一种通用机器人与变位机的位姿关系标定方法与流程

本发明属于通用机器人应用领域，具体涉及一种通用机器人与多轴变位机之间的位姿关系标定方法。

背景技术：

工业制造领域中应用最广泛的机器人是焊接机器人，尤其是在汽车制造业中，焊接机器人的使用量在工业机器人总量中占50％。焊接机器人是一种高度自动化的焊接设备，采用机器人代替手工焊接作业是焊接制造业的发展趋势，是提高焊接质量、降低成本、改善工作环境的重要手段。焊接机器人系统由机器人、变位机和控制器构成，通常是利用机器人控制器的外部轴功能来控制变位机的运动，实现协调焊接。

外部轴的作用是与机器人机械本体相配合，使工件变位或移位，达到机器人的最佳作业位置。在外部轴的应用中，最广泛的就是，焊接机器人与外部轴的配合工作，协调运动，使用外部轴用于回转工作的焊接变位，以得到理想的加工位置和焊接速度。本质上外部轴是焊机机器人关节自由度的拓展和作业空间的延伸。外部轴的应用是的单台焊接机器人的作业灵活性更强，焊接工件的尺寸理论上也不再受限于机器人自身的作业空间。外部轴的出现很大程度上弥补了过去焊接作业中的种种局限性。可以说，外部轴已经成为焊接机器人突破自身局限的新支点。毫无疑问，变位机成功应用的关键是与焊接机器人的协调控制。而机器人与外部轴的位姿关系的标定是机器人与变位机高效协调运动的前提。

基于焊接机器人与外部轴组成的系统，机器人与外部轴的位姿关系的标定是机器人与外部轴高效协调运动的前提，也是离线编程技术实用化的关键。哈尔滨工业大学刘圣祥硕士论文“弧焊机器人离线编程实用化研究”提出了基于旋倾变位机的五点标定法，记录TCP点在五个不同的位置的位姿数据，通过计算即可实现标定。该方法简单快速，但易受到偶然因素的影响，随机误差较大，难以满足高精度焊接的要求。上海交通大学，张轲的论文“一种焊接机器人与变位机位姿关系的标定方法”提出的多点标定方法，有较大的局限性，对外部轴的位置有要求，而且只对应双轴变位机的标定。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种通用机器人与多轴变位机之间的位姿关系标定方法，该方法对于多个外部轴之间的位置关系没有特殊的要求，通用性更强。

技术方案：一种通用机器人与变位机的位姿关系标定方法，包括如下步骤：

步骤1、分别标定每个外部轴，获取其轴向向量z_n，n＝1,..,N，其中n为外部轴序号，N为外部轴数量；

步骤2、根据各外部轴的轴向向量z_n获取位姿变换矩阵

具体地，步骤1中标定一个外部轴J_n的步骤包括：

(11)在所述外部轴卡盘上安装一个定位点，在所述外部轴运动范围内均匀选取M个点，将操作组变换到机器人-示教模式下，保持其他外部轴位置不变，操作机器人使机器人的TCP点与定位点重合，将变位机转到选取的M个点的位置，记录相应的TCP点的位姿数据P_m(X_m,Y_m,Z_m)，其中m＝1..M；

(12)根据M个位姿数据P_m(X_m,Y_m,Z_m)拟合出最优圆面；过所述最优圆面的圆心O_n(A_n,B_n,C_n)做该圆面的法向量，即为所述外部轴的轴向向量z_n。

具体地，步骤(2)包括：

(21)计算变位机基坐标系的坐标原点O(A,B,C)；

对外部轴J₁的M个位姿数据采样点P_m(X_m,Y_m,Z_m)拟合出最优球面：

(X-A)²+(Y-B)²+(Z-C)²＝D²

其中球心坐标O(A,B,C)为变位机基坐标系的坐标原点；

(22)根据各外部轴的轴向向量z_n计算变位机基坐标系的X、Y、Z轴的单位矢量：

Z轴方向的单位矢量为：

X轴方向的单位矢量为：

Y轴方向的单位矢量为：

(23)得到变位机基坐标系相对于机器人基坐标系的位姿变换矩阵

其中I(i_x,i_y,i_z)为X轴单位矢量J(j_x,j_y,j_z)为Y轴单位矢量K(k_x,k_y,k_z)为Z轴单位矢量O(A,B,C)为变位机基坐标系的坐标原点。

优选地，步骤(12)中采用最小二乘法拟合最优圆面。

优选地，步骤(21)中采用最小二乘法拟合最优球面。

优选地，步骤(11)中在所述外部轴运动范围内均匀选取5个点，即M＝5。

有益效果：与现有技术相比，本发明公开的通用机器人与变位机的位姿关系标定方法具有以下优点：1、本发明公开的方法适用于各种变位机，可以对多个外部轴进行标定；2、对外部轴之间的位置关系、外部轴与机器人的位置关系、变位机的机构没有特殊的要求，通用性强；3、每个外部轴的标定都选取多个点，标定的精度相对于常规的方法有很大的提高。

附图说明

图1为多轴变位机的坐标系示意图；

图2为多轴变位机外部轴标定过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

本实施例以双轴变位机为例进一步阐释本发明公开的方法。此变位机绕旋转轴和倾斜轴分别旋转，可以移动到多个位置，本实施例中每个外部轴采集5个位置点的位姿数据。

一种通用机器人与变位机的位姿关系标定方法，包括如下步骤：

步骤1、分别标定每个外部轴，获取其轴向向量z_n，n＝1,..,N，其中n为外部轴序号，N为外部轴数量；

首先，标定旋转轴J₁的步骤包括：

(11)在J₁卡盘上安装一个定位点，定位点的作用相当于一个基准点，在J₁运动范围内均匀选取5个点，本实施例中选择相对于定位点的角度分别为-60°、-30°、0°、30°、60°五个位置；将操作组变换到机器人-示教模式下，保持倾斜轴位置不变，操作机器人使机器人的TCP点与定位点重合，分别将变位机转到选取的5个点的位置，记录相应的TCP点的位姿数据P_u(X_u,Y_u,Z_u)，其中u＝1..5；

(12)根据采集的5个位姿数据P_u(X_u,Y_u,Z_u)，采用最小二乘法拟合出最优圆面；过所述最优圆面的圆心O₁(A₁,B₁,C₁)做该圆面的法向量，即为旋转轴的轴向向量z₁。

类似地，对倾斜轴J₂进行标定，得到J₂的轴向向量z₂。

步骤2、根据轴向向量z₁和z₂获取位姿变换矩阵具体包括如下步骤：

(21)计算变位机基坐标系的坐标原点O(A,B,C)；

对旋转轴J₁的5个位姿数据采样点P_u(X_u,Y_u,Z_u)采用最小二乘法拟合出最优球面：

(X-A)²+(Y-B)²+(Z-C)²＝D²

其中球心坐标O(A,B,C)为变位机基坐标系的坐标原点；

(22)根据轴向向量z₁和z₂计算变位机基坐标系的X、Y、Z轴的单位矢量：

Z轴方向的单位矢量为：

X轴方向的单位矢量为：

Y轴方向的单位矢量为：

(23)得到变位机基坐标系相对于机器人基坐标系的位姿变换矩阵

其中I(i_x,i_y,i_z)为X轴单位矢量J(j_x,j_y,j_z)为Y轴单位矢量K(k_x,k_y,k_z)为Z轴单位矢量O(A,B,C)为变位机基坐标系的坐标原点。