專利名稱：基于間接測量法的高精度制孔機器人的工具參數(shù)標定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于間接測量法的高精度制孔機器人的工具參數(shù)標定方法，屬于工業(yè)機器人標定技術領域。
背景技術：
近年來隨著工業(yè)機器人技術的發(fā)展，以及飛機制造業(yè)對自動化、柔性化裝配的迫切需求。在飛機的制造過程中用工業(yè)機器人進行自動柔性裝配、部件加工如鉆鉚、噴漆、焊接等可以極大提高飛機生產的效率和質量的可靠性。在實際應用中，機器人是通過在末端安裝不同的工具來完成各種工作。通常在作業(yè)之前需要對工具參數(shù)進行標定，工具參數(shù)的準確度對機器人的定位精度、軌跡精度都具有直接的影響。特別地當機器人由于誤動作發(fā)生碰撞、刀具磨損后需要換刀時都需要重新對工具參數(shù)進行標定。所以，研究一種精確、便捷的工具坐標系標定方法就具有重要的意義。在已有的文獻中，文獻“Wang Xuguang, Edward Red. Robotic TCF and Rigid-body Calibration Methods[J]. Robotica, 1997, 15:633-644. ”提出的標定方法中規(guī)定工具是軸對稱的回轉體以及需要保證安裝工具時其軸線同機器人末端關節(jié)軸線重合或平行，這些在實際操作中往往難以滿足且在其方法中有些是示教無法精確作到的，因此會在標定結果中引入較大誤差。文獻“李瑞峰，侯琳琪，陶謙.機器人末端工具參數(shù)自動標定方法[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，1998,30:74-76. ”提出的三種標定方法中，規(guī)定了工具原點只能在末端關節(jié)坐標系的某個坐標平面上，即位置參數(shù)只有兩個。文獻“牛雪娟，劉景泰.基于奇異值分解的機器人工具坐標系標定[J].自動化與儀表，2008，3:1-4. ”提出一種稱為三點五步法的機器人工具參數(shù)標定方法，可以同時標定工具參數(shù)的位置參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)，但是在標定過程中有些是示教方式無法精確作到的，這樣盡管采用了最小二乘優(yōu)化方法但是其標定結果還是會有較大誤差，不適用于對于精度要求很高的應用場合。上述的這些方法大多需要利用一定的外部標定工具且在標定過程中需要較多的人為參與從而會引入較大的誤差較難適應對精度要求特別高的場合。

發(fā)明內容
本發(fā)明為提高工業(yè)機器人的工具參數(shù)標定精度，針對現(xiàn)有技術存在的不足，而提出一種基于間接測量法的高精度制孔機器人的工具參數(shù)標定方法。該方法包括如下步驟
步驟I:利用激光跟蹤儀建立機器人坐標系；
步驟2 :建立機器人末端手腕坐標系；
步驟3 :在機器人末端制孔執(zhí)行裝置上選一固定點作為TCP1并借助激光跟蹤儀對TCP1 的參數(shù)進行標定；
步驟4 :調整機器人姿態(tài)使末端制孔執(zhí)行裝置的壓力腳與固定在型架上的標定平板距離合適，并使刀具軸線與標定平板垂直；步驟5 :用激光跟蹤儀測量TCP1的位置及標定平板的平面法向；
步驟6 :在標定平板上鉆孔，測量標定平板表面孔的中心點位置作為TCP2的位置；
步驟7 :運用機器人運動學模型求解出虛擬刀尖點即TCP2的標定參數(shù)矩陣。本發(fā)明方法在標定過程中共涉及到兩個TCP (Tool Center Point,工具中心點)， 其中一個1^^可以通過直接測量的手段來進行標定，另一個TCP2因為是刀具軸線上的虛擬刀尖點無法通過直接測量的手段來標定。本發(fā)明具有如下技術效果
