固定连接，连接件通过其法兰盘与工业机器人的末端法兰盘固定连接；

所述机器人末端定位检测装置包括安装支架、传感器安装底盘和由四个以上的激光测距传感器组成的激光测距传感器组，所述激光测距传感器组安装在传感器安装底盘上，组内的激光测距传感器在传感器安装底盘上围成一圈，均匀分布，且位于同一测量平面上，激光发射方向均朝向传感器安装底盘的内侧，且与所述测量平面的夹角均为45°；所述测量平面与工业机器人基坐标系的xoy平面平行，各个激光测距传感器分别与机器人控制器连接，进行数据通信；所述传感器安装底盘则固定安装在安装支架顶部。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

所述传感器安装底盘设有圆形的盘体，盘体周侧设有向上凸起的外沿，所述外沿设有均匀分布的若干固定槽，所述固定槽的数量不少于激光测距传感器的数量，由开设在外沿上的斜切口构成，用于安装所述激光测距传感器。

所述盘体的上表面与机器人末端定位检测装置的测量平面平行，所述斜切口的底面与盘体上表面的夹角为45°。

所述检测球的加工精度应满足球面上任一点到球心的距离误差不大于0.01mm。

作为优选，所述激光测距传感器的数量设计为6个，以60°的圆心夹角均匀分布在传感器安装底盘上。

一种基于如上所述测量装置的机器人热形变误差标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将机器人末端检测球装置安装在经过精度校准后的工业机器人的末端，将机器人末端定位检测装置设置在工业机器人的一侧，将工业机器人固定安装在生产线上；

通过人工示教的方法，将机器人末端检测球装置移动至机器人末端定位检测装置的检测范围内，使激光测距传感器组内的各个激光测距传感器均能够测量到所述检测球，并获取工业机器人的基坐标系φb与机器人末端定位检测装置的测量坐标系φm之间的转换矩阵^mrb，以及检测球球心坐标到工业机器人末端法兰盘坐标的转换矩阵rt，并将此时末端法兰盘在工业机器人基坐标系下的位置记为默认工具坐标点的名义位置pnj；

步骤2：经过一段时间的运行后，控制工业机器人按照人工示教的位姿进入到机器人末端定位检测装置的检测范围内，判断工业机器人的定位精度能否满足生产要求，若不满足，则进入以下步骤；

步骤:3：变换工业机器人的末端位姿，通过控制工业机器人，使机器人末端检测球装置处于末端定位检测装置的检测范围内，即各个激光测距传感器均能够检测到所述检测球；

步骤4：将各个激光测距传感器的测量数据分别记为li(i＝1,2,…,n；n≥4)，建立每个激光测距传感器的局部坐标系φi(i＝1,2,…,n；n≥4)，根据传感器安装底盘的结构参数，获得该局部坐标系φi与机器人末端定位检测装置的测量坐标系φm的转换矩阵^mri；

步骤5：将检测球表面对应各激光测距传感器的测量点，在对应的局部坐标系φi下的坐标记为(i＝1,2,…,n；n≥4)，根据坐标系转换关系，将测量点的坐标转换至机器人末端定位检测装置的测量坐标系φm下，并记为pmi＝(xi，yi，zi)(i＝1,2,…,n；n≥4)；

步骤6：设pr＝(xr,yr,zr)为检测球球心在机器人末端定位检测装置的测量坐标系φm下的坐标，利用pmi＝(xi，yi，zi)(i＝1,2,…,n；n≥4)，可以得到n个球心距离公式，(xi-xr)²+(yi-yr)²+(zi-zr)²＝r²(i＝1,2,…,n；n≥4)；

步骤7：步骤6中的n个球心距离公式仅有三个未知参数，构成了超定方程组，利用最小二乘法可以计算出检测球(302)的球心在机器人末端定位检测装置测量坐标系φm下的坐标pr；

根据步骤1中的两个转换矩阵^mrb和rt，利用pr计算得到此时末端法兰盘在工业机器人基坐标系下的坐标，记为默认工具坐标点的位置pj，已知工业机器人基坐标系下默认工具坐标点的名义位置为pnj，可得工业机器人的定位误差δp＝pj-pnj，记录δp和工业机器人各关节的空间坐标；

步骤8：重复执行步骤3至步骤7，使步骤3至步骤7的执行次数不少30次；

步骤9：将通过上述步骤获得所有δp和与之对应的各关节空间坐标，带入工业机器人的位置误差模型中，利用最小二乘法计算得到校准后的工业机器人的运动学参数，将该运动学参数更新至机器人控制器的控制模块中，实现对工业机器人热形变误差的补偿。

