一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置及方法

1.本发明涉及机器人测量技术领域，具体涉及一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置及方法。


背景技术：

2.作为一种集机械、电子、计算机、控制、传感器等多学科于一体的复杂智能机器人，工业机器人已经广泛应用于航空、航天、汽车、医疗等各个领域零部件的加工。工业机器人成为衡量一个国家先进制造水平的重要标准之一，高精度的工业机器人也成为社会发展的必然趋势。机器人的标定主要是研究由制造、安装等造成的各种几何和其他方面的非几何误差。
3.标定主要包括建模、测量、参数辨识和误差补偿4个方面。其中测量是机器人标定中较困难、且耗时长的阶段，在整个标定过程中，测量系统的选择是至关重要的，因为测量系统选择及测量方法影响机器人标定的效率及可靠性。目前，在机器人标定中，激光跟踪仪作为较为广泛的测量设备，它具有高精度、高分辨率、测量范围广等优点。但是，现有的方法中，主要以测量位置信息较多，而测量姿态的方法鲜有提及。鉴于此，目前亟待提出一种新的机器人姿态测量方法和设计一种新型的机器人姿态测量装置，实现基于跟踪仪的机器人姿态测量。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置及方法，较为广泛使用的激光跟踪仪测量设备以测量位置信息为主，但是在机器人标定中，姿态信息也是至关重要的，本发明可以获取机器人的姿态信息，从而提高机器人的标定精度。
5.本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
6.一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置，所述机器人姿态测量装置包括转接板、xy运动平台、连接板、反射球球座和反射球，其中，所述xy运动平台102包括x方向运动轴和y方向运动轴，x方向运动轴和y方向运动轴呈“十”字交叉连接，并且x方向运动轴和y方向运动轴通过连接构件可交互“十”字交叉移动；
7.所述转接板101与xy运动平台102的y方向运动轴相连，所述反射球球座104通过连接板103固定在xy运动平台102的x方向运动轴上，反射球105通过磁力作用吸附在反射球球座104上。
8.进一步地，为了保证反射球在xy运动平台沿着x方向运动轴和y方向运动轴的移动是机器人工具坐标系的x方向和y方向，需要根据机器人工具坐标系中x与y方向定义，设计一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置的转接板101。除此之外，为了实现通用性，根据不同机器人的末端法兰盘的孔位特征，在转接板101上的孔洞设计为滑槽形式。同时为了不与xy运动平台发生干涉，采用沉头孔的形式。
9.进一步地，所述转接板101与xy运动平台102的y方向运动轴连接后，xy运动平台102的x方向运动轴和y方向运动轴分别与机器人中工具坐标系的x与y方向定义一致。所述机器人姿态测量装置通过转接板101固定在机器人的末端法兰盘上。
10.本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
11.一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
12.s1、建立基座标系：通过控制机器人，依次确定第一z轴、第一原点、第一x轴和第一y轴；
13.s2、获取描述机器人姿态的矩阵：通过移动xy运动平台的x方向运动轴和y方向运动轴，依次确定第二x轴方向矢量和第二y轴方向矢量，再确定第二z轴方向矢量；
14.s3、解算机器人绕第一z轴、第一y轴、第一x轴旋转的角度α、β、γ。
15.进一步地，所述步骤s1过程如下：
16.s11、从机器人的固定基座开始为关节轴进行编号，第一个可动关节轴为关节轴1，因为在初始姿态下，机器人关节轴1的旋转轴方向是基座标系的z轴，即第一z轴。所以控制机器人回到初始姿态，转动机器人的关节轴1，利用连续测点的方式记录转动过程中的反射球位置，再通过多点拟合圆，确定圆心o1，通过圆心的法线即为第一z轴的方向矢量；
