單臺(tái)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的非接觸式高精度標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單臺(tái)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的非接觸式高精度標(biāo)定方法，包括以下步驟：第一步，對(duì)機(jī)器人的基坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定；第二步，對(duì)機(jī)器人的工具坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定。本發(fā)明所采用的標(biāo)定指工裝套能夠?qū)C(jī)器人工具坐標(biāo)系進(jìn)行有意義的完整標(biāo)定，標(biāo)定指工裝套能夠保證每次操作的可重復(fù)性，從而最大程度地降低人為標(biāo)定產(chǎn)生的誤差。本發(fā)明與機(jī)器人基坐標(biāo)系的非接觸式高精度標(biāo)定方法以及單臺(tái)機(jī)器人工件坐標(biāo)系的非接觸式高精度標(biāo)定方法的配合應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位姿的準(zhǔn)確控制、機(jī)器人的參數(shù)化編程、機(jī)器人組的高精度協(xié)調(diào)工作、機(jī)器人位姿變換，機(jī)器人系統(tǒng)的搬遷，機(jī)器人多工位程序共享，機(jī)器人軌跡規(guī)劃等方面提供了基本的技術(shù)基礎(chǔ)。
【專利說(shuō)明】單臺(tái)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的非接觸式高精度標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工業(yè)機(jī)器人的標(biāo)定方法，具體涉及一種單臺(tái)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的非接觸式高精度標(biāo)定方法。

【背景技術(shù)】
[0002]以工業(yè)機(jī)器人為主的柔性加工生產(chǎn)單元已成為制造業(yè)的主要發(fā)展方向，其中對(duì)于機(jī)器人位姿的準(zhǔn)確控制、機(jī)器人的參數(shù)化編程、機(jī)器人組的高精度協(xié)調(diào)工作、機(jī)器人位姿變換，機(jī)器人系統(tǒng)的搬遷，機(jī)器人多工位程序共享，機(jī)器人軌跡規(guī)劃等這些方面的需求正逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)。上述這些方面都需要建立實(shí)際機(jī)器人及其工作環(huán)境中和其他設(shè)備和工具的精確模型，所以對(duì)機(jī)器人的環(huán)境物參數(shù)(工件坐標(biāo)系)、工具參數(shù)的標(biāo)定以及機(jī)器人間的位姿關(guān)系標(biāo)定非常重要。其標(biāo)定精度直接影響到機(jī)器人系統(tǒng)的使用情況。
[0003]工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包括至少一個(gè)機(jī)器人、至少一工作區(qū)域，機(jī)器人具有機(jī)器人基坐標(biāo)系，且配置有關(guān)節(jié)位置編碼器，機(jī)器人前端具有法蘭盤；機(jī)器人法蘭盤上可以安裝有工具體，工具體具有工具坐標(biāo)系；工作區(qū)域具有工件坐標(biāo)系；機(jī)器人基坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系構(gòu)成了工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的坐標(biāo)系體系。
[0004]為了解決上述機(jī)器人體系的標(biāo)定問(wèn)題，現(xiàn)有的方法都需要通過(guò)安裝于機(jī)器人的工具體末端來(lái)接觸空間的某點(diǎn)或某幾點(diǎn)后完成。如圖1所示為機(jī)器人的TCP(Tool CoordinatePoint,工具坐標(biāo)系)標(biāo)定方法,這種標(biāo)定方法的操作較為繁瑣,對(duì)空間點(diǎn)也有一定的要求，需要機(jī)器人保持空間點(diǎn)位置不變的情況下，以不同的姿態(tài)得到幾個(gè)點(diǎn)來(lái)完成；并且，其標(biāo)定精度因操作人而異，存在一定的不可控因素，這使得標(biāo)定后得到的數(shù)值有較大的誤差，通常在毫米級(jí)，且需要花費(fèi)大量的時(shí)間。這種標(biāo)定方法所存在的弊端無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)對(duì)機(jī)器人更高精度、對(duì)標(biāo)定操作更高效率、標(biāo)定精度更高的要求。
