專利名稱：：一種基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于工業(yè)機器人的標定技術，特別是一種工業(yè)機器人關節(jié)零位的自標定方法及其裝置。
背景技術：
：隨著工業(yè)機器人應用范圍的擴大和復雜任務的需要，工業(yè)機器人的定位精度越來越重要。目前工業(yè)機器人具有高的重復精度(0.Imm或更高)，然而(絕對)定位精度卻很低(達Icm或更差)，定位精度問題已經嚴重制約了工業(yè)機器人的應用能力和應用范圍。盡管導致機器人定位精度不高的因素有很多，如齒輪誤差、熱膨脹以及機器人桿件的機械形變，但最主要的因素來自于機器人運動學模型的參數(shù)誤差。機器人標定技術是消除這些參數(shù)誤差進而提高機器人定位精度的最有效方法，因此，成為機器人研究的熱點問題之一。所謂機器人的零位問題就是機器人的運動學模型中的關節(jié)角參考點與實際機器人關節(jié)角度反饋碼盤的參考點的偏差。機器人零位的微小變化由于桿件長度等的放大作用導致機器人末端的位置產生很大偏差。一般認為導致工業(yè)機器人定位精度偏低的問題90%來自于機器人的零點位置問題(W.S.NewmanandD.ff.Osborn,“Anewmethodforkinematicparametercalibrationvialaserline,”inProc.IEEEInt.Conf.Robot.Autom.,1993，vol.2，pp.160-165)。機器人零點標定問題還沒有很好的解決辦法，目前工廠較多使用重錘的方法，但存在設備攜帶困難，操作復雜且受操作人員影響等問題。二十余年來，在機器人標定領域國內外一些學者已經取得了令人矚目的研究成果。歸納起來主要有兩類機器人標定方法，其中一類方法需要高精度的測量設備精確測量機器人末端的位置或姿態(tài)。比如經典的三坐標測量方法(CoordinateMeasurementMachinesXM.R.Driels,L.ff.Swayze,andL.S.Potter,“Full-posecalibrationofarobotmanipulatorusingacoordinatemeasuringmachine,”Int.J.Adv.Manuf.Techno.,vol.8,no.I,pp.34-41,1993)以及角度剖分型激光跟蹤測試和球坐標型激光跟蹤測試等方法(M.Vincze,J.P.Prenninger,andH.Gander,“Alasertrackingsystemtomeasurepositionandorientationofrobotendeffectorsundermotion,，，Int.J.Robot.Res.,vol.13,pp.305-314,1994),光學經諱儀測試系統(tǒng)，基于雙攝像機的測試系統(tǒng)(B.Preising,T.C.Hsia.RobotPerformanceMeasurementandCalibrationUsinga3DComputerVisionSystem.Proceedingofthe1991IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomationSacramentoCalifornia.1991:2079-2084)。但這些方法三坐標測量機和激光跟蹤測試儀設備非常昂貴，安裝調試及操作比較復雜，主要適合于機器人制造企業(yè)實驗室場合應用，操作過程依賴于操作人員的水平且非常浪費時間。基于立體攝像機的視覺方法不僅存在雙目攝像機本身標定的問題，而且視覺方法由于視場和分辨力的矛盾很難獲得比較高的測量精度。另一類方法是在機器人末端施加一些約束從而形成運動學閉合鏈。Zhuang和Ikits等對機器人末端施加多個平面或者一個平面約束(H.Zhuang,S.H.Motaghedi,andZ.S.Roth,“Robotcalibrationwithplanarconstraints,”inProc.IEEEInt.Conf.Robot.Autom.,Detroit,MI,1999,pp.805-810.),這些手工操作方法受限于準確定位和效率不高的問題。Newman等(W.S.NewmanandD.ff.Osborn,“Anewmethodforkinematicparametercalibrationvialaserline,”inProc.IEEEInt.Conf.Robot.Autom.,1993,vol.2,pp.160-165)提出一種基于激光線跟蹤的方法。這種方法的特點是約束機器人末端的某點沿著一束靜止的任意激光線移動，但沒能給出跟蹤激光線的可行的、精確的、自動化的方法。適合機器人工作現(xiàn)場、便于攜帶及低成本機器人零位標定方法及裝備已經成為機器人應用企業(yè)迫切需要解決的技術方向。YongLiu和NingXi等提出了一種基于單點約束的標定方法(YongLiu,NingXi,andJianguoZhao,"DevelopmentandSensitivityAnalysisofaPortableCalibrationSystemforJointOffsetofIndustrialRobot,〃IEEE/RSJInternationalConferenceonintelligentRobotsandSystemsonlouis,11-15October2009),劉永在發(fā)明專利一種工業(yè)機器人零位自標定方法及裝置(專利號為201010267775.7)中提出了一種工業(yè)機器人零位標定的方法，此方法運用激光器發(fā)射激光束，PSD(位置敏感器件)接收激光束，由于PSD是固定不變的，所以當圓柱形激光束傾斜投射到PSD中心點上時會產生較大的誤差。