17.s12、因为机器人基座平面是机器人基座标系的xy平面，所以基座标系的原点，即第一原点在机器人基座平面中。，通过记录机器人基座平面不同位置的信息，利用多点拟合平面；
18.s13、然后创建通过圆心o1与该多点拟合平面垂直的直线，该直线即为所求的第一z轴，第一z轴与多点拟合平面的交点o0即为第一原点；
19.s14、控制机器人只沿第一x轴方向移动，利用连续测点的方式记录移动过程中的反射球位置，再通过拟合直线，确定第一x轴；
20.s15、根据第一z轴、第一原点o0和第一x轴，由右手定则确定第一y轴。
21.进一步地，所述步骤s2过程如下：
22.s21、从机器人的固定基座开始为关节轴进行编号，i＝1，2，3，
…
，n，末端关节轴为关节轴n，xy运动平台的初始位置定义为机器人的末端法兰盘的中心位置，沿关节轴n的旋转轴zn偏移转接板和xy运动平台两者总共的厚度，控制反射球运动到xy运动平台的初始位置；
23.s22、因为反射球沿着xy运动平台的x方向运动轴和y方向运动轴移动是机器人工具坐标系的x轴和y轴方向，所以控制反射球分别沿着xy运动平台的x方向运动轴和y方向运动轴移动，并利用激光跟踪仪记录机器人的位置信息，分别得到第二x轴方向矢量和第二y轴方向矢量；
24.s23、由第二x轴方向矢量叉乘第二y轴方向矢量得到第二z轴方向矢量，利用第二x轴方向矢量、第二y轴方向矢量和第二z轴方向矢量在第一x轴方向矢量、第一y轴方向矢量、第一z轴方向矢量的投影，并进行归一化处理，得到描述机器人姿态的矩阵；步骤s23具体如下：
25.假设机器人工具坐标系为o
t
x
tytzt
，基座标系为osx
syszs
，利用激光跟踪仪测量得到
的机器人基座标系的x、y、z轴方向矢量分别为和测量并计算获得的工具坐标系的x、y、z轴方向矢量分别为系的x、y、z轴方向矢量分别为和将方向矢量和在测量得到的机器人基坐标系坐标轴的x,y,z方向矢量上进行投影，并进行归一化处理，得到表示机器人姿态的矩阵r，假设用如下矩阵表示机器人的姿态矩阵r：
[0026][0027]
其中，式中的“.”表示向量相乘。
[0028]
进一步地，所述步骤s22中反射球在xy运动平台的线性运动过程如下：
[0029]
为了得到机器人工具坐标系的3个坐标轴方向矢量，在机器人不动的情况下，至少需要测量机器人末端3个点的信息。所以控制反射球在xy运动平台线性运动得到机器人工具坐标系的x轴方向矢量和y轴方向矢量。先让反射球从xy运动平台的初始位置沿xy运动平台的x方向运动轴移动，运动至给定的距离后，记录此时的位置信息，得到第二x轴方向矢量；接下来反射球再沿着xy运动平台的y方向运动轴移动，移动同样的距离后，记录此时的位置信息，得到第二y轴方向矢量，在所有待测量的相应姿态下，重复以上过程。
[0030]
进一步地，所述步骤s3过程如下：
[0031]
机器人的姿态是其工具坐标系相对于基坐标系的旋转关系，由三个角度决定。设机器人工具坐标系依次绕第一x轴旋转γ角，绕第一y轴旋转β角，最后绕第一z轴旋转α角，最后与基座标系重合。也即最终机器人工具坐标系的姿态是其相对于机器人基座标系的姿态经过旋转γ、β、α之后的姿态。上述过程可以直接推导出等价姿态矩阵r，从而根据姿态矩阵r求解对应的3个角度。此过程相当于有9个方程和3个未知量，但是有6个方程是相关的，所以实际上只有3个方程和3个未知量。经过推导后，α、β、γ的值为
[0032]
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0033]
(1)现有的方法中，一般通过激光跟踪仪获取位置信息，获取姿态信息的少有提
及，本发明可以辅助激光跟踪仪来获取机器人的末端姿态信息。
[0034]
(2)本发明通过测量装置而不是通过机器人来控制反射球移动，建立了机器人的末端工具坐标系，从而获取机器人的末端姿态信息。对比通过手移动反射球在转接板的相对位置，利用激光跟踪仪测量机器人末端位姿的现有方法，本发明通过事先设定移动路线实现反射球在转接板的自动移动，减少了人为误差。此外，通过激光跟踪仪获取姿态信息的现有方法通常还需要建立坐标系之间的转换矩阵，本发明不需要求解坐标系转换矩阵，直接解算得到机器人的实际角度值。
附图说明