[0005]中國(guó)專利201010545419.7公開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，但其只針對(duì)機(jī)器人工具坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定，并非針對(duì)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，這就造成了即使工具坐標(biāo)系的精度達(dá)到一定程度，但是由于其他坐標(biāo)系的精度不能匹配，同樣會(huì)影響到機(jī)器人位姿的準(zhǔn)確控制、機(jī)器人的參數(shù)化編程、機(jī)器人組的高精度協(xié)調(diào)工作、機(jī)器人位姿變換，機(jī)器人系統(tǒng)的搬遷，機(jī)器人多工位程序共享，機(jī)器人軌跡規(guī)劃等方面的應(yīng)用。另外，其標(biāo)定時(shí)取點(diǎn)的數(shù)量較多，操作也較為繁瑣。最主要的，其工具坐標(biāo)系的標(biāo)定是面向作者自己設(shè)計(jì)的工具而進(jìn)行的，而實(shí)際使用中，機(jī)器人前端的工具根據(jù)不同的應(yīng)用是各式各樣的，因此其實(shí)用性并不是很高。
[0006]無(wú)論是傳統(tǒng)的機(jī)器人工具坐標(biāo)系的標(biāo)定方法還是現(xiàn)有的基于激光跟蹤測(cè)量的機(jī)器人工具坐標(biāo)系標(biāo)定的方法，都無(wú)法對(duì)機(jī)器人工具體的進(jìn)行有意義的完整標(biāo)定，即在一般情況下，期望標(biāo)定完成后讓工具體工具坐標(biāo)系的Z向與工具體最前段的彎曲段方向一致，這個(gè)工具體Z向的標(biāo)定精度直接影響機(jī)器人在機(jī)器人位姿的準(zhǔn)確控制、機(jī)器人的參數(shù)化編程、機(jī)器人組的高精度協(xié)調(diào)工作、機(jī)器人位姿變換，機(jī)器人系統(tǒng)的搬遷，機(jī)器人多工位程序共享，機(jī)器人軌跡規(guī)劃等方面的應(yīng)用。故對(duì)對(duì)機(jī)器人工具體的進(jìn)行有意義的完整標(biāo)定是十分重要的。現(xiàn)有技術(shù)關(guān)于工具體Z向的處理有兩種，一是默認(rèn)選取機(jī)器人末端坐標(biāo)系的各軸方向?yàn)楣ぞ唧w各軸的方向，二是通過(guò)肉眼觀察，大致標(biāo)定工具體各軸的方向，一般在標(biāo)定時(shí)，期望工具體最前段的彎曲段方向與機(jī)器人工具體的Z向一致。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種單臺(tái)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的非接觸式高精度標(biāo)定方法，它可以對(duì)單臺(tái)機(jī)器人的工具坐標(biāo)系進(jìn)行非接觸式高精度標(biāo)定。
[0008]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明單臺(tái)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的非接觸式高精度標(biāo)定方法的技術(shù)解決方案為，包括以下步驟:
[0009]第一步，對(duì)機(jī)器人的基坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定；
[0010]步驟一，安裝標(biāo)定指工裝；
[0011]對(duì)于前端未裝工具體的機(jī)器人，標(biāo)定指工裝采用機(jī)器人法蘭盤加長(zhǎng)桿和空間點(diǎn)位定位裝置；安裝方法為:將機(jī)器人法蘭盤加長(zhǎng)桿安裝到機(jī)器人法蘭盤上，然后將空間點(diǎn)位定位裝置吸附于或者裝配于機(jī)器人法蘭盤加長(zhǎng)桿的自由端孔處；
[0012]對(duì)于前端已裝工具體的機(jī)器人，標(biāo)定指工裝采用空間點(diǎn)位定位裝置，安裝方法為:將空間點(diǎn)位定位裝置直接吸附于或者裝配于工具體上；
[0013]步驟二，基坐標(biāo)系的標(biāo)定取點(diǎn)；
[0014]測(cè)量球在空間任意一點(diǎn)P1，測(cè)量球在P1點(diǎn)沿機(jī)器人基坐標(biāo)系的X正方向運(yùn)行一段距離后得到P2，測(cè)量球在P1點(diǎn)沿機(jī)器人基坐標(biāo)系的I正方向運(yùn)行一段距離后得到P3;激光測(cè)量?jī)x在激光測(cè)量?jī)x坐標(biāo)系下測(cè)得Plj (X1, Yi, Z1)、P2j (X2, y2, Z2)、P3j (x3, y3, Z3),在P1點(diǎn)進(jìn)行圓擬合后得到Pej(Pex，Pey，Pez)；
[0015]其中測(cè)量球從點(diǎn)P1移動(dòng)至P2或P3點(diǎn)時(shí)運(yùn)行的距離不小于50mm。
[0016]步驟三，通過(guò)坐標(biāo)變換的算法，得到單臺(tái)機(jī)器人的基坐標(biāo)系；
