專利名稱：一種基于激光跟蹤測(cè)量的機(jī)器人工具坐標(biāo)系自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于激光跟蹤測(cè)量的機(jī)器人工具坐標(biāo)系自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代制造業(yè)中大量使用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，主要通過(guò)工具快換法蘭快速 抓放大量模塊化工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人以其極高的重復(fù)定位精度、較高的絕對(duì)定位精度、高度 的柔性、較小的安裝空間需求和可編程控制等特點(diǎn)，保證其具有比較大的靈活作業(yè)空間的 同時(shí)，保證了總體布局設(shè)計(jì)上的結(jié)構(gòu)緊湊性和作業(yè)空間開(kāi)敞性，在現(xiàn)代制造業(yè)中得到廣泛 應(yīng)用。工具快換法蘭是保證機(jī)器人“一機(jī)多能”的重要部件。工具快換法蘭通過(guò)氣動(dòng)控制 實(shí)現(xiàn)快換法蘭兩部分的自動(dòng)鎖緊和分離，它通過(guò)球面副實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)鎖閉，可自動(dòng)適配，并可以 傳送電、氣和控制信號(hào)。工具快換法蘭多個(gè)母端分別裝上精確制孔高速電主軸、激光跟蹤儀 六自由度反射器T-Mac或T-Probe、位移傳感器、打號(hào)裝置等執(zhí)行器，可以使工業(yè)機(jī)器人從 事高速精確制孔、測(cè)量與檢測(cè)、打制記號(hào)等各種工作。通過(guò)機(jī)器人發(fā)出的氣動(dòng)控制信號(hào)，工 業(yè)機(jī)器人可以在不同作業(yè)工序，利用工具快換法蘭公端迅速準(zhǔn)確地吸合不同工具快換法蘭 母端進(jìn)行工作。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能和精度，必須構(gòu)建不同工具與機(jī)器人的位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系。 各工具坐標(biāo)系的創(chuàng)建與標(biāo)定是系統(tǒng)初始化必須完成的重要工作之一，其創(chuàng)建與標(biāo)定將直接 影響到機(jī)器人的工作和精度。構(gòu)建和標(biāo)定機(jī)器人坐標(biāo)系可以精確地確定工具在機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系下的位 姿，機(jī)器人便可準(zhǔn)確使用工具。構(gòu)建和標(biāo)定機(jī)器人工具坐標(biāo)系的傳統(tǒng)方法僅僅提出了對(duì)尖法，操作復(fù)雜而且效 率、精度較低，大多數(shù)沒(méi)有給出標(biāo)定后具體精度的數(shù)值指標(biāo)。機(jī)器人工具坐標(biāo)系的構(gòu)建與標(biāo)定過(guò)程是一個(gè)極其繁瑣而復(fù)雜的過(guò)程，本發(fā)明提出 了一種快速簡(jiǎn)單精準(zhǔn)的方法來(lái)構(gòu)建與標(biāo)定機(jī)器人工具坐標(biāo)系。采用激光跟蹤儀來(lái)測(cè)量一系 列點(diǎn)并進(jìn)行位姿匹配計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)前述坐標(biāo)系的構(gòu)建與標(biāo)定。該方法具有操作簡(jiǎn)單、精度 高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的構(gòu)建與標(biāo)定，提供一種基于激光跟蹤測(cè) 量的機(jī)器人工具坐標(biāo)系自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法?；诩す飧櫆y(cè)量的機(jī)器人工具坐標(biāo)系自動(dòng)化標(biāo)定裝置包括機(jī)器人、靶標(biāo)法蘭、 靶標(biāo)安裝孔、激光跟蹤儀、工具、上位機(jī)；機(jī)器人上安裝有靶標(biāo)法蘭、工具，靶標(biāo)法蘭上有6 個(gè)靶標(biāo)安裝孔，機(jī)器人外側(cè)設(shè)有激光跟蹤儀、上位機(jī)。所述的機(jī)器人的標(biāo)定誤差減少到0. 103657mm。所述的上位機(jī)、機(jī)器人、激光跟蹤儀之間通過(guò)RS485以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)Socket通訊，以字符串的形式發(fā)送數(shù)據(jù)、命令、請(qǐng)求，通過(guò)上位機(jī)完成測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的備份和保存。