一种用于六自由度机械臂的精度标定和验证方法

技术领域：

本发明属于机器人控制标定领域，具体涉及工业自动化软件控制技术领域，尤其涉及一种用于六自由度机械臂的精度标定和验证方法。

背景技术：

传统的标定方法需要协同操作机械臂和标定设备，存在设备昂贵、占地体积大以及标定效率较低、耗时长等问题。且常常需要专业的人员进行操作。并且需要使用配套的软件或使用第三方软件，例如robotdk，软件的采购价格高昂。

为此亟需一种高效易用的机器人标定方法。工业机器人的精度依赖对于机器人运动学参数的估计和辨识。机器人能够实现航空航天精密装配的先决条件是具有较高的位置精度，通常指精度达到正负0.5mm范围内。较为具体的，机器人在执行任务过程中，执行第一个目标位置的时候，绝对精度必须达到正负0.5mm。且在执行后续任务时，绝对定位精度必须能达到正负0.5mm。由于实际生产过程中，机器人与待加工物体配件的位置关系是可变和不确定的，仅有很高的重复定位精度不能满足实际要求。在某些与视觉系统协同工作的场景中，机器手需要抓取的目标位置有可能发生变化。为了提高机械臂局部工作区域与全局工作区域的精度，使用外部测量系统(例如激光跟踪仪)来记录机器人的运动，实现了机器人tcp的闭环反馈。但是布置机器人测量设备需要额外的空间，且在实际生产环境中，可能由于立柱、板件等阻挡，限制了机器人活动空间和激光跟踪仪的测量和装配空间。故在实际生产应用中，离线标定的使用更为广泛。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术不足而提出一种可以提高机器人运动学精度的标定和验证方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于六自由度机械臂的精度标定和验证方法，包括如下步骤：

(1)标定前准备：标定前安放机械臂和测量设备，满足环境要求；

(2)获取理论机器人工具坐标系：

21)使用磁性适配器，把激光跟踪仪靶球固定在机器人末端执行器尖端，通过调整靶球的朝向，保证测量全程中不改变靶球的位置，机械臂靶球的所有位置都被激光跟踪仪完全记录；

22)操作机器人第五、第六关节的运动，每运动1mm采样一次，激光跟踪仪记录下机器人所运动的点的轨迹，并对采集到的数据进行一系列的处理。

23)通过圆点分析法辨识出第五、第六关节的轴线，进一步建立机器人的坐标系；

(3)获取实际工具坐标系：

31)将靶球的磁性适配器取下；

32)操作机械臂，使得第五、第六关节回到原点，0度位置；

33)把靶球放在机器人实际六轴末端执行器尖端，使用激光跟踪仪测量靶球坐标；

34)把靶球放在机器人实际六轴法兰盘上，在法兰盘平板上一共放置3次，使用激光跟踪仪分别测量靶球坐标，建立参考平面；

35)根据激光跟踪仪测量结果，通过三个点的坐标，建立测量参考平面；将步骤33)中获得的靶球坐标向步骤34)获得的参考平面投影；投影得到的点即为机器人工具坐标系原点，故可以进一步获得机器人实际工具坐标系参考坐标系；

36)将得到的实际机器人工具坐标系传入机器人控制器；

(4)获取机器人基坐标系：对第一、第二关节使用圆点分析法来获取机器人基坐标系；

(5)定义标定用位姿：在选取标定位姿的过程中，采用选取目标工作位姿与通用位姿相结合的方式；

(6)执行运动学参数辨识：基于步骤(4)获取的机器人基坐标系，采用了mdh模型，对运动学参数进行标定；

(7)进行标定结果验证。

进一步的，所述步骤(1)包括以下步骤：

11)机械臂开机后首先在工作空间内运行一段时间，直到机械臂到达工作温度；机械臂与底座固接，从而保证在标定过程中，不因底座变形和位移给标定工作引入额外误差；

12)测量设备采用激光跟踪仪，在进行测量前，激光跟踪仪达到工作温度，从而保证测量精度；激光跟踪仪稳固的安放，且在测量全程与机器人的相对位置不能有任何改变；

13)放置于机器人末端的靶球必须与机器人末端执行器固接，且与机器人的末端执行器的位置尽可能靠近；且在测量过程中，必须能保证靶球能指向激光跟踪仪。

进一步的，所述步骤23)包括以下步骤：

231)获取工作坐标系的z轴：保持第五关节锁定，仅驱动第六关节，记录第六关节每次动作后机械臂完全停止稳定时靶球的坐标，记录完成后再次驱动第六关节动作，直至机械臂运行结束；将这些坐标轨迹拟合成圆形，故z轴线方向为通过圆心垂直于圆面的轴线方向；

