专利名称：一种工业机器人运动学参数快速低成本标定装置及其方法
技术领域：
本发明属于工业机器人运动学参数快速标定技术，特别是一种工业机器人运动学参数快速低成本标定装置及其方法。
背景技术：
随着工业机器人应用范围的扩大和复杂任务的需要，工业机器人的定位精度越来越重要。目前工业机器人具有高的重复精度(O. Imm或更高)，然而(绝对)定位精度却很低(达Icm或更差)，定位精度问题已经严重制约了工业机器人的应用能力和应用范围。尽管导致机器人定位精度不高的因素有很多，如齿轮误差、热膨胀以及机器人杆件的机械形变，但最主要的因素来自于机器人运动学模型的参数误差。机器人标定技术是消除这些参数误差进而提高机器人定位精度的最有效方法，因此，成为机器人研究的热点问题之一。二十余年来，在机器人标定领域国内外一些学者已经取得了令人瞩目的研究成果。归纳起来主要有两类机器人标定方法，其中一类方法需要高精度的测量设备精确测量机器人末端的位置或姿态。比如经典的三坐标测量方法(Coordinate Measurement Machines) (Μ. R. Driels, L. W. Swayze, and L. S. Potter, "Full-pose calibration of a robot manipulator using a coordinate measuring machine, "Int.J.Adv. Manuf. Techno.，vol. 8, no. 1, pp. 34-41，1993)以及角度剖分型激光跟踪测试和球坐标型激光跟踪测试等方法(M. Vincze, J. P. Prenninger, and H. Gander, "A laser tracking system to measure position and orientation of robot end effectors under motion,” Int. J. Robot. Res.，vol. 13，pp. 305-314，1994)，光学经纬仪测试系统，基于双摄像机的测试系统(B. Preising, T.C. Hsia. Robot Performance Measurement and Calibration Using a 3D Computer Vision System. Proceeding of the 1991IEEE International Conference on Robotics and Automation Sacramen to California. 1991 :2079_2084)。但这些方法三坐标测量机和激光跟踪测试仪设备非常昂贵，安装调试及操作比较复杂，主要适合于机器人制造企业实验室场合应用，操作过程依赖于操作人员的水平且非常浪费时间。基于立体摄像机的视觉方法不仅存在双目摄像机本身标定的问题，而且视觉方法由于视场和分辨力的矛盾很难获得比较高的测量精度。另一类方法是在机器人末端施加一些约束从而形成运动学闭合链。Zhuang和 Ikits等对机器人末端施加多个平面或者一个平面约束(H. Zhuang，S. H. Motaghedi，and Ζ. S. Roth, "Robot calibration with planar constraints,，，in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom.，Detroit, MI, 1999，pp. 805-810.)，这些手工操作方法受限于准确定位和效率不高的问题。Newman 等(W. S. Newman and D. W. Osborn, "A new method for kinematic parameter calibration via laser line,"in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom. ,1993, vol. 2,pp. 160-165)提出一种基于激光线跟踪的方法。这种方法的特点是约束机器人末端的某点沿着一束静止的任意激光线移动，但没能给出跟踪激光线的可行的、精确的、自动化的方法。开发适合机器人工作现场、便于携带及低成本机器人运动学参数标定设备具有重
