工業(yè)機(jī)器人的在線校準(zhǔn)方法,執(zhí)行該方法的系統(tǒng)和包括該校準(zhǔn)系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于工業(yè)機(jī)器人的在線校準(zhǔn)的方法，涉及工業(yè)機(jī)器人的在線校準(zhǔn)的校 準(zhǔn)系統(tǒng)以及涉及工業(yè)機(jī)器人。機(jī)器人包括固定基座部分和多鏈節(jié)機(jī)器人臂。通過(guò)鉸接接頭， 鏈節(jié)分別相互連接并且連接至機(jī)器人的基座部分。機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端可以在三維空間內(nèi)關(guān)于 基座部分而移動(dòng)至下文中涉及方位的期望位置和定向。
【背景技術(shù)】
[0002] -般來(lái)說(shuō)，機(jī)器人校準(zhǔn)是使用軟件加強(qiáng)機(jī)器人的位置準(zhǔn)確性的過(guò)程。它的目的在 于識(shí)別機(jī)器人的準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)屬性，其會(huì)在笛卡爾空間中建立在機(jī)器人臂遠(yuǎn)端的末端受動(dòng)器 的接頭角度和位置之間的映射。可以有許多導(dǎo)致機(jī)器人位置的不準(zhǔn)確性的誤差源，包括在 機(jī)器人的生產(chǎn)期間的制作公差、熱效應(yīng)、編碼器偏移、臂柔韌性、齒輪傳輸誤差和齒輪傳輸 中的齒隙。
[0003] 考慮到在許多工業(yè)應(yīng)用中高準(zhǔn)確度機(jī)器人的重要，在機(jī)器人群體中有許多對(duì)于這 個(gè)問(wèn)題感興趣的的研宄人員是自然的?；诜椒ń鉀Q的誤差源，已知方法典型地分類為三 個(gè)等級(jí)：（i)接頭等級(jí)誤差（例如，接頭偏移），（ii)運(yùn)動(dòng)模型誤差，以及（iii)非幾何形狀 誤差（例如接頭柔量）。已知方法可以被進(jìn)一步劃分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)校準(zhǔn)方法。
[0004] 當(dāng)開(kāi)發(fā)用于工業(yè)應(yīng)用的校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)，考慮多個(gè)要求，該要求如果被實(shí)現(xiàn)的話則是 是有利的。特定地，這個(gè)系統(tǒng)必須能夠以高準(zhǔn)確度提供機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)屬性，要求低執(zhí)行 時(shí)間，致使在大體積工作空間中的機(jī)器人準(zhǔn)確度，適用在可用工作空間用于校準(zhǔn)，對(duì)于工廠 條件是健壯的，要求最小人工干預(yù)來(lái)操作，是便攜的并且低成本的。前述要求的大部分源于 在生產(chǎn)期間也就是在機(jī)器人的常規(guī)操作期間需要周期性在線校準(zhǔn)機(jī)器人的的事實(shí)。
[0005] 機(jī)器人校準(zhǔn)的問(wèn)題可以分解為4個(gè)階段，即（i)運(yùn)動(dòng)建模、（ii)姿勢(shì)測(cè)量、（iii) 誤差參數(shù)識(shí)別和（iv)誤差補(bǔ)償。它們中的每個(gè)的分析在下文中給出。
[0006] 認(rèn)識(shí)到為了校準(zhǔn)過(guò)程而選擇的運(yùn)動(dòng)模型應(yīng)當(dāng)滿足三個(gè)基本要求，具體地，完整性、 連續(xù)性和極簡(jiǎn)性。因?yàn)槟Ｐ椭械膮?shù)必須足以表征機(jī)器人幾何結(jié)構(gòu)的任何可能的變形，所 以加強(qiáng)第一個(gè)要求。由于必須存在幾何結(jié)構(gòu)的改變和描述它們的參數(shù)的改變之間的類似的 事實(shí)，考慮第二標(biāo)準(zhǔn)。換句話說(shuō)，運(yùn)動(dòng)模型必須使其通過(guò)運(yùn)動(dòng)模型的參數(shù)中的小的改變，表 示幾何結(jié)構(gòu)中的小改變。最后，運(yùn)動(dòng)模型必須是最小的，因?yàn)樗话ㄈ哂鄥?shù)，而是自身 限于描述幾何結(jié)構(gòu)所必須的那些參數(shù)。
[0007] Denavit-Hartenberg(D-H)轉(zhuǎn)換被認(rèn)為是簡(jiǎn)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)屬性的建模和在前述考 慮的大部分情況中實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的方法。根據(jù)D-H變換，機(jī)器人臂的每個(gè)鏈接被分配4個(gè)參 數(shù)，即鏈接長(zhǎng)度（a》、鏈接扭轉(zhuǎn)（a J、鏈接偏移（Cli)和接頭角度（qi)。
[0008] 雖然在機(jī)器人群體中廣泛使用D-H模型，但是由于機(jī)器人鏈接的幾何結(jié)構(gòu)中的小 改變可以導(dǎo)致關(guān)聯(lián)D-H參數(shù)的值的突變的事實(shí)，當(dāng)兩個(gè)連貫接頭軸平行或幾乎平行時(shí)，問(wèn) 題出現(xiàn)。Hayati等通過(guò)修改D-H模型和使用附加角度參數(shù)β來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。然而，由于 上述的理由，這個(gè)方法不適合對(duì)兩個(gè)連貫垂直或幾乎垂直接頭軸進(jìn)行建模。因此建議使用 D-H參數(shù)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)屬性進(jìn)行建模，并且包括對(duì)于（幾乎）平行接頭軸的Hayati等參 數(shù)。