232)获取工作坐标系的x轴：保持第六关节锁定，仅驱动第五关节；记录第五关节每次动作后机械臂完全停止稳定时靶球的坐标，记录完成后再次驱动第五关节动作，直至机械臂运行结束；将这些坐标轨迹拟合成圆形，将穿过圆心垂直圆面的轴线向第六关节轨迹拟合所成的圆面投影，获得的轴线方向定义为x轴；

233)获取y轴与坐标系原点，完成坐标系的建立：求取x轴和z轴相交的点为机器人工具坐标系的原点，y轴方向规定为与x、z轴坐标垂直；完成工具坐标系的建立。

进一步的，所述步骤(4)包括以下步骤：

41)获取基坐标系的z轴：首先保持其他关节锁定，仅转动第一关节，记录第一关节每次动作后机械臂完全停止稳定时靶球的坐标，记录完成后再次驱动第一关节动作，直至机械臂运行结束；将这些坐标轨迹拟合成圆形，故z轴线方向为通过圆心垂直于圆面的轴线方向；

42)获取基坐标系的x轴：保持其他关节锁定，仅驱动第二关节；记录第二关节每次动作后机械臂完全停止稳定时靶球的坐标，记录完成后再次驱动第二关节动作，直至机械臂运行结束；将这些坐标轨迹拟合成圆形，将穿过圆心垂直圆面的轴线向轴线方向定义为x轴；

43)获取y轴与坐标系原点，完成坐标系的建立：求取x轴和z轴相交的点为机器人基坐标系的原点，y轴方向规定为与x、z轴坐标垂直。

进一步的，在选取标定位姿的过程中，采用选取目标工作位姿与通用位姿相结合的方式，保证标定后机器人在工作空间中都能具有较高的精度，所述位姿在基坐标系的x轴的正方向上。

进一步的，所述步骤(6)中标定步骤为：

61)控制机器人依次执行步骤(5)所生成的位姿，并使用激光跟踪仪记录结果；

62)将结果输入标定软件进行计算，得出机器人真实的运动学参数；

63)将求解出的运动学参数输入机器人控制器中。

进一步的，所述步骤(7)包括以下步骤：

71)激光跟踪仪放置在测量光路不受外部环境阻挡且覆盖机器人整个工作空间的区域；

72)手动操作机械臂按照顺序移动到验证目标图形中p1、p2、p3点；

73)当机械臂到达p1、p2、p3后，通过激光跟踪仪可以测量出实际的机械臂末端执行器的实际位置；

74)通过p1、p2、p3三点建立新的局部坐标系；

75)以步骤74)新建的局部坐标系作为参考坐标系，操作机械臂依次移动到验证目标图形的每个验证点上；

76)在机械臂到达每一个验证点，使用激光跟踪仪记录下每个点的坐标位置；

77)在局部坐标系中，通过激光跟踪仪读取测量数据，将激光跟踪仪测量得到的两点坐标之间的距离与两个验证点之间的距离相减，来计算x,y,z方向的实际到达位置与理论值的偏差，并且记录；