O避免了傳統(tǒng)機器人工具參數(shù)標定過程中的對尖等精確性不高的環(huán)節(jié)，從而提高了標定精度。2)本方法提出了虛擬刀尖點的概念，使提出的標定方法適用于不同規(guī)格的刀具， 從而提高了方法的適用范圍。3)采用在標定平板上鉆孔的方式將虛擬刀尖點的位姿固定下來，解決了虛擬刀尖點無法測量的問題。4)整個標定過程可以編制成程序固定下來，即使生產任務發(fā)生改變也可以通過修改相應的程序參數(shù)來適應，從而方便地在工業(yè)現(xiàn)場進行應用。


圖I為末端手腕坐標系的建立示意圖。圖2為TCP間位姿關系示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明基于間接測量法的高精度制孔機器人的工具參數(shù)標定方法的步驟如下 步驟I:利用激光跟蹤儀建立機器人坐標系；
建立激光跟蹤儀與機器人基坐標系之間關聯(lián)的步驟為
1)將球形固定反射器SMR固定在末端執(zhí)行器的TCP上，且保持A2到A6軸的位置(角度)固定不變，通過旋轉Al軸，用FARO激光跟蹤儀測量一系列位于圓周上的點；
2)利用FARO自帶的CAM2Measure軟件，將步驟I)得到的測量點依次擬合出一個平面和一個圓，從而得到圓心的理論坐標；
3)測量機器人底座平面上的一系列點并擬合出一個平面，再對該平面做偏移量為SMR 半徑的偏移；
4)把步驟2)中得到的圓心投影到步驟3)偏移得到的平面中，得到機器人的原點位
置；
5)測量機器人處于零點位置時機器人法蘭盤上兩個水平對稱的安裝孔，然后算出這兩個測量點的中點，再把所得中點向步驟3)中得到的偏移平面做投影，得到處于Z軸上的
■~* 占.
6)從機器人機械零點開始按逆時針方向旋轉Al軸(小于90度的任意值)并測量，再把該點向步驟3)中得到的偏移平面做投影，得到處于+iT平面上的一點；
7)利用原點以及步驟5)和6)得到的兩點構造出坐標系，該坐標系即為機器人坐標
系ο
步驟2 :建立機器人末端手腕坐標系；
如圖I所示，控制機器人回到機械零點位置，通過測量機器人末端法蘭盤上6個定位孔來擬合一個平面并偏移SMR球的半徑作為法蘭平面，然后將測量的6個定位孔對應的點投影到法蘭平面上用它們來擬合一個圓，則該圓的圓心即為法蘭盤坐標系的原點。這樣通過原點、點5和6的中點和點4這三點建立的坐標系即為機器人末端手腕坐標系。步驟3 :在機器人末端制孔執(zhí)行裝置上選一固定點作為TCP1并借助激光跟蹤儀對 TCP1的參數(shù)進行標定；
把末端制孔執(zhí)行裝置安裝到機器人末端法蘭上，并將用來安放靶標球的磁鐵底座固定在末端執(zhí)行裝置的一個固定點上?？刂茩C器人回到機械零點位置，并將靶標球放置在磁鐵底座上，此時用激光跟蹤儀測得的靶標球的中心點相對于末端坐標系的坐標值即為TCP1工具參數(shù)的位置參數(shù)。對于姿態(tài)參數(shù)只需要選取一個使機器人末端制孔執(zhí)行機構處于一個合適的加工姿態(tài)就可以了，不需要做精確地定義。步驟4:調整機器人姿態(tài)使末端制孔執(zhí)行裝置的刀具軸線與標定平板垂直，并測量標定平板的平面法向；
具體的步驟為
1)將標定平板固定在機器人包絡空間范圍內的型架上，并控制機器人使末端制孔執(zhí)行機構的刀具軸線大體與標定平板垂直；
2)在標定平板上選取預制孔附近的若干點，一般不少于30點，用激光跟蹤儀及其自帶的CAM2軟件擬合出標定平板平面并得到平板的法向；
3)通過步驟2)中得到的標定平板的法向信息，利用機器人自動制孔系統(tǒng)的帶有4個激光位移傳感器的法向找正模塊對機器人姿態(tài)進行微調，使刀具軸線與標定板精確垂直；