[0009] 雖然在文獻(xiàn)中建議其它運(yùn)動(dòng)模型，例如Stone等的S模型，和Zhuang等的彎曲和 參數(shù)連續(xù)（CPC)模型，但是在機(jī)器人群體中占主要地位的是D-H和Hayati模型。必須注意 的是，校準(zhǔn)模型可以不僅僅限制于幾何參數(shù)，而是可以改為利用彈性因素（例如，接頭/鏈 接剛度）來(lái)加強(qiáng)。
[0010] 在姿勢(shì)測(cè)量階段，機(jī)器人移動(dòng)至典型地滿足一些約束（例如，末端受動(dòng)器必須位 于傳感器的視野中或以環(huán)境中的特定點(diǎn)為目標(biāo)等）好多個(gè)姿勢(shì)，并且記錄接頭角度。外部 傳感器用于給出關(guān)于末端受動(dòng)器的實(shí)際方位（位置和定向）的反饋，并且這些方位與基于 正向運(yùn)動(dòng)（使用記錄的接頭角度）預(yù)測(cè)的方位進(jìn)行比較。觀察的誤差被記錄并且會(huì)被使用 在下一個(gè)階段（即，誤差參數(shù)識(shí)別）中以找到使誤差最小的這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
[0011] 用于選擇測(cè)量系統(tǒng)的最重要因素包括所要求的人工干預(yù)的數(shù)量、測(cè)量系統(tǒng)的成 本、測(cè)量系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間、以及測(cè)量系統(tǒng)在工廠環(huán)境中的性能。雖然不必須估計(jì)末端受動(dòng)器 的完全方位以執(zhí)行校準(zhǔn)，但是提取末端受動(dòng)器的6D方位（位置和定向）的測(cè)量系統(tǒng)使得校 準(zhǔn)方法使用更少數(shù)量的校準(zhǔn)方位（因?yàn)楦嗉s束應(yīng)用到每個(gè)測(cè)量中）。
[0012] 應(yīng)當(dāng)注意的是，所選擇的校準(zhǔn)方位的集合對(duì)于校準(zhǔn)方法的質(zhì)量而言是重要的。方 位的不同結(jié)合能夠改進(jìn)獲得的結(jié)果或使其更糟。
[0013] 給定在先前階段中執(zhí)行的方位測(cè)量集合，可以計(jì)算末端受動(dòng)器預(yù)測(cè)方位和實(shí)際方 位之間的相應(yīng)誤差。這個(gè)階段的目的為現(xiàn)在優(yōu)選地在至少均方差意義下，確定將這個(gè)誤差 最小化的運(yùn)動(dòng)模型中的參數(shù)值。在文獻(xiàn)中建議許多方法，levenbergy Marquardt是最流行 的。
[0014] 注意對(duì)于未知的參數(shù)的實(shí)際值的良好初始猜測(cè)是重要的，使得參數(shù)估計(jì)算法是有 效的并且快速地收斂。因此建議在迭代的最佳過(guò)程的開(kāi)始處向運(yùn)動(dòng)參數(shù)分配運(yùn)動(dòng)參數(shù)標(biāo)稱 值，因?yàn)閷?shí)際值不會(huì)顯著不同。
[0015] 對(duì)于許多已知方法常見(jiàn)的是避免改變?cè)跈C(jī)器人控制器中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。相反，許多 已知方法優(yōu)選通過(guò)使用如在先前階段中所識(shí)別的新的運(yùn)動(dòng)參數(shù)而解決末端受動(dòng)器的目標(biāo) 笛卡爾位置的反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并且發(fā)送新的接頭角度至控制器來(lái)糾正位置誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明的目的為提出一種新的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)系統(tǒng)，該校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)系統(tǒng)在實(shí) 現(xiàn)上容易且便宜，并且提供工業(yè)機(jī)器人的快速和高度準(zhǔn)確的在線校準(zhǔn)。
[0017] 這個(gè)目的由上文提到工業(yè)機(jī)器人的在線校準(zhǔn)的方法來(lái)解決，其特征在于：
[0018] 通過(guò)剛性連接至所述機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端的至少一個(gè)光源而生成至少三束光線，
[0019] 適用于在二維平面中確定影響傳感器的光線的位置的至少一個(gè)光學(xué)位置傳感器 位于關(guān)于機(jī)器人的基座部分的固定方位，使得在所述機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端的預(yù)先限定校準(zhǔn)方位 中，由至少一個(gè)光源生成的光線中的至少一些影響傳感器或影響傳感器中的至少一個(gè)，