78)平均误差的数值加上3倍的标准偏差作为机械臂的定位精度。

进一步的，所述验证目标图形为行间距和列间距相等，具有多行和多列的相同点列，其中每个点为一个验证点。

进一步的，所述p1、p2、p3点为验证目标图形中不共线的三个点，点与点之间距离确定，第一行取第一个点和最后一个点，最后一行取中间一个点。

有益效果

1.标定不再追求还原机器人真实运动学参数，而是追求在局部工作区域内，提高机器人的定位精度。

2.标定效果的验证直接可靠，通过建立局部坐标系，执行标定图案。直接验证可标定后机器人是否满足精度上的要求。并提出了能直接衡量标定效果定位精度的计算方法。

附图说明

图1为圆点分析法获取机器人理论工具座标系的示意图；

图2为获取六轴末端执行器尖端靶球坐标的示意图；

图3为获取机器人六轴法兰盘参考平面的示意图；

图4为用圆点分析法获取机器人基座标系的示意图；

图5为选取机器人标定位姿的示意图；

图6为验证标定结果所执行图案并且建立机器人局部坐标系的示意图；

图7为靶球与激光跟踪仪位置示意图。

具体实施方式：

一种用于六自由度机械臂的精度标定和验证方法，包括如下步骤：

(1)标定前准备：标定前安放机械臂和测量设备，满足环境要求；

11)机械臂开机后首先在工作空间内运行一段时间，直到机械臂到达工作温度；机械臂与底座固接，从而保证在标定过程中，不因底座变形和位移给标定工作引入额外误差；

12)测量设备采用激光跟踪仪，在进行测量前，激光跟踪仪达到工作温度，从而保证测量精度；激光跟踪仪稳固的安放，且在测量全程与机器人的相对位置不能有任何改变；

13)放置于机器人末端的靶球必须与机器人末端执行器固接，且与机器人的末端执行器的位置尽可能靠近；且在测量过程中，必须能保证靶球能指向激光跟踪仪。

(2)获取理论机器人工具坐标系：在进行机器人几何参数标定之前，必须先得到机器人的工具坐标系。使用磁性适配器底座，扩大了激光跟踪仪的测量范围，增大了激光跟踪仪的测量范围；辨识的过程是通过圆点分析法(cpa)辨识出每个关节的轴线，通过辨识出第五、第六关节的轴线，进一步建立机器人的坐标系；具体步骤如下。

21)使用磁性适配器，把激光跟踪仪靶球固定在机器人末端执行器尖端，通过调整靶球的朝向，保证测量全程中不改变靶球的位置，机械臂靶球的所有位置都被激光跟踪仪完全记录；此适配器的使用，克服了原先激光跟踪仪靶球入射光线范围有限的缺点，进一步提高了测量的范围。

22)为了减少误差，需要提高采样数量，操作机器人第五、第六关节的运动，每运动1mm采样一次。在此过程中，激光跟踪仪可记录下机器人所运动的点的轨迹，并对采集到的数据进行一系列的处理。

23)通过圆点分析法辨识出第五、第六关节的轴线，进一步建立机器人的坐标系；

231)获取工作坐标系的z轴：如图1所示，保持第五关节锁定，仅驱动第六关节，记录第六关节每次动作后机械臂完全停止稳定时靶球的坐标，记录完成后再次驱动第六关节动作，直至机械臂运行结束；将这些坐标轨迹拟合成圆形，故z轴线方向为通过圆心垂直于圆面的轴线方向；

232)获取工作坐标系的x轴：保持第六关节锁定，仅驱动第五关节；记录第五关节每次动作后机械臂完全停止稳定时靶球的坐标，记录完成后再次驱动第五关节动作，直至机械臂运行结束；将这些坐标轨迹拟合成圆形，将穿过圆心垂直圆面的轴线向第六关节轨迹拟合所成的圆面投影，获得的轴线方向定义为x轴；

233)获取y轴与坐标系原点，完成坐标系的建立：求取x轴和z轴相交的点为机器人工具坐标系的原点，y轴方向规定为与x、z轴坐标垂直；完成工具坐标系的建立。

(3)获取实际工具坐标系：由于增加了磁性适配器的原因，上述求解理论工具坐标系和机械臂实际工具坐标系之间存在一个偏移量。由于机械臂末端执行器法兰盘通常用于转接其他工具，故法兰盘平面是一个中心内凹的平面。但实际工具坐标系原点位于与法兰盘同一平面上的点。故采用如图2图3所示方案求解实际工具坐标系。

31)将靶球的磁性适配器取下；

32)操作机械臂，使得第五、第六关节回到原点，0度位置；

33)把靶球放在机器人实际六轴末端执行器尖端，使用激光跟踪仪测量靶球坐标；

34)把靶球放在机器人实际六轴法兰盘上，在法兰盘平板上一共放置3次，使用激光跟踪仪分别测量靶球坐标，建立参考平面；

35)根据激光跟踪仪测量结果，通过三个点的坐标，建立测量参考平面；将步骤33)中获得的靶球坐标向步骤34)获得的参考平面投影；投影得到的点即为机器人工具坐标系原点，故可以进一步获得机器人实际工具坐标系参考坐标系；

36)将得到的实际机器人工具坐标系传入机器人控制器；

(4)获取机器人基坐标系：如图4所示，辨识机器人基坐标系，后续将基坐标系用于测量的参考坐标系。辨识机器人基坐标系也是通过cpa方法来实现的，可以辨识机械臂的每一个关节的关节轴线的方向。对第一、第二关节使用cpa分析法。磁性底座被安放于机器人末端执行器上。激光靶球在测量全程，安放于磁性底座上。在测量的过程中必须保证靶球全程可被激光跟踪仪有效测量。；

41)获取基坐标系的z轴：首先保持其他关节锁定，仅转动第一关节，记录第一关节每次动作后机械臂完全停止稳定时靶球的坐标，记录完成后再次驱动第一关节动作，直至机械臂运行结束；将这些坐标轨迹拟合成圆形，故z轴线方向为通过圆心垂直于圆面的轴线方向；