標(biāo)定機(jī)器人工具坐標(biāo)系的步驟如下1)機(jī)器人回機(jī)械原點(diǎn)，通過(guò)機(jī)器人記下當(dāng)前的位置，使機(jī)器人繞機(jī)器人末端手腕 坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)和沿機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系移動(dòng)時(shí)以該姿態(tài)為同一起點(diǎn)；2)機(jī)器人回機(jī)械原點(diǎn)，繞機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系的X、Y、Z軸各旋轉(zhuǎn)若干點(diǎn)，測(cè)量 靶標(biāo)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的位置，記為ΡχΗ、Ρ_、Ρ&， = 1,2...；3)機(jī)器人回機(jī)械原點(diǎn)，沿機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系的X、Y、Z軸各移動(dòng)若干點(diǎn)，測(cè)量 靶標(biāo)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的位置，記為Pxli、Pyli、Pzli，i = 1,2...；4)機(jī)器人回機(jī)械原點(diǎn)，測(cè)量靶標(biāo)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的位置，記為(Xto，yP0, Ζpo)‘5)通過(guò)坐標(biāo)測(cè)量得出靶標(biāo)在機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系下的位置。6)激光跟蹤儀測(cè)量并擬合圓柱類工具在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的位姿用軸線矢量 (a, b，c)和工具原點(diǎn)( (1)，Y0 (1)，zQ (1))，其中1為工具長(zhǎng)度表示；7)激光跟蹤儀測(cè)量3 6個(gè)靶標(biāo)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，記為PKi，i = 1， 2,. . . m ；8)獲取3 6個(gè)靶標(biāo)在機(jī)器人工具坐標(biāo)系下的位置關(guān)系；9)將3 6個(gè)靶標(biāo)在機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系下和機(jī)器人工具坐標(biāo)系下的位置關(guān)系 進(jìn)行匹配分析計(jì)算，獲取機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系到機(jī)器人工具坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換矩陣，標(biāo) 定機(jī)器人工具坐標(biāo)系。所述的將3 6個(gè)靶標(biāo)在機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系下和機(jī)器人工具坐標(biāo)系下的位置 關(guān)系進(jìn)行匹配分析計(jì)算，獲取機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系到機(jī)器人工具坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換矩陣 的步驟為記測(cè)量3 9個(gè)靶標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)為Pa、理論坐標(biāo)為PB，PAi，i = 1,2,... ,m為空間 固定靶標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)，PBi, i = 1,2,... ,m為空間固定靶標(biāo)的理論坐標(biāo)；姿態(tài)計(jì)算是實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)值到理論坐標(biāo)值一個(gè)剛性轉(zhuǎn)換aTb Pb = aTbXPa (1)該剛性變換aTb可表達(dá)為一個(gè)旋轉(zhuǎn)變化R和一個(gè)平移變換t的組合，即Pb = aTbXPa = RX PA+t (2)由于測(cè)量誤差的存在，變換后的結(jié)果不能完全等于理論的坐標(biāo)值，即ζ = PBi-(RXPAi+t), ζ 為誤差矩陣。(3)式中，{xAi’，yAi’，zAi’ }為PAi經(jīng)旋轉(zhuǎn)變化和一個(gè)平移變換后的坐標(biāo)值，{xAi，yAi， ZaJ為PBi的坐標(biāo)值。令Di;i = 1，2，...，m為靶標(biāo)對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)轉(zhuǎn)換后與理論點(diǎn)之間的距離，即
權(quán)利要求