[0020] 機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端通過(guò)來(lái)自機(jī)器人控制器的控制信號(hào)而被驅(qū)動(dòng)至預(yù)先限定校準(zhǔn)方 位，其中生成的光線的至少一些在特定位置中影響傳感器或影響傳感器中的至少一個(gè)，
[0021] 確定使生成的光線影響傳感器或影響傳感器中的至少一個(gè)的位置，
[0022] 通過(guò)迭代閉環(huán)控制過(guò)程驅(qū)動(dòng)所述機(jī)器人，使得影響傳感器或影響傳感器中的至少 一個(gè)的光線的位置移動(dòng)至先前限定的位置，該先前限定的位置表征在所述機(jī)器人的先前狀 態(tài)中機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端的校準(zhǔn)方位，
[0023] 當(dāng)影響傳感器或影響傳感器中的至少一個(gè)的光線達(dá)到先前限定的位置時(shí)，確定所 述機(jī)器人臂的特征參數(shù)尤其機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，所述特征參數(shù)在機(jī)器人控制器中明確地表 征所述機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端的方位，
[0024] 對(duì)于這些預(yù)先限定的位置，將所確定的特征參數(shù)與所述機(jī)器人臂的對(duì)應(yīng)的先前限 定的特征參數(shù)進(jìn)行比較，所述機(jī)器人臂的先前限定的特征參數(shù)限定在先前狀態(tài)中所述機(jī)器 人的運(yùn)動(dòng)模型，
[0025] 所確定的特征參數(shù)和對(duì)應(yīng)的先前限定的特征參數(shù)之間的差用于更新所述機(jī)器人 的運(yùn)動(dòng)模型，以及
[0026] 所述機(jī)器人的已更新的運(yùn)動(dòng)模型適用于在所述機(jī)器人的常規(guī)操作期間使用以糾 正所述機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端的初始方位，所述初始方位是在機(jī)器人的常規(guī)操作期間由所述機(jī)器 人控制器所發(fā)出的控制信號(hào)導(dǎo)致的，所述更準(zhǔn)確的方位考慮在所述機(jī)器人的常規(guī)操作期間 發(fā)生的所述機(jī)器人臂的不準(zhǔn)確性。
[0027] 為了加強(qiáng)所確定的特征參數(shù)的信息內(nèi)容和為了能夠以更高準(zhǔn)確度更新機(jī)器人的 運(yùn)動(dòng)模型，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，建議至少一個(gè)光源生成的光線在至少兩個(gè)正交平 面內(nèi)延伸。當(dāng)然，即使這個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式未實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明也能運(yùn)行良好。
[0028] 在本專利應(yīng)用中，術(shù)語(yǔ)"方位"包括機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端的位置（例如在笛卡爾坐標(biāo)系 統(tǒng)中的x，y，z)以及定向（例如，在X軸，y軸，z軸周圍的a，b，c)。另一個(gè)術(shù)語(yǔ)"姿勢(shì)"用 于描述帶有在特定位置、定向和角度中的鏈節(jié)和接頭的機(jī)器人臂的特定狀態(tài)。由于與工業(yè) 機(jī)器人的機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端的移動(dòng)有關(guān)的高自由度，可能的是，遠(yuǎn)端的同一個(gè)方位可以用機(jī) 器人臂的不同姿勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0029] 機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端還可以稱為凸緣。末端受動(dòng)器（帶有工具中央點(diǎn)TCP的實(shí)際工 具）固定至凸緣。
[0030] 本發(fā)明涉及工業(yè)機(jī)器人的在線校準(zhǔn)的具體有利方法。其以通過(guò)機(jī)器人控制器發(fā)出 的控制信息而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人臂的遠(yuǎn)端至先前限定校準(zhǔn)方位（位置和定向）而開(kāi)始。在校準(zhǔn)方 位中，光源發(fā)射的多束光線影響至少一個(gè)光學(xué)位置傳感器的二維靈敏表面。傳感器包括，例 如包括合適圖像處理軟件的，具有CMOS或CCD芯片作為靈敏表面的數(shù)字相機(jī)。傳感器還可 以包括具有層狀半導(dǎo)體作為二維靈敏表面的方位靈敏設(shè)備PSD?？梢灾敢饩€影響同一個(gè) PSD。在那種情況下，光學(xué)位置傳感器可以適合于檢測(cè)和確定同時(shí)地（例如，像數(shù)字相機(jī)） 影響傳感器的多束光線的位置，或可替選地（例如，如果傳感器為PSD)光源可以被控制以 為了一次發(fā)射多束光線，其中多束光線按順序發(fā)射，而在所有光線的發(fā)射期間機(jī)器人臂的 遠(yuǎn)端保留在相同的校準(zhǔn)方位中。還可能的是，在與本發(fā)明結(jié)合使用的校準(zhǔn)系統(tǒng)的