[0017]通過(guò)上述測(cè)得的Plj (X1, Y1, Z1)、P2j (x2, J2, Z2)、P3J (x3, y3, z3)和圓擬合得到的
Pej (Pex, Pey, Pez)，求解齊次變換矩陣

【權(quán)利要求】
1.一種單臺(tái)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的非接觸式高精度標(biāo)定方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，對(duì)機(jī)器人的基坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定； 步驟一，安裝標(biāo)定指工裝； 對(duì)于前端未裝工具體的機(jī)器人，標(biāo)定指工裝采用機(jī)器人法蘭盤加長(zhǎng)桿和空間點(diǎn)位定位裝置；安裝方法為:將機(jī)器人法蘭盤加長(zhǎng)桿安裝到機(jī)器人法蘭盤上，然后將空間點(diǎn)位定位裝置吸附于或者裝配于機(jī)器人法蘭盤加長(zhǎng)桿的自由端孔處； 對(duì)于前端已裝工具體的機(jī)器人，標(biāo)定指工裝采用空間點(diǎn)位定位裝置，安裝方法為:將空間點(diǎn)位定位裝置直接吸附于或者裝配于工具體上； 步驟二，基坐標(biāo)系的標(biāo)定取點(diǎn)； 測(cè)量球在空間任意一點(diǎn)P1，測(cè)量球在P1點(diǎn)沿機(jī)器人基坐標(biāo)系的X正方向運(yùn)行一段距離后得到P2，測(cè)量球在P1點(diǎn)沿機(jī)器人基坐標(biāo)系的I正方向運(yùn)行一段距離后得到P3 ;激光測(cè)量?jī)x在激光測(cè)量?jī)x坐標(biāo)系下測(cè)得Plj (X1, I1, Z1)、P2j (x2, y2, Z2)、P3j (x3, y3, Z3),在P1點(diǎn)進(jìn)行圓擬合后得到 Pej(Pex，Pey，Pez)； 步驟三，通過(guò)坐標(biāo)變換的算法，得到單臺(tái)機(jī)器人的基坐標(biāo)系；
通過(guò)上述測(cè)得的 PljU1, Υι? Z1)、P2j (x2, j2, ζ2)、Ρ3」(χ3, y3, z3)和圓擬合得到的 Pej(Ρ?，
Pey，PJ，求解齊次變換矩陣?
從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)機(jī)器人的基坐標(biāo)系的標(biāo)定；
第二步，對(duì)機(jī)器人的工具坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定； 步驟一，安裝標(biāo)定指工裝； 對(duì)于前端未裝工具體的機(jī)器人，標(biāo)定指工裝采用機(jī)器人法蘭盤加長(zhǎng)桿和工具體Z向標(biāo)定套組；安裝方法為:將機(jī)器人法蘭盤加長(zhǎng)桿安裝到機(jī)器人法蘭盤上，然后將工具體Z向標(biāo)定套組吸附于或者裝配于機(jī)器人法蘭盤加長(zhǎng)桿的自由端孔處； 對(duì)于前端已裝工具體的機(jī)器人，標(biāo)定指工裝采用工具體Z向標(biāo)定套組，安裝方法為:將工具體Z向標(biāo)定套組直接吸附于或者裝配于工具體上； 步驟二,工具坐標(biāo)系的標(biāo)定取點(diǎn)； 使工具體ζ向標(biāo)定套組的其中一個(gè)測(cè)量球移動(dòng)到空間任意一點(diǎn)Pk，與此同時(shí)，另一個(gè)測(cè)量球同步移動(dòng)到另一點(diǎn)P4，測(cè)量球從Pk點(diǎn)向工具坐標(biāo)系的第一象限或第三象限運(yùn)行一段距離后得到 Ρ ，通過(guò)激光測(cè)量?jī)x測(cè)得 Pkj (Xk，yk，Zk), P4j (x4, y4, z4), Pyj (xY, yY, ζ ； 步驟三，通過(guò)坐標(biāo)變換的算法，得到單臺(tái)機(jī)器人的工具坐標(biāo)系； 根據(jù)上述測(cè)得的Pkj(Xk，yk，Zk), P4j(x4, y4, Z4), Pyj(xY, yY, ζ ),求解齊次變換矩陣
，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)機(jī)器人的工具坐標(biāo)系的標(biāo)定； V0 1J
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單臺(tái)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的非接觸式高精度標(biāo)定方法，其特征在于:所述第一步的步驟二中測(cè)量球從點(diǎn)P1移動(dòng)至P2或P3點(diǎn)時(shí)運(yùn)行的距離不小于50mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單臺(tái)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的非接觸式高精度標(biāo)定方法，其特征在于:所述第一步的步驟三中的算法為: A、機(jī)器人基坐標(biāo)系方向向量的計(jì)算 在激光測(cè)量?jī)x坐標(biāo)系下，χ, = /；；/:, = {x2-X1^y2-yl,z2 -Z1].>，, = PljPy = {-? — A，Λ — Λ ,-3--ι)