进一步的，步骤9中，所述工业机器人位置误差模型基于mdh模型的参数法建立，位置误差模型公式如下：

d＝jθδθ+jaδa+jαδα+jdδd+jβδβ

上式中：

d表示工业机器人末端的定位误差，即δp；

δθ＝[δθ1δθ2…δθm]

δα＝[δα1δα2…δαm]

δa＝[δa1δa2…δam]

δd＝[δd1δa2…δam]

δβ＝[δβ1δβ2…δβm]

所述mdh模型中，工业机器人相邻两关节间的坐标系关系用四个参数描述，分别为关节转角θk、连杆扭角αk、连杆长度ak和关节距离dk，参数βk是相邻两关节轴zk-1和zk在平行于轴xk和zk的平面上的夹角；

k为关节的标号，k＝1，2…m，m为正整数；

方括号中的各δθk、δαk、δak、δdk、δβk分别为上述的五个参数的几何参量误差；

δθ、δα、δa、δd、δβ分别为各关节上述参数几何参量误差的集合；

jθja、jα、jd、jβ为对应的雅克比矩阵；

作为优选方案，步骤2至步骤6的执行次数一般设置为50次。

在工业机器人的工作过程中，周期性的执行步骤2，即每隔一段时间对工业机器人进行误差标定一次，以维持工业机器人的作业精度。

有益效果：

1)本发明用于工业机器人热形变误差补偿的测量装置，相比于视觉测量系统，此装置不受环境光的影响，具有较好的测量精度、稳定性和较低价格；相比于激光跟踪仪等测量设备，可以降低系统的造价较低；与专利201610351194.9中的标定装置相比，降低了对机器人运动的依赖性，两个装置具有相同的价格，但是本申请测量装置的测量精度相对较高。

2)本发明基于所述测量装置的机器人热形变误差标定方法，通过激光测距传感器高精度地检测工业机器人的末端误差，和对误差标定程序的优化设计，实现了对工业机器人运动学参数误差的准确辨识，提升工业机器人的末端定位精度，可进一步减少工业机器人停机维护时间，提升生产线的自动化程度。

附图说明

图1是本发明热形变误差补偿的测量装置的安装示意图；

图2是本发明的机器人末端检测球装置的示意图；

图3是本发明的机器人末端定位检测装置结构图；

图4是本发明的传感器安装底盘的结构图；

图5是本发明的传感器安装支架示意图；

图6是本发明的机器人末端定位检测示意图；

图7是本发明的机器人末端定位计算示意图。

具体实施方式

为了进一步阐明本发明的工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的介绍。

实施例一：

如图1至图6所示的一种用于工业机器人热形变误差补偿的测量装置，包括机器人末端检测球装置3与机器人末端定位检测装置4等组成部分。本实施例中，所述机器人末端定位检测装置4与工业机器人2均设置在水平面上，使机器人末端定位检测装置4的测量平面与工业机器人2基坐标系的xoy平面平行

所述机器人末端检测球装置3由连接件301和检测球302构成，所述连接件301包括一法兰盘和一连接杆，连接杆的一端与检测球302固定连接，另一端与法兰盘固定连接，连接件301通过其法兰盘与工业机器人的末端法兰盘固定连接。检测球302球面的加工精度应优于0.01mm，即球面上任一点到球心的距离误差不大于0.01mm。

所述机器人末端定位检测装置4包括安装支架401、传感器安装底盘402和六个激光测距传感器403、404、405、406、407、408(激光测距传感器少于四个会存在误差)。所述传感器安装底盘402设有圆形的盘体，盘体周侧设有向上凸起的外沿，所述外沿设有均匀分布的六个固定槽，所述固定槽由开设在外沿上的斜切口构成，用于安装激光测距传感器。六个激光测距传感器围成一圈，均匀地分布在传感器安装底盘402上，且倾斜角均为45°(斜切口的底面与所述基盘平面的夹角为45°)，六个激光测距传感器分别通过rs-485总线与机器人控制器1连接，进行数据通信。而传感器安装底盘402通过位于其盘体中心的四个安装孔配合锁紧装置固定在安装支架401的顶部。

利用上述测量装置对工业机器人进行热形变误差补偿的工作原理为，首先，将经过精度校准后(即尚未产生热形变，精度满足作业要求)的工业机器人2，通过人工示教方法，将安装在工业机器人2末端的机器人末端检测球装置3移动至机器人末端定位检测装置4的检测范围内，使得六个激光测距传感器403、404、405、406、407、408均能够测量到检测球302，并且各个激光测距传感器403、404、405、406、407、408的数值大致相等；当工业机器人2工作连续工作一段时间后，即可能产生热形变时，可以根据初始人工示教的位姿周期性地进入机器人末端定位检测装置4的检测范围，判断工业机器人2的定位精度是否能够满足生产要求，若不满足，则进入误差标定的程序步骤。

