一种工业机器人工具参数自动设定方法与流程

本发明涉及工业机器人领域，尤其涉及一种工业机器人工具参数自动设定方法。

背景技术：

随着工业自动化技术的不断发展，越来越多的机器人被应用到工业生产中，这些机器人被称之为工业机器人，比较通用的工业机器人是6轴机器人。这些机器人通常需要安装不同的工具(例如：焊枪、涂料喷嘴、搬运手臂、切割枪等)来实现不同的功能。机器人在安装完这些工具之后，需要对工具参数进行设定。如果设定不当，会导致机器人的坐标不准确，影响机器人工具的位置以及姿态，从而导致应用过程中运动的偏差，出现生产事故。如果通过人工计算工具参数并进行设定，耗时较长，且精度得不到保证。此外，机器人使用的工具也有可能形状不规则或者材质不均匀导致重心重量等参数不易通过人工计算。

技术实现要素：

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，自动设定工业机器人的工具参数，保证参数精度，本发明提供一种工业机器人工具参数自动设定方法。

技术方案：一种工业机器人工具参数自动设定方法，包括以下步骤：

(1)以机器人固定工具的法兰位置为坐标原点建立空间直角坐标系，包括X轴、Y轴、Z轴，将工具安装在工业机器人上，在地面上设置一个固定的尖端；

(2)将工业机器人上的工具的尖端瞄准固定在地面上的尖端，改变瞄准姿势至少四次，分别记录每次瞄准姿势的动作作为示教点，选择四个示教点，进行如下计算：

设工具长度为l，工具中心点的坐标为(x,y,z)，固定在地面的尖端的坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，四个示教点的坐标分别为(n_x,n_y,n_z)、(o_x,o_y,o_z)、(a_x,a_y,a_z)、(e_x,e_y,e_z)，建立如下一个变换矩阵T：

是三维的列向量，其中，是相互正交的单位向量，为机器人实际坐标点，可以列出如下方程：

利用其中的4个示教点可以列出4个方程组成方程组，然后其中两式相减可以得出如下方程：

式中H_i(i＝1,2,3,4)表示实际位置的旋转矩阵；

其余方程进行相减，可以得出以下方程：

采用线性最小二乘法的算法来对(x,y,z)进行计算得：

再根据下式求出工具的长度l：

重复步骤(2)记录多个不同的示教点并求工具长度，计算工具长度的平均值以减少误差。

进一步的，编写机器人示教程序，依次对机器人每个轴进行旋转动作，读取各轴对应伺服驱动器的转矩值，根据转矩利用贝叶斯法则计算出工具的重心及重量。

进一步的，分别选择X轴、Y轴、Z轴，编写程序使机器人沿着所选轴动作，测试工具惯性矩沿所选轴的分量；读取各轴对应伺服驱动器的转矩，根据各轴对应的伺服驱动器的转矩，通过贝叶斯法则计算出需要调整的工具惯性矩分量并进行调整。

进一步的，工业机器人是六轴机器人。

进一步的，所述步骤(2)中瞄准姿势改变的幅度至少大于15度。

进一步的，机器人沿着所选轴动作时，每次只沿一个轴进行动作。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供一种工业机器人工具参数自动设定方法，该方法通过将机器人按照一定要求进行动作，然后记录机器人的姿态坐标；通过伺服驱动器转矩值等参数来计算工具的长度、重心重量、惯性矩等参数，能够方便快捷的对机器人工具参数进行设定，提高了工作效率，且精度较高；对工具的要求较低，对于有轻微变形的工具依然可以正常设定；可以克服因工具形状不规则或者材料不均匀导致重心重量等参数不易通过人工计算的问题，自动对工业机器人工具参数进行设定，保证参数精度；方便快捷，大大缩短工具参数测量和设定时间。