發(fā)明內容本發(fā)明首次提出一種基于空間曲面約束機器人在線標定裝置及其方法。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為一種基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定裝置，包括點光源激光器和激光束的接收裝置，接收裝置由PSD、球關節(jié)、基座、信號處理電路、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)控制計算機、工業(yè)機器人控制器組成，激光器通過連接裝置剛性固定在機器人末端，接收裝置放置在工業(yè)機器人本體的工作空間內，PSD通過剛性連桿固定連接在球關節(jié)上，數(shù)據(jù)采集器卡通過信號處理電路與PSD相連，數(shù)據(jù)采集器卡與工業(yè)控制計算機相連接，工業(yè)控制計算機與工業(yè)機器人控制器相通信，機器人末端帶動激光器移動，使得激光束從不同的方向投射到PSD感光面上，根據(jù)激光器發(fā)射的激光束方向，PSD繞球關節(jié)自由旋轉調整方向垂直的接收激光束，在旋轉過程中PSD的感光面中心點始終處于以球關節(jié)的中心點為球心的同一球面上，PSD檢測激光束光斑在PSD感光面的二維位置，數(shù)據(jù)采集卡采集由信號處理電路傳來的激光束光斑在PSD感光面上的位置信息，并將位置信息發(fā)送給工業(yè)控制計算機，該工業(yè)機器人控制器控制機器人本體的移動。一種基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定裝置實現(xiàn)的方法，步驟如下第一步，將一個繞球關節(jié)自由旋轉的PSD放置在工業(yè)機器人可達工作空間的任意位置，PSD的感光面中心點為激光束約束點；第二步，機器人末端帶動激光器移動，將激光束投射到PSD的感光面中心點上，設定PSD感光面的方位，并在此方位不變的情況下，機器人末端帶動激光束小角度偏轉且激光束投射到PSD感光面中心點上，然后機器人末端載著激光器做N次較大角度為20°30°的偏移，每次較大角度偏移后，再按照以上方式激光束發(fā)生小角度偏轉，小角度偏轉為至少兩次較小角度為5°10°的偏轉，每次偏移后得到關節(jié)角的角度值；第三種，將關節(jié)角的角度值帶入運動學正解模型得出末端姿態(tài)，得到激光束直線方程，在小角度偏轉時的激光束會交于一點，且這些交點都位于同一球面上，以此作為約束；第四步，建立優(yōu)化模型，以空間球面建立約束條件，以任意四個不共面的交點所組成的球面的球心之間的距離為優(yōu)化目標函數(shù)，通過迭代算法搜索機器人標定參數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點(1)與目前機器人標定方法與空間單點約束標定方法相比，激光束能夠垂直投射到PSD中心點上，進一步減小了由于圓柱形激光束傾斜投射到PSD中心點產生的誤差。(2)PSD繞著球關節(jié)能夠在同一球面上移動，擴大了機器人的標定空間，同時一個PSD相當于多個PSD，且這些PSD感光面中心點都在以旋轉中心點為球心的球面上。(3)不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場廣泛需求的機器人零位標定問題，還可以用于機器人全部運動學參數(shù)的標定以及工件坐標系與機器人坐標系之間的標定。(4)該裝置是一套易于開發(fā)、低成本、便攜、高精度、自動化的機器人標定裝置。下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。圖1是本發(fā)明基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定裝置的示意圖。圖2是本發(fā)明基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定裝置的標定方法示意圖。圖3是本發(fā)明基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定裝置的標定過程圖。圖4是本發(fā)明基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定裝置的標定方法中激光束以不同角度投射到PSD中心點對比圖。