42)获取基坐标系的x轴：保持其他关节锁定，仅驱动第二关节；记录第二关节每次动作后机械臂完全停止稳定时靶球的坐标，记录完成后再次驱动第二关节动作，直至机械臂运行结束；将这些坐标轨迹拟合成圆形，将穿过圆心垂直圆面的轴线向轴线方向定义为x轴；

43)获取y轴与坐标系原点，完成坐标系的建立：求取x轴和z轴相交的点为机器人基坐标系的原点，y轴方向规定为与x、z轴坐标垂直。

(5)定义标定用位形：在机器人实际的工作空间中，生成大量的位姿。必须合理的选取在机器人实际工作空间中的位姿，对于提高辨识效率与最终辨识精度有较大的影响。

现有的辨识方法的一个较大缺点是辨识结果会受到所生成的位姿的影响。目前的方法主要关注标定后的理想状态的精度而不是标定后的实际精度。所以，本发明专利中，我们按照如下的方式选择用于标定的位姿。

所选的位姿必须均匀分布于工作空间中，且需要考虑到在实际工作时所选用的不同形态和位姿。特别需要注意的是所需的位姿必须在基坐标系的x轴的正方向上，这是因为实际工作中，机器人总是正对工作空间。同时，在机器人前方整个区域内，也选取了一般的机器人位姿。虽然这些位姿并不在机器人的实际工作空间中，此操作是为了确保机器人辨识运动学参数不会出现拟合过度的情况。这种标定方式保证了机械臂在标定后具有较高的运动学精度。

如图5所示，第二组生成的用于标定的位姿主要集中于机器人实际应用过程中，执行实际工作任务的空间。采用选取目标工作位姿与通用位姿相结合的方式，保证标定后机器人在工作空间中都能具有较高的精度。

(6)执行运动学参数辨识：基于步骤(4)获取的机器人基坐标系，采用了mdh模型，对运动学参数进行标定；

61)控制机器人依次执行步骤(5)所生成的位姿，并使用激光跟踪仪记录结果；

62)将结果输入标定软件进行计算，得出机器人真实的运动学参数；

63)将求解出的运动学参数输入机器人控制器中。

通过安装于机器人手爪末端的磁性适配器，把激光跟踪仪靶球固定在机器人末端执行器尖端。通过调整靶球的朝向，使得靶球可以始终指向激光跟踪仪，故可以在保证测量过程中不改变靶球的位置，顺利的完成测量。最大限度的提高了测量的范围。

激光跟踪仪测量模式设置为基于点稳定方法的自动测量。这样当机械臂到达生成的目标位姿后停止动作，且稳定时再进行测量，可以保证激光跟踪仪靶球位置恒定，故极大的提高了测量精度。同时，在测量过程中得到的数据基于机器人基坐标系建立并记录。

整个标定程序一共执行2遍，从而避免了由环境变化引入的误差。当两次测量数据误差大于0.05mm时，舍去此点的测量数据，避免引入更大的误差。

(7)进行标定结果验证：如图6所示，在机械臂工作空间中指定三个验证点p1、p2、p3，通过p1、p2、p3生成一个局部坐标系，基于此坐标系，操作机械臂到达几个指定位置，通过激光跟踪仪测量到达的位置，计算并进行验证。

71)激光跟踪仪放置在测量光路不受外部环境阻挡且覆盖机器人整个工作空间的区域；

72)手动操作机械臂按照顺序移动到如图6所示验证目标图形中p1、p2、p3点；

73)当机械臂到达p1、p2、p3后，通过激光跟踪仪可以测量出实际的机械臂末端执行器的实际位置；

74)通过p1、p2、p3三点建立新的局部坐标系；

75)以步骤74)新建的局部坐标系作为参考坐标系，操作机械臂依次移动到验证目标图形的每个验证点上；

76)在机械臂到达每一个验证点，使用激光跟踪仪记录下每个点的坐标位置；

77)在局部坐标系中，通过激光跟踪仪读取测量数据，将激光跟踪仪测量得到的两点坐标之间的距离与两个验证点之间的距离相减，来计算x,y,z方向的实际到达位置与理论值的偏差，并且记录；

78)平均误差的数值加上3倍的标准偏差作为机械臂的定位精度。

如图6所示，所述验证目标图形为行间距和列间距相等，具有多行和多列的相同点列，其中每个点为一个验证点。

所述p1、p2、p3点为验证目标图形中不共线的三个点，点与点之间距离确定，第一行取第一个点和最后一个点，最后一行取中间一个点。