步驟5 :用激光跟蹤儀測量TCP1的位置；
得到TCP1的位置參數(shù)后，因為規(guī)定法向找正后TCP的X軸方向是和標定平板的法向是重合的，所以通過RPY (滾動角、俯仰角、偏航角)變換可以很容易得到在基座標中TCP的姿態(tài)。步驟6 :在標定板上鉆孔，測量標定平板表面孔的中心點位置作為TCP2的位置； 得到TCP2的位置參數(shù)后，因為規(guī)定TCP1和TCP2的姿態(tài)始終是相同的，所以此時也很容
易得到TCP2的姿態(tài)。TCP間位姿關系如圖2所示。步驟7 :運用機器人運動學模型求解出虛擬刀尖點即TCP2的標定參數(shù)矩陣。在確定了 TCP1相對于機器人末端手腕坐標系的位置分量和姿態(tài)分量后對于機器人處于任一姿態(tài)有
權利要求
1.一種基于間接測量法的高精度制孔機器人的工具參數(shù)標定方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟I:利用激光跟蹤儀建立機器人坐標系；步驟2 :建立機器人末端手腕坐標系；步驟3 :在機器人末端制孔執(zhí)行裝置上選一固定點作為TCP1并借助激光跟蹤儀對TCP1 的參數(shù)進行標定；步驟4 :調整機器人姿態(tài)使末端制孔執(zhí)行裝置的壓力腳與固定在型架上的標定平板距離合適，并使刀具軸線與標定平板垂直；步驟5 :用激光跟蹤儀測量TCP1的位置及標定平板的平面法向；步驟6 :在標定平板上鉆孔，測量標定平板表面孔的中心點位置作為TCP2的位置；步驟7 :運用機器人運動學模型求解出虛擬刀尖點即TCP2的標定參數(shù)矩陣。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于間接測量法的高精度制孔機器人的工具參數(shù)標定方法， 其特征在于所述步驟3中在標定TCP1時其位置參數(shù)是通過測量獲得的，其姿態(tài)參數(shù)是人為指定的。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于間接測量法的高精度制孔機器人的工具參數(shù)標定方法， 其特征在于所述步驟5中，定義TCP1上坐標系X軸與標定平板的平面法向方向是重合的。
4.根據(jù)權利要求I所述的基于間接測量法的高精度制孔機器人的工具參數(shù)標定方法， 其特征在于所述步驟6中，定義TCP2的姿態(tài)參數(shù)與TCP1是一致的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于間接測量法的高精度制孔機器人的工具參數(shù)標定方法，該方法共涉及兩個TCP，其中一個TCP可以通過直接測量來確定，另一個TCP則是制孔裝置刀具軸線上的虛擬刀尖點。主要思想是通過控制機器人末端到達一定的位姿后在標定平板上鉆孔從而將虛擬刀尖點的位姿固定下來，再運用機器人運動學模型來確定虛擬刀尖點的參數(shù)。該發(fā)明避免了傳統(tǒng)機器人工具參數(shù)標定過程中的對尖等精確性不容易保證的環(huán)節(jié)，從而提高了標定精度；提高了方法的適用范圍；解決了虛擬刀尖點無法測量的問題；整個標定過程可以編制成程序固定下來，即使生產任務發(fā)生改變也可以通過修改相應的程序參數(shù)來適應，從而方便地在工業(yè)現(xiàn)場進行應用。
文檔編號B23Q17/24GK102601684SQ201210097988
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權日2012年4月6日
發(fā)明者周衛(wèi)雪, 周煒, 廖文和, 沈建新, 田威, 賀美華 申請人:南京航空航天大學