[0035]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0036]
图1是本发明公开的一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置三维图；
[0037]
图2是本发明公开的一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置的现场应用示意图；
[0038]
图3是本发明公开的一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置具体移动的流程图；
[0039]
图4是本发明公开的一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置单点工具坐标系的建立过程及工具坐标系到基座标系的转换过程示意图；
[0040]
图5是本发明实施例中公开的机器人姿态测量方法得到的角度与理论角度的差值示意图；
[0041]
其中，附图的标注说明如下：100-测量装置；101-转接板；102-xy运动平台；103-连接板；104-反射球球座；105-反射球；106-机器人；107-激光跟踪仪；108-控制器；109-电脑。
具体实施方式
[0042]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
实施例1
[0044]
如图1所示，本实施例公开了一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置100，该装置包括转接板101、xy运动平台102、连接板103、反射球球座104、反射球105。其中，所述xy运动平台102包括x方向运动轴和y方向运动轴，x方向运动轴和y方向运动轴呈“十”字交叉连接，并且x方向运动轴和y方向运动轴通过连接构件可交互“十”字交叉移动；
[0045]
所述转接板101与xy运动平台102的y方向运动轴相连，所述反射球球座104通过连接板103固定在xy运动平台102的x方向运动轴上，反射球105通过磁力作用吸附在反射球球座104上。
[0046]
机器人姿态测量装置100的转接板101不仅需要在尺寸参数上满足机器人末端法兰盘的装配要求，同时为了转接板101的上表面不与xy运动平台102发生干涉，还设置沉头孔以预留螺丝头的位置。此外，为了实现通用性，根据不同机器人末端法兰盘的孔位特征，
孔还采取了滑槽形式。在安装时，先将转接板101固定在机器人106的机器人末端法兰盘上，再将转接板101与xy运动平台102的y方向运动轴相连。此外，为了保证在建立工具坐标系时，反射球105移动的方向是沿x方向运动轴或是y方向运动轴，在安装时，一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置100中的xy运动平台102的x方向运动轴和y方向运动轴分别与机器人说明书中工具坐标系的x与y方向定义一致。所述的一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置100配合激光跟踪仪107实现反射球105的线性运动，获取机器人末端姿态信息。
[0047]
实施例2
[0048]
本实施例基于实施例1公开的一种基于激光跟踪仪的机器人姿态测量装置100，进一步公开基于激光跟踪仪的机器人姿态测量方法，机器人姿态测量方法的实现步骤如下：
[0049]
s1、建立基坐标系：
[0050]
s11、如现场图图2所示，控制机器人回到初始姿态，从机器人的固定基座开始为关节轴进行编号，第一个可动关节轴为关节轴1，只控制机器人的关节轴1转动，其他关节轴均保持不变，可以确定z轴。利用连续测点的方式记录转动过程中的反射球位置，再通过多点拟合圆，确定圆心o1，通过圆心的法线即为第一z轴的方向。
[0051]
s12、确定第一原点，通过记录机器人基座平面不同位置的信息，利用多点拟合平面。
[0052]
s13、然后创建通过圆心o1与该多点拟合平面垂直的直线，该直线即为所求的z轴，z轴与平面的交点o0即为第一原点。
[0053]