4大经济效益和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于多个(2个及以上)位置敏感器件(PSD)的激光定位装置实现工业机器人18个运动学参数的标定，能够标定工业机器人的所有杆件参数， 主要包括杆件长度、杆件扭角、关节长度以及关节转角，以解决现有标定设备昂贵、安装操作复杂或定位精度低等瓶颈问题。实现本发明目的的技术解决方案为一种工业机器人运动学参数快速低成本标定装置，包括两个或两个以上位置敏感器件PSD、信号处理电路、信号采集卡、可充电电池、 无线数字通讯传输卡及接收卡、工业控制计算机，接收卡设置在工业控制计算机内，PSD的中心点为激光定位目标点，并固定在装置壳体表面，各PSD之间的距离位置是已知的，将各 PSD、信号处理电路、信号采集卡、无线数字通讯传输卡及可充电电池集成在一起，即PSDJf 号处理电路、信号采集卡、无线数字通讯传输卡依次连接，形成激光定位装置，该装置通过可充电锂聚电池供电；每个PSD输出信号经信号处理电路给出激光光斑在PSD表面的二维位置坐标模拟值，这些模拟值通过信号采集卡转换为数字量，然后经无线数字通讯传输卡发送出去；接收卡将接收的信息传送给工业控制计算机，工业控制计算机通过计算给出工业机器人的运动命令；工业控制计算机通过网络接口与机器人控制器连接，接收工业机器人的运动命令指令和响应工业控制计算机发出的读取工业机器人本体关节角度请求，机器人控制器和工业机器人本体连接；一个激光器固定安装在机器人本体末端。—种工业机器人运动学参数快速低成本标定方法，步骤如下第一步，将各PSD、信号处理电路、信号采集卡、无线数字通讯传输卡及可充电电池集成在一起，即PSD、信号处理电路、信号采集卡、无线数字通讯传输卡依次连接，形成激光定位装置，放置激光定位装置在工业机器人的可达工作空间，该位置是任意的，具体位置是不需要知道的；第二步，工业机器人末端载着激光器将激光光束以不同的姿态投射到其中一个 PSD的中心点；工业机器人本体通过激光器将激光光斑任意方向投射在一个PSD表面，光斑在PSD的精确位置通过激光定位装置检测并反馈给工业控制计算机，该工业控制计算机基于该位置反馈和激光定位目标发修正命令给机器人控制器，该机器人控制器控制机器人本体移动带动激光器将激光光斑精确定位到目标点，即PSD的表面中心点；接着，通过工业控制计算机与机器人控制器的网络通信读取工业机器人的关节角度值；通过改变工业机器人末端的位姿改变激光束的方向，同样定位激光束的光斑到同一个PSD的表面中心点，同样读取工业机器人的关节角度值；第三步，工业机器人末端载着激光器将激光光束以不同的姿态投射到其它PSD的中心点；基于视觉或人工方式，控制机器人粗糙地把激光束光斑移动到PSD的表面，然后自动完成激光光束以不同的姿态精确投射到该PSD的中心点，其他过程同第二步；第四步，计算每个PSD的中心点位置，即建立包含杆件参数误差的机器人的D-H模型，代入定位到同一个PSD表面中心点时读入的工业机器人关节角度值，获得机器人末端的位姿，由于激光器与机器人末端刚性连接，所以计算出激光束的直线方程；如果没有杆件参数误差，那么这些直线方程都应该相交于同一个PSD表面中心点，即计算出每个PSD的中
5心点位置；第五步，标定工业机器人的运动学参数，由于机器人运动学参数误差的存在，导致步骤四计算的同一个PSD的中心点位置并不是同一点，以每个PSD中心点和已知的PSD之间的关系建立误差目标函数，优化目标函数到最小值，直到计算的PSD中心点位置收敛到实际的同一点，并且每个PSD之间的关系收敛到已知的位置关系，从而得出工业机器人运动学杆件参数的标定结果。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)目前工业机器人运动学参数标定的装置主要是坐标测量机和激光跟踪系统，这些装置由于安装调试复杂且受操作水平影响所以主要适合于实验室场所，且价格昂贵；本装置主要部件是基于多个PSD的激光定位装置，该装置体积小，成本不高，且无线无缆，易于安装和操作；(2)该标定装置基于PSD反馈激光束光斑的位置实现机器人自动定位，不需要人工干预，操作简单，具有低成本、便携、高精度、 自动化、高效等特点；(3)该标定装置能够标定工业机器人的运动学参数，主要包含杆件长度、杆件扭角、关节长度以及关节转角(机器人零位)。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是基于多个位置敏感器件(PSD)的激光定位机器人标定装置示意图。图2是工业机器人标定系统结构示意图。图3是基于线的PSD中心点位置计算示意图。