实施例二：

在实施例一的基础上，以六关节工业机器人为例，本实施例利用实施例一测量装置对六关节工业机器人进行热变形的误差标定，具体过程如下：

一种基于如上所述测量装置的机器人热形变误差标定方法，包括以下步骤：

步骤1：将机器人末端检测球装置3安装在经过精度校准后的工业机器人2的末端，将机器人末端定位检测装置4设置在工业机器人2的一侧，将工业机器人2固定安装在生产线上；

通过人工示教的方法，将机器人末端检测球装置3移动至机器人末端定位检测装置4的检测范围内，使激光测距传感器组内的各个激光测距传感器均能够测量到所述检测球302，并获取工业机器人2的基坐标系φb与机器人末端定位检测装置4的测量坐标系φm之间的转换矩阵^mrb，以及检测球302球心坐标到工业机器人2末端法兰盘坐标的转换矩阵rt，并将此时末端法兰盘在工业机器人基坐标系下的位置记为默认工具坐标点的名义位置pnj；

步骤2：经过一段时间的运行后，控制工业机器人2按照人工示教的位姿进入到机器人末端定位检测装置4的检测范围内，判断工业机器人2的定位精度能否满足生产要求，若不满足，则进入以下步骤；

步骤3：变换工业机器人的末端位姿，通过控制工业机器人2，使机器人末端检测球装置3处于末端定位检测装置4的检测范围内，即各个激光测距传感器均能够检测到所述检测球302；

步骤4：将各个激光测距传感器的测量数据分别记为li(i＝1,2,…,6)，建立每个激光测距传感器的局部坐标系φi(i＝1,2,…,6)，根据传感器安装底盘402的结构参数，获得该局部坐标系φi与机器人末端定位检测装置4的测量坐标系φm的转换矩阵为^mri；

步骤5：将各个激光测距传感器射在检测球302表面上的各测量点，在局部坐标系φi下的坐标记为(i＝1,2,…,6)，根据坐标系转换关系，将测量点的坐标转换至机器人末端定位检测装置4的测量坐标系φm下，并记为pmi＝(xi，yi，zi)(i＝1,2,…,6)；

步骤6：设pr＝(xr,yr,zr)为检测球302球心在机器人末端定位检测装置4的测量坐标系φm下的坐标，利用pmi＝(xi，yi，zi)(i＝1,2,…,6)，可以得到6个球心距离公式，(xi-xr)²+(yi-yr)²+(zi-zr)²＝r²(i＝1,2,…,6)；

步骤7：步骤6中的六个球心距离公式仅有三个未知参数，构成了超定方程组，利用最小二乘法可以计算出检测球302的球心在机器人末端定位检测装置4测量坐标系φm下的坐标pr；

根据步骤1中的两个转换矩阵^mrb和rt，利用pr计算得到此时末端法兰盘在工业机器人基坐标系下的坐标，记为默认工具坐标点的位置pj，已知工业机器人2基坐标系下默认工具坐标点的名义位置为pnj，可得工业机器人2的定位误差δp＝pj-pnj，记录δp和工业机器人2各关节的空间坐标；

步骤8：重复执行步骤3至步骤7，且执行次数不少30次，一般可取50次；

步骤9：基于mdh模型参数法建立位置误差模型如下：

d＝jθδθ+jaδa+jαδα+jdδd+jβδβ

上式中：

d表示工业机器人末端的定位误差，即δp；

δθ＝[δθ1δθ2…δθ6]

δα＝[δα1δα2…δα6]

δa＝[δa1δa2…δa6]

δd＝[δd1δa2…δa6]

δβ＝[δβ1δβ2…δβ6]

所述mdh模型中，工业机器人相邻两关节间的坐标系关系用四个参数描述，分别为关节转角θk、连杆扭角αk、连杆长度ak和关节距离dk，参数βk是相邻两关节轴zk-1和zk在平行于轴xk和zk的平面上的夹角，k为关节的标号，本实施例中，k＝1，2…6。

方括号中的δθk、δαk、δak、δdk、δβk分别为对应第k个关节的上述五个参数的几何参量误差；δθ、δα、δa、δd、δβ则分别为各关节上述参数几何参量误差的集合。

jθja、jα、jd、jβ为对应的雅克比矩阵；

将步骤7获得所有δp和与之对应的各关节空间坐标，带入工业机器人的位置误差模型中，利用最小二乘法计算得到相对准确的工业机器人2的运动学参数，将该运动学参数更新至机器人控制器1的控制模块中，实现对工业机器人2热形变误差的补偿。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。