激光測(cè)量?jī)x坐標(biāo)系的萬(wàn)={i，o,oj.= {0,1,0} 5 ={0,0,1} B、坐標(biāo)系j與坐標(biāo)系i方向余弦的計(jì)算

C、坐標(biāo)系j到坐標(biāo)系i旋轉(zhuǎn)矩陣％的計(jì)算
D、坐標(biāo)系i到坐標(biāo)系j的原點(diǎn)位置矢量爾的計(jì)算
所以
其中'通過(guò)機(jī)器人內(nèi)部關(guān)節(jié)的位置編碼器求得； E、坐標(biāo)系j到坐標(biāo)系i的齊次變換矩陣％的計(jì)算
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單臺(tái)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的非接觸式高精度標(biāo)定方法，其特征在于:所述第二步的步驟三中的算法為: A、坐標(biāo)系e到坐標(biāo)系t的原點(diǎn)位置矢量tT6的計(jì)算 對(duì)于Pk在機(jī)器側(cè)有
對(duì)于 Pkj (xk, yk，Zk)在激光測(cè)有:Pki = iRjPkJ+jTi
其中通過(guò)機(jī)器人內(nèi)部關(guān)節(jié)的位置編碼器求得； MPkj= yk ’故 二⑵―卜卩、{^Λ + ]τλ_(,πχ -fRAj + %)
^I^ 1 ^PkI^ e ^PkI U V1 JV 1 J\ 1 J B、工具坐標(biāo)系t的方向向量的計(jì)算 在激光測(cè)量?jī)x坐標(biāo)系下-=PwP4J = {λ*4 - Xk , >4 - ?-，-4 --A-} ytteap = Ψ%={χγ U' Ur-?} 根據(jù)右手法則取向: 一 _^ — i j k xt = Vttenp X=, = xY —xk Vr-yk zr - =t =K-，xtz}
X4~Xk J4-Λ Z4~Zk
其中 Xtx = (Yy-Yk) (z4-zk) - (zY_zk) (y4-yk)xty = (x4-xk) (zY-zk) - (xY-xk) (z4-zk)xtz = (xY_xk) (y4_yk) - (Yy-Yk) (x4_xk)i j kyt =^txxt = x^-xk y,-yk:4-
"V*?*"V*
txtytz 其中:
ytx = (y4_Yk) xtz_ (z4-zk) xty = (y4-yk) (yY-yk) (z4-zk) - (y4-yk)2 (zY-zk) - (z4-zk) (x4-xk)(zy-zk) + (Z4-Zk) 2 (xY-xk)
yty = xtx (z4-zk) - (x4-xk) xtz = (yY-yk) (z4-zk)2-(zY-zk) (y4-yk) (z4-zk) - (x4-xk) (xY-xk)(y4ik) + (x4_xk)2 (yY-yk)
ytz = (x4_xk) xty_ (y4_Yk) Xtx = (x4_xk)2 (zY-zk) - (X4-Xk) (XY-Xk) (Z4-Zk) - (y4-yk) (yY-yk)(Z4-Zk) + (y4-yk)2 (zY-zk) c、坐標(biāo)系j與坐標(biāo)系t方向余弦的計(jì)算X: _ XXcosC'ax ) = —η~I = ,................................g=
'WklCOS( Λ Or ) = T1Trh = [.......;—土弓.....................................J I^IlxJ I ^y2^+y2n:+y2tz
Cosfr/ir ) ■= Xj ’ -x4_xk
'I;Ik.1 4? -?)2+(》:-λ )2+(? -?)2

tx,Q \ y3-x,
cos(.β ) = Yj-——=,..............................................)W
rv,a , Vj-VrΛ-
cos(.φ )=^~ =卜 ; n


^jrtx+Tly+Jrtzcosd,) = Apr = ? , >4 Λ 27

I;丨W v(^4-^r+(>'4->v) +(z4~zky
d、坐標(biāo)系j到坐標(biāo)系t旋轉(zhuǎn)矩陣％的計(jì)算
E、坐標(biāo)系e到坐標(biāo)系t旋轉(zhuǎn)矩陣\的計(jì)算tRe
其中(Te)ii通過(guò)機(jī)器人內(nèi)部關(guān)節(jié)的位置編碼器求得；
F、坐標(biāo)系t到坐標(biāo)系e的齊次變換矩陣?,的計(jì)算
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK104165585SQ201310183002
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2013年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月17日
【發(fā)明者】朱笑奔, 汪航, 吳旭 申請(qǐng)人:上海三菱電梯有限公司