s14、确定第一x轴，控制机器人只沿第一x轴方向移动，利用连续测点的方式记录移动过程中的反射球位置，再通过拟合直线，确定第一x轴。
[0054]
s15、在确立了第一z轴、第一x轴、第一原点o0后，根据右手定则确定第一y轴。
[0055]
s2、建立工具坐标系：
[0056]
s21、从机器人的固定基座开始为关节轴进行编号，i＝1，2，3，
…
，n。末端关节轴为关节轴n。将xy运动平台的初始位置定义为机器人的末端法兰盘的中心位置，沿关节轴n的旋转轴zn偏移转接板和xy运动平台两者总共的厚度，故控制反射球运动到xy运动平台的初始位置。
[0057]
s22、控制反射球在xy运动平台线性运动，并利用激光跟踪仪记录机器人的位置信息，获得第二x轴方向矢量和第二y轴方向矢量。
[0058]
具体移动过程如下：先让反射球从xy运动平台的初始位置沿xy运动平台的x方向运动轴移动，运动至给定的距离后，记录此时的位置信息，得到工具坐标系下的第二x轴方向矢量。接下来反射球再沿着xy运动平台的y方向运动轴移动，移动同样的距离后，记录此时的位置信息，得到第二y轴方向矢量。最后在所有需要测量的相应姿态下，重复上述过程。
[0059]
s23、因为坐标系的建立满足右手定则，所以第二z轴方向矢量由第二x轴方向矢量叉乘第二y轴方向矢量得到。利用第一x轴、第一y轴和第一z轴方向矢量在第一次测量的基座标系坐标轴的x,y,z方向矢量的投影，并进行归一化处理，则得到了描述机器人姿态的矩阵。
[0060]
如图4所示，q是激光跟踪仪，p1、p2、p3分别是xy平台的初始位置、朝x方向运动轴移动给定距离后的位置和朝y方向运动轴移动给定距离后的位置。假设机器人工具坐标系为o
t
x
tytzt
，基座标系为osx
syszs
，q、p1、p2、p3的坐标分别为(x
q y
q zq)、
和利用向量和向量相减可以得到向量，即利用向量和向量相减可以得到向量，即计算得到的向量和向量分别是工具坐标系的x轴方向矢量和y轴方向矢量，工具坐标系的z轴方向矢量则由右手定则确定，即
[0061]
假设利用激光跟踪仪测量得到的机器人基座标系的x、y、z轴方向矢量分别为和为了统一和方便书写，将图中的和分别简写为和将方向矢量和在测量得到的机器人基坐标系坐标轴的x、y、z轴方向矢量上进行投影，并进行归一化处理，得到表示机器人姿态的矩阵r，假设用如下矩阵表示机器人的姿态矩阵r：
[0062][0063]
其中，式中的“.”表示向量相乘。
[0064]
s3、解算姿态数据α、β、γ：
[0065]
设机器人绕第一z轴、第一y轴、第一x轴旋转的角度分别为α、β、γ，根据姿态矩阵的方程，可求解出对应的α、β、γ的值：
[0066][0067]
通过上述的公式，代入式子中各参数值，可以计算得出其实际姿态的α、β、γ的三个值。
[0068]
现有的方法中，一般通过激光跟踪仪获取位置信息，获取姿态信息的少有提及，本发明可以辅助激光跟踪仪来获取机器人的末端姿态信息。本发明配合激光跟踪仪使用，通过测量装置而不是通过机器人来控制反射球移动，建立了机器人的末端工具坐标系，从而获取机器人的末端姿态信息。对比通过手移动反射球在转接板的相对位置，利用激光跟踪
仪测量机器人末端位姿的现有方法，本发明通过事先设定移动路线实现反射球在转接板的自动移动，减少了人为误差。此外，通过激光跟踪仪获取姿态信息的现有方法通常还需要建立坐标系之间的转换矩阵，本发明不需要求解坐标系转换矩阵，直接解算得到机器人的实际角度值。该方法可以为激光跟踪仪等高精度外部测量设备在姿态测量方面提供新策略，可应用于借助激光跟踪仪测量来提高机器人标定精度的工作中。
[0069]
为了验证方法的准确性，利用matlab对提出的一种基于激光跟踪仪的姿态测量方法进行仿真，理论得到的机器人绕第一z轴、第一y轴、第一x轴旋转的角度与所述方法得到的角度的差值如图5所示：
[0070]
由图5可知，姿态测量得到的角度与理论角度的差值很小，证明所提方法的正确性。该方法利用机器人末端姿态的定义，并通过自动控制反射球的方式，实现机器人的姿态测量，而且避免了坐标系变换矩阵的求解。综上，本发明可以为激光跟踪仪等高精度外部测量设备在姿态测量方面提供新策略。
[0071]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。