具體實施例方式結合圖1，本發(fā)明基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定裝置，包括點光源激光器2和激光束3的接收裝置，接收裝置由位置敏感器件(簡稱PSD)4、球關節(jié)12、基座13、信號處理電路5、數(shù)據(jù)采集卡6、工業(yè)控制計算機7、工業(yè)機器人控制器8組成，激光器2通過連接裝置I剛性固定在機器人末端10，在標定過程中激光器2與末端的關系始終保持不變，接收裝置放置在工業(yè)機器人本體9的工作空間內，PSD4通過剛性連桿固定連接在球關節(jié)12上，數(shù)據(jù)采集器卡6通過信號處理電路5與PSD4相連，數(shù)據(jù)采集器卡6可以通過無線網絡與工業(yè)控制計算機7相連接，工業(yè)控制計算機7可以通過無線網絡與工業(yè)機器人控制器8相通信，機器人末端10帶動激光器2移動，使得激光束3從不同的方向投射到PSD4感光面上，根據(jù)激光器2發(fā)射的激光束3方向，PSD4繞球關節(jié)12自由旋轉調整方向垂直的接收激光束3，在旋轉過程中PSD4的感光面中心點11始終處于以球關節(jié)12的中心點為球心的同一球面上，PSD4采用分段式高精度光電器件，分辨率達0.lum，可檢測激光束光斑在PSD4感光面的二維位置，數(shù)據(jù)采集卡6采集由信號處理電路5傳來的激光束光斑在PSD4感光面上的位置信息，并將位置信息發(fā)送給工業(yè)控制計算機7，該工業(yè)機器人控制器8控制機器人本體9的移動。結合圖2、圖3和圖4，本發(fā)明基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定方法，步驟如下第一步，將一個繞球關節(jié)12自由旋轉的PSD4放置在工業(yè)機器人可達工作空間的任意位置，PSD4的感光面中心點11為激光束約束點，具體而言，PSD4的感光面中心點11為激光束約束點，PSD4通過剛性連桿與球關節(jié)12相連，根據(jù)激光器2發(fā)射激光束3的方向，PSD4通過剛性連桿繞球關節(jié)12旋轉使得PSD感光面能夠垂直的接收激光器發(fā)射的激光束。如圖3所示，在標定過程中，由位置A變換到位置B，再變換到標定空間中各個位置，PSD4繞著球關節(jié)在同一球面上移動，擴大了機器人的標定空間，PSD4繞球關節(jié)12在同一球面上變換位置，一個PSD相當于多個PSD，故此套裝置不僅能夠應用于機器人零位標定問題，還可以用于機器人全部運動學參數(shù)的標定以及工件坐標系與機器人坐標系之間的標定，且PSD4感光面中心點11都在以球關節(jié)12的中心點為球心的球面上，即實現(xiàn)了空間球面約束。第二步，機器人末端10帶動激光器2移動，將激光束投射到PSD4的感光面中心點11上，設定PSD感光面的方位，并在此方位不變的情況下，機器人末端帶動激光束小角度偏轉且激光束投射到PSD感光面中心點上，然后機器人末端10載著激光器做N次較大角度為20°30°的偏移，每次較大角度偏移后，再按照以上方式激光束發(fā)生小角度偏轉，小角度偏轉為至少兩次較小角度為5°10°的偏轉，每次偏移后得到關節(jié)角的角度值。具體而言，如圖2所示，機器人末端10帶動激光器2將激光束3投射到PSD4感光面上，同時PSD4通過鋼性連桿繞著球關節(jié)旋轉，激光束垂直的投射到PSD感光面中心上，此時位置記為I.1，并在此方位不變的情況下，機器人末端10帶動激光束做至少兩次較小角度5°10°的偏轉投射到PSD感光面中心點上，此時位置記為I.2和I.3，工業(yè)控制計算機7通過網絡通訊從工業(yè)機器人控制器8讀取6個機器人關節(jié)的角度值，然后機器人末端10載著激光器2做N次較大角度20°30°的偏移N>5，并按照以上方式激光束發(fā)生至少兩次較小角度5°10°的偏轉，讀取關節(jié)角度值。做至少兩次較小角度5°10°的偏轉其原因在于如圖4所示，由于激光束3是圓柱形的，每當激光束傾斜的投射PSD感光面中心點11上時都會產生誤差，傾斜的角度越大產生的誤差將會越大，故在此只做較小角度的偏轉，減少由于激光束傾斜投射產生的誤差。第三種，將關節(jié)角的角度值帶入運動學正解模型得出末端姿態(tài)，得到激光束直線方程，在小角度偏轉時的激光束會交于一點，且這些交點都位于同一球面上，以此作為約束；運動學誤差模型如下權利要求1.