附图说明

图1是本发明中机器人工具长度测量示意图；

图2是本发明中机器人的结构示意图；

图3是利用贝叶斯法则进行工具参数设定的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

如图1所示，变形前的工具尖端1以及发生轻微形变的工具尖端1’都可以使用机器人来测量工具长度。以机器人固定工具的法兰位置为坐标原点建立空间直角坐标系，包括X轴、Y轴、Z轴，将工具安装在工业机器人上，在地面上设置一个固定的尖端2(或2’)；将工业机器人上的工具的尖端瞄准固定在地面上的尖端2(或2’)，改变瞄准姿势至少五次，分别记录每次瞄准姿势的动作作为示教动作，根据示教动作测量出工具的长度。至少需要五个示教点，通过4个示教点可以确定工具长度，具体的确定方法如下：

设工具长度为l，所安装的工具的工具中心点(Tool Center Point，简称TCP)的坐标为(x,y,z)，固定在地面的尖端在机器人坐标系的实际坐标为(X₀，Y₀，Z₀)，四个示教点的坐标分别为(n_x,n_y,n_z)、(o_x,o_y,o_z)、(a_x,a_y,a_z)、(e_x,e_y,e_z)，建立如下一个变换矩阵T：

是三维的列向量，其中，是相互正交的单位向量，为机器人实际坐标点，可以列出如下方程：

利用其中的4个示教点可以列出4个方程组成方程组，然后其中两式相减可以得出如下方程：

式中H_i(i＝1,2,3,4)表示实际位置的旋转矩阵。

其余方程进行相减，可以得出以下方程：

采用线性最小二乘法的算法来对(x,y,z)进行计算得：

然后就可以通过以下公式求出工具的长度l：

另外的示教点用来减小工具长度的误差。然后求得的工具长度与之前求出的值进行平均，得到更准确的工具长度值。本实施例中瞄准姿势改变的幅度为15度，当然可以大于15度，机器人姿势改变幅度越大并尽可能正确地瞄准，测量出来的工具长度的精度越高。

该方法适用的工业机器人包括焊接机器人、搬运机器人、切割机器人、喷涂机器人等工业上常用的六轴机器人。如图2所示，标出了机器人的六个轴1、2、3、4、5、6的位置，在进行机器人重心和重量的设定时，如图3的流程图所示，编写机器人示教程序，依次对机器人每个轴进行旋转动作，读取各轴对应伺服驱动器的转矩值，根据转矩利用贝叶斯法则计算出工具的重心及重量。贝叶斯法则的具体计算方法为：

假定函数p(a|θ)表示工具重心的x分量对机器人旋转动作时的转矩值的影响概率，根据参数θ的先验信息确定先验分布记为π(θ)。然后从先验分布π(θ)中产生一个样本θ'，从总体分布p(x|θ')中产生一个样本a＝(a₁,a₂,…,a_n)，发生的概率为它是总体和样本信息的综合，也就是统计学中所说的似然函数。然后对样本θ'进行处理，用θ'的先验分布对θ的一切可能进一步综合，这样样本a＝(a₁,a₂,…,a_n)和参数θ的联合分布h(a|θ)＝p(a|θ)π(θ)就把三种可用的信息综合进去了。最后对参数θ做出统计判断，θ的推断仅取决于分布p(θ|a)，p(θ|a)表示给定样本信息a后参数θ的条件分布，

以求得的概率作为工具重心的x分量的判断权重，通过对每个轴进行动作可以得出每一次不同的判断权重，然后查找该类型机器人每个轴单独动作时不同转矩值对应的重心位置表，可以求出工具重心的x分量，同理可以求得其它所需信息。

同样地，在进行工具惯性矩设定时，分别选择X轴、Y轴、Z轴，编写程序使机器人沿着所选轴动作，一次只让机器人沿着一个方向动作(X或者Y或者Z)，测试工具惯性矩沿所选轴的分量；读取各轴对应伺服驱动器的转矩，根据各轴对应的伺服驱动器的转矩，通过贝叶斯法则计算出需要调整的工具惯性矩分量并进行设定。

该方法可以不受工具形状以及材质不均匀等因素的干扰，比通过人工测量方便快捷，大大缩短了测量和设定工具参数的时间，精度也更高。