1.一種基于激光跟蹤測(cè)量的機(jī)器人工具坐標(biāo)系自動(dòng)化標(biāo)定裝置，其特征在于包括機(jī)器 人(1)、靶標(biāo)法蘭(2)、靶標(biāo)安裝孔(3)、激光跟蹤儀(4)、工具(5)、上位機(jī)(6)；機(jī)器人(1) 上安裝有靶標(biāo)法蘭O)、工具(5)，靶標(biāo)法蘭⑵上有6個(gè)靶標(biāo)安裝孔(3)，機(jī)器人⑴外側(cè) 設(shè)有激光跟蹤儀(4)、上位機(jī)(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光跟蹤測(cè)量的機(jī)器人工具坐標(biāo)系自動(dòng)化標(biāo)定裝 置，其特征在于所述的機(jī)器人(1)的標(biāo)定誤差減少到0. 103657mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光跟蹤測(cè)量的機(jī)器人工具坐標(biāo)系自動(dòng)化標(biāo)定裝 置，其特征在于上位機(jī)(6)、機(jī)器人(1)、激光跟蹤儀(4)之間通過(guò)RS485以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn) Socket通訊，以字符串的形式發(fā)送數(shù)據(jù)、命令、請(qǐng)求，通過(guò)上位機(jī)(6)完成測(cè)量數(shù)據(jù)和計(jì)算 數(shù)據(jù)的備份和保存。
4.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的基于激光跟蹤測(cè)量的機(jī)器人工具坐標(biāo)系自動(dòng)化 標(biāo)定方法，其特征在于包括標(biāo)定機(jī)器人工具坐標(biāo)系(9)，它的步驟如下1)機(jī)器人(1)回機(jī)械原點(diǎn)，通過(guò)機(jī)器人(1)記下當(dāng)前的位置，使機(jī)器人(1)繞機(jī)器人末 端手腕坐標(biāo)系(7)旋轉(zhuǎn)和沿機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系(7)移動(dòng)時(shí)以該姿態(tài)為同一起點(diǎn)；2)機(jī)器人(1)回機(jī)械原點(diǎn)，繞機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系(7)的X、Y、Z軸各旋轉(zhuǎn)若干點(diǎn)， 測(cè)量靶標(biāo)⑶在激光跟蹤儀坐標(biāo)系⑶下的位置，記為ΡχΗ、Ρ_、Ρ&，i = 1,2...；3)機(jī)器人(1)回機(jī)械原點(diǎn)，沿機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系(7)的X、Y、Z軸各移動(dòng)若干點(diǎn)， 測(cè)量靶標(biāo)⑶在激光跟蹤儀坐標(biāo)系⑶下的位置，記為Pxli、Pyli、Pzli，i = 1,2,...；4)機(jī)器人(1)回機(jī)械原點(diǎn)，測(cè)量靶標(biāo)C3)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系(8)下的位置，記為(Xto，ypo，zPO)；5)通過(guò)坐標(biāo)測(cè)量得出靶標(biāo)( 在機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系(7)下的位置。6)激光跟蹤儀(4)測(cè)量并擬合圓柱類工具( 在激光跟蹤儀坐標(biāo)系(8)下的位姿用軸 線矢量(a, b，c)和工具原點(diǎn)(x0(l)，y0(l)，ζοα))，其中1為工具長(zhǎng)度表示；7)激光跟蹤儀(4)測(cè)量3 6個(gè)靶標(biāo)C3)在激光跟蹤儀坐標(biāo)系(8)下的坐標(biāo)，記為PKi， i = 1，2，…m ；8)獲取3 6個(gè)靶標(biāo)在機(jī)器人工具坐標(biāo)系(9)下的位置關(guān)系；9)將3 6個(gè)靶標(biāo)在機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系(7)下和機(jī)器人工具坐標(biāo)系(9)下的位置 關(guān)系進(jìn)行匹配分析計(jì)算，獲取機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系(7)到機(jī)器人工具坐標(biāo)系(9)的位姿 轉(zhuǎn)換矩陣，即可標(biāo)定機(jī)器人工具坐標(biāo)系(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定方法，其 特征在于所述的將3 6個(gè)靶標(biāo)在機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系(7)下和機(jī)器人工具坐標(biāo)系(9) 下的位置關(guān)系進(jìn)行匹配分析計(jì)算，獲取機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系(7)到機(jī)器人工具坐標(biāo)系 (9)的位姿轉(zhuǎn)換矩陣的步驟為記測(cè)量3 9個(gè)靶標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)為Pa、理論坐標(biāo)為PB，PAi，i = 1，2，. . .