具体实施例方式结合图1，本发明工业机器人运动学参数快速低成本标定装置，包括两个或两个以上位置敏感器件PSD1、信号处理电路2、信号采集卡3、可充电电池5、无线数字通讯传输卡4 及接收卡6、工业控制计算机7，接收卡6设置在工业控制计算机7内，PSDl的中心点为激光定位目标点，并固定在装置壳体8表面，各PSD之间的距离位置是已知的，将各PSD1、信号处理电路2、信号采集卡3、无线数字通讯传输卡4及可充电电池5集成在一起，即PSD1、信号处理电路2、信号采集卡3、无线数字通讯传输卡4依次连接，形成激光定位装置，该装置通过可充电锂聚电池5供电，实现PSD装置的电源自供给，这保证了标定装置的便携性；每个 PSDl输出信号经信号处理电路2给出激光光斑在PSD表面的二维位置坐标模拟值，这些模拟值通过信号采集卡3转换为数字量，然后经无线数字通讯传输卡4发送出去；接收卡6将接收的信息传送给工业控制计算机7，工业控制计算机7通过计算给出工业机器人的运动命令；工业控制计算机7通过网络接口 13与机器人控制器12连接，接收工业机器人的运动命令指令和响应工业控制计算机7发出的读取工业机器人本体11关节角度请求，机器人控制器12和工业机器人本体11连接；一个激光器9固定安装在机器人本体11末端。其中， PSDl为分段式高精度光电检测器件，具有0. Ium的位置分辨力。激光定位装置采用无线通讯方式与工业控制计算机7通讯，无线数字传输检测激光光斑在PSD表面的二维位置坐标。 上述的激光器9是可调焦距精密半导体激光器，功率lmW，波长670nm，激光束3的光斑直径为 2. 0mm。结合图2、3，本发明工业机器人运动学参数快速低成本标定方法，步骤如下
第一步，将各PSD1、信号处理电路2、信号采集卡3、无线数字通讯传输卡4及可充电电池5集成在一起，即PSD1、信号处理电路2、信号采集卡3、无线数字通讯传输卡4依次连接，形成激光定位装置，放置激光定位装置在工业机器人的可达工作空间，该位置是任意的，具体位置是不需要知道的，通过第四步获得。第二步，工业机器人末端载着激光器9将激光光束10以不同的姿态投射到其中一个PSD的中心点14 ；工业机器人本体11通过激光器9将激光光斑任意方向投射在一个PSD 表面，光斑在PSD的精确位置通过激光定位装置检测并反馈给工业控制计算机7，该工业控制计算机7基于该位置反馈和激光定位目标发修正命令给机器人控制器12，该机器人控制器12控制机器人本体11移动带动激光器9将激光光斑精确定位到目标点，即PSD的表面中心点；接着，通过工业控制计算机7与机器人控制器12的网络通信读取工业机器人的关节角度值；通过改变工业机器人末端的位姿改变激光束的方向，同样定位激光束的光斑到同一个PSD的表面中心点，同样读取工业机器人的关节角度值；这个过程由开发的标定装置自动完成，耗时约2分钟，因此该标定装置具有自动化和高效的特点。第三步，工业机器人末端载着激光器(9)将激光光束以不同的姿态投射到其它 PSD的中心点；基于视觉或人工方式，控制机器人粗糙地把激光束光斑移动到PSD的表面， 由于PSD的表面直径为10mm，光斑直径2mm，因此很容易实现该动作；然后自动完成激光光束以不同的姿态精确投射到该PSD的中心点，其他过程同第二步；第四步，计算每个PSD的中心点位置；建立包含杆件参数误差的机器人的D-H模型，代入定位到同一个PSD表面中心点时读入的工业机器人关节角度值，获得机器人末端的位姿，由于激光器与机器人末端刚性连接，所以可以计算出激光束在机器人基座坐标系下的直线方程为
权利要求
1.一种工业机器人运动学参数快速低成本标定装置，其特征在于包括两个或两个以上位置敏感器件PSD(I)、信号处理电路(2)、信号采集卡(3)、可充电电池(5)、无线数字通讯传输卡(4)及接收卡(6)、工业控制计算机(7)，接收卡(6)设置在工业控制计算机(7)内， PSD(I)的中心点为激光定位目标点，并固定在装置壳体⑶表面，各PSD之间的距离位置是已知的，将各PSD(I)、信号处理电路(2)、信号采集卡(3)、无线数字通讯传输卡(4)及可充电电池(5)集成在一起，即PSD(I)、信号处理电路(2)、信号采集卡(3)、无线数字通讯传输卡(4)依次连接，形成激光定位装置，该装置通过可充电锂聚电池(5)供电；每个PSD(I)输出信号经信号处理电路(2)给出激光光斑在PSD表面的二维位置坐标模拟值，这些模拟值通过信号采集卡(3)转换为数字量，然后经无线数字通讯传输卡(4)发送出去；接收卡(6) 