一種基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定裝置，其特征在于包括點光源激光器(2)和激光束(3)的接收裝置，接收裝置由PSD(4)、球關節(jié)(12)、基座(13)、信號處理電路(5)、數(shù)據(jù)采集卡(6)、工業(yè)控制計算機(7)、工業(yè)機器人控制器(8)組成，激光器(2)通過連接裝置(I)剛性固定在機器人末端(10)，接收裝置放置在工業(yè)機器人本體(9)的工作空間內，PSD(4)通過剛性連桿固定連接在球關節(jié)(12)上，數(shù)據(jù)采集器卡(6)通過信號處理電路(5)與PSD(4)相連，數(shù)據(jù)采集器卡(6)與工業(yè)控制計算機(7)相連接，工業(yè)控制計算機(7)與工業(yè)機器人控制器(8)相通信，機器人末端(10)帶動激光器(2)移動，使得激光束(3)從不同的方向投射到PSD(4)感光面上，根據(jù)激光器(2)發(fā)射的激光束(3)方向，PSD(4)繞球關節(jié)(12)自由旋轉調整方向垂直的接收激光束(3)，在旋轉過程中PSD(4)的感光面中心點(11)始終處于以球關節(jié)(12)的中心點為球心的同一球面上，PSD(4)檢測激光束光斑在PSD(4)感光面的二維位置，數(shù)據(jù)采集卡(6)采集由信號處理電路(5)傳來的激光束光斑在PSD(4)感光面上的位置信息，并將位置信息發(fā)送給工業(yè)控制計算機(7)，該工業(yè)機器人控制器(8)控制機器人本體(9)的移動。2.一種根據(jù)權利要求I所述的基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定裝置實現(xiàn)的方法，其特征在于步驟如下第一步，將一個繞球關節(jié)(12)自由旋轉的PSD(4)放置在工業(yè)機器人可達工作空間的任意位置，PSD(4)的感光面中心點(11)為激光束約束點；第二步，機器人末端(10)帶動激光器(2)移動，將激光束投射到PSD(4)的感光面中心點(11)上，設定PSD感光面的方位，并在此方位不變的情況下，機器人末端帶動激光束小角度偏轉且激光束投射到PSD感光面中心點上，然后機器人末端(10)載著激光器做N次較大角度為20°30°的偏移，每次較大角度偏移后，再按照以上方式激光束發(fā)生小角度偏轉，小角度偏轉為至少兩次較小角度為5°10°的偏轉，每次偏移后得到關節(jié)角的角度值；第三種，將關節(jié)角的角度值帶入運動學正解模型得出末端姿態(tài)，得到激光束直線方程，在小角度偏轉時的激光束會交于一點，且這些交點都位于同一球面上，以此作為約束；第四步，建立優(yōu)化模型，以空間球面建立約束條件，以任意四個不共面的交點所組成的球面的球心之間的距離為優(yōu)化目標函數(shù)，通過迭代算法搜索機器人標定參數(shù)。3.根據(jù)權利要求2所述的基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定方法，其特征在于第一步中，PSD(4)的感光面中心點(11)為激光束約束點，PSD(4)通過剛性連桿與球關節(jié)(12)相連，根據(jù)激光器(2)發(fā)射激光束(3)的方向，PSD(4)通過剛性連桿繞球關節(jié)(12)旋轉使得PSD感光面能夠垂直的接收激光器發(fā)射的激光束，在標定過程中，由位置A變換到位置B，再變換到標定空間中各個位置，PSD(4)繞著球關節(jié)在同一球面上移動，PSD(4)感光面中心點(11)都在以球關節(jié)(12)的中心點為球心的球面上，即實現(xiàn)了空間球面約束。4.根據(jù)權利要求2所述的基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定方法，其特征在于第三步中，(I)將關節(jié)角度值帶入正運動學模型得出末端位置和姿態(tài)，通過末端位置和姿態(tài)得到激光束直線方程，小角度偏轉的激光束會交于一點，且這些交點都位于同一球面上，直線方程為5.根據(jù)權利要求2所述的基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定方法，其特征在于第四步中的建立優(yōu)化模型激光器(2)發(fā)射的所有激光束(3)的交點都位于同一球面上，通過將關節(jié)角的角度值代入正運動學模型得到機器人末端位置和姿態(tài)，求出當機器人本體(9)發(fā)生小角度偏轉時位姿變化時激光束的交點，并求出任意四個交點的球面方程得到球心，以所有球心與球心中心點之間的距離作為優(yōu)化目標函數(shù)，通過迭代補償關節(jié)角的值使得目標函數(shù)值最小，此時的補償值即為零位角誤差值，建立的優(yōu)化模型如下全文摘要本發(fā)明公開了一種基于空間曲面約束的工業(yè)機器人在線標定裝置及其方法，包括點光源激光器和激光束的接收裝置，接收裝置由PSD、球關節(jié)、基座、信號處理電路、數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)控制計算機、工業(yè)機器人控制器組成，激光器通過連接裝置剛性固定在機器人末端，接收裝置放置在工業(yè)機器人本體的工作空間內，PSD通過剛性連桿固定連接在球關節(jié)上，數(shù)據(jù)采集器卡通過信號處理電路與PSD相連，數(shù)據(jù)采集器卡與工業(yè)控制計算機相連接。本發(fā)明激光束能夠垂直投射到PSD中心點上，進一步減小了由于圓柱形激光束傾斜投射到PSD中心點產生的誤差。文檔編號G01B11/00GK102654387SQ20121016848公開日2012年9月5日申請日期2012年5月25日優(yōu)先權日2012年5月25日發(fā)明者劉永申請人:南京理工大學