，m為空間固定 靶標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)，PBi, i = 1,2,... ,m為空間固定靶標(biāo)的理論坐標(biāo)；姿態(tài)計(jì)算是實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)值到理論坐標(biāo)值一個(gè)剛性轉(zhuǎn)換aTb Pb = aTbXPa (1)該剛性變換aTb可表達(dá)為一個(gè)旋轉(zhuǎn)變化R和一個(gè)平移變換t的組合，即Pb = aTbXPA = RXPA+t (2)由于測(cè)量誤差的存在，變換后的結(jié)果不能完全等于理論的坐標(biāo)值，即 ζ = PBi-(RXPAi+t), ζ 為誤差矩陣。(3)式中，{xAi’，yAi’，zAi’ }為PAi經(jīng)旋轉(zhuǎn)變化和一個(gè)平移變換后的坐標(biāo)值，lxAi，yAi，zAi}為 PBi的坐標(biāo)值。令Di, i = 1，2，...，m為靶標(biāo)對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)轉(zhuǎn)換后與理論點(diǎn)之間的距離，即
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于激光跟蹤測(cè)量的附加外軸機(jī)器人自動(dòng)標(biāo)定方法，其 特征在于所述的獲取3 6個(gè)靶標(biāo)在機(jī)器人工具坐標(biāo)系(9)下的位置關(guān)系的步驟為設(shè)激光跟蹤儀坐標(biāo)系(4)擬合圓柱類工具( 在激光跟蹤儀坐標(biāo)系(8)下的位姿用軸 線矢量(a，b，c)和工具原點(diǎn)UQ(1)，yQ(l)，、⑴)(其中1為工具長(zhǎng)度)表示，PKi(i = 1， 2，. . .，m)為靶標(biāo)( 在激光跟蹤儀坐標(biāo)系⑴)下的坐標(biāo)；令軸線矢量(a，b，c)為機(jī)器人工具坐標(biāo)系(9) Z向坐標(biāo)軸，記為Z = (a, b，c) ；4個(gè)靶 標(biāo)點(diǎn)所在擬合平面的法向方向與機(jī)器人工具坐標(biāo)系(9)X向坐標(biāo)軸大致一致，記為Xl ；機(jī)器 人工具坐標(biāo)系(9)Y向坐標(biāo)軸為Z與Xl的叉乘，記為Y ；機(jī)器人工具坐標(biāo)系(9)Χ向坐標(biāo)軸 為Y與Z的叉乘，記為X，于是，得到刀具坐標(biāo)系在激光測(cè)量坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)矩陣，記為T ； 得到3 6個(gè)靶標(biāo)(3)在機(jī)器人工具坐標(biāo)系(9)下的位置關(guān)系為PKTi = T1XPlii0
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于激光跟蹤測(cè)量的機(jī)器人工具坐標(biāo)系自動(dòng)標(biāo)定裝置及方法。裝置包括機(jī)器人、靶標(biāo)法蘭、靶標(biāo)安裝孔、激光跟蹤儀、工具、上位機(jī)；機(jī)器人上安裝有靶標(biāo)法蘭、工具，靶標(biāo)法蘭上有6個(gè)靶標(biāo)安裝孔，機(jī)器人外側(cè)設(shè)有激光跟蹤儀、上位機(jī)。該方法將3～6個(gè)靶標(biāo)在機(jī)器人末端手腕坐標(biāo)系下和機(jī)器人工具坐標(biāo)系下的位置關(guān)系進(jìn)行匹配分析計(jì)算，標(biāo)定機(jī)器人工具坐標(biāo)系。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)能夠自動(dòng)化標(biāo)定機(jī)器人工具坐標(biāo)系；(2)標(biāo)定操作精度高、標(biāo)定結(jié)果可靠；(3)標(biāo)定操作簡(jiǎn)單、效率高；(4)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化建模和數(shù)字化標(biāo)定，工具更換時(shí)具有通用性。
文檔編號(hào)G01B11/00GK102087096SQ201010545419
公開(kāi)日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2010年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月12日
發(fā)明者俞慈君, 曲巍崴, 柯映林, 董輝躍, 謝坤, 郭英杰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)