将接收的信息传送给工业控制计算机(7)，工业控制计算机(7)通过计算给出工业机器人的运动命令；工业控制计算机(7)通过网络接口(13)与机器人控制器(12)连接，接收工业机器人的运动命令指令和响应工业控制计算机(7)发出的读取工业机器人本体(11)关节角度请求，机器人控制器(12)和工业机器人本体(11)连接；一个激光器(9)固定安装在机器人本体(11)末端。
2.根据权利要求1所述的工业机器人运动学参数快速低成本标定装置，其特征在于 PSD(I)为分段式高精度光电检测器件，具有0. Ium的位置分辨力。
3.根据权利要求1所述的工业机器人运动学参数快速低成本标定装置，其特征在于激光定位装置采用无线通讯方式与工业控制计算机(7)通讯，无线数字传输检测激光光斑在 PSD表面的二维位置坐标。
4.一种工业机器人运动学参数快速低成本标定方法，其特征在于步骤如下第一步，将各PSD(I)、信号处理电路(2)、信号采集卡(3)、无线数字通讯传输卡(4)及可充电电池(5)集成在一起，即PSD(I)、信号处理电路(2)、信号采集卡(3)、无线数字通讯传输卡(4)依次连接，形成激光定位装置，放置激光定位装置在工业机器人的可达工作空间，该位置是任意的，具体位置是不需要知道的；第二步，工业机器人末端载着激光器(9)将激光光束(10)以不同的姿态投射到其中一个PSD的中心点(14)；工业机器人本体(11)通过激光器(9)将激光光斑任意方向投射在一个PSD表面，光斑在PSD的精确位置通过激光定位装置检测并反馈给工业控制计算机(7)， 该工业控制计算机(7)基于该位置反馈和激光定位目标发修正命令给机器人控制器(12)， 该机器人控制器(12)控制机器人本体(11)移动带动激光器(9)将激光光斑精确定位到目标点，即PSD的表面中心点；接着，通过工业控制计算机(7)与机器人控制器(12)的网络通信读取工业机器人的关节角度值；通过改变工业机器人末端的位姿改变激光束的方向，同样定位激光束的光斑到同一个PSD的表面中心点，同样读取工业机器人的关节角度值；第三步，工业机器人末端载着激光器(9)将激光光束以不同的姿态投射到其它PSD的中心点；基于视觉或人工方式，控制机器人粗糙地把激光束光斑移动到PSD的表面，然后自动完成激光光束以不同的姿态精确投射到该PSD的中心点，其他过程同第二步；第四步，计算每个PSD的中心点位置，即建立包含杆件参数误差的机器人的D-H模型， 代入定位到同一个PSD表面中心点时读入的工业机器人关节角度值，获得机器人末端的位姿，由于激光器与机器人末端刚性连接，所以计算出激光束的直线方程；如果没有杆件参数误差，那么这些直线方程都应该相交于同一个PSD表面中心点，即计算出每个PSD的中心点位置；第五步，标定工业机器人的运动学参数，由于机器人运动学参数误差的存在，导致步骤四计算的同一个PSD的中心点位置并不是同一点，以每个PSD中心点和已知的PSD之间的关系建立误差目标函数，优化目标函数到最小值，直到计算的PSD中心点位置收敛到实际的同一点，并且每个PSD之间的关系收敛到已知的位置关系，从而得出工业机器人运动学杆件参数的标定结果。
全文摘要
本发明公开了一种工业机器人运动学参数快速低成本标定装置及其方法，包括2个及以上位置敏感器件PSD、信号处理电路、信号采集卡、可充电电池、无线数字通讯传输及接收卡、工业控制计算机，基于两个位置关系已知的PSD作为反馈器件，以不同姿态的激光束多次分别投射在两个PSD表面中心点，建立约束优化目标函数能够标定工业机器人的运动学参数，主要包含杆件长度、杆件扭角、关节长度以及关节转角零位。本装置主要部件是基于多个PSD的激光定位装置，该装置体积小，成本不高，且无线无缆，易于安装和操作；该标定装置基于PSD反馈激光束光斑的位置实现机器人自动定位，不需要人工干预，操作简单，具有低成本、便携、高精度、自动化、高效等特点。
文档编号G05B19/414GK102445923SQ201010501088
公开日2012年5月9日 申请日期2010年10月9日 优先权日2010年10月9日
发明者刘永 申请人:无锡南理工科技发展有限公司