本發(fā)明屬于通用機器人應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種通用機器人與多軸變位機之間的位姿關(guān)系標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)制造領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的機器人是焊接機器人，尤其是在汽車制造業(yè)中，焊接機器人的使用量在工業(yè)機器人總量中占50％。焊接機器人是一種高度自動化的焊接設(shè)備，采用機器人代替手工焊接作業(yè)是焊接制造業(yè)的發(fā)展趨勢，是提高焊接質(zhì)量、降低成本、改善工作環(huán)境的重要手段。焊接機器人系統(tǒng)由機器人、變位機和控制器構(gòu)成，通常是利用機器人控制器的外部軸功能來控制變位機的運動，實現(xiàn)協(xié)調(diào)焊接。

外部軸的作用是與機器人機械本體相配合，使工件變位或移位，達到機器人的最佳作業(yè)位置。在外部軸的應(yīng)用中，最廣泛的就是，焊接機器人與外部軸的配合工作，協(xié)調(diào)運動，使用外部軸用于回轉(zhuǎn)工作的焊接變位，以得到理想的加工位置和焊接速度。本質(zhì)上外部軸是焊機機器人關(guān)節(jié)自由度的拓展和作業(yè)空間的延伸。外部軸的應(yīng)用是的單臺焊接機器人的作業(yè)靈活性更強，焊接工件的尺寸理論上也不再受限于機器人自身的作業(yè)空間。外部軸的出現(xiàn)很大程度上彌補了過去焊接作業(yè)中的種種局限性?？梢哉f，外部軸已經(jīng)成為焊接機器人突破自身局限的新支點。毫無疑問，變位機成功應(yīng)用的關(guān)鍵是與焊接機器人的協(xié)調(diào)控制。而機器人與外部軸的位姿關(guān)系的標(biāo)定是機器人與變位機高效協(xié)調(diào)運動的前提。

基于焊接機器人與外部軸組成的系統(tǒng)，機器人與外部軸的位姿關(guān)系的標(biāo)定是機器人與外部軸高效協(xié)調(diào)運動的前提，也是離線編程技術(shù)實用化的關(guān)鍵。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉圣祥碩士論文“弧焊機器人離線編程實用化研究”提出了基于旋傾變位機的五點標(biāo)定法，記錄TCP點在五個不同的位置的位姿數(shù)據(jù)，通過計算即可實現(xiàn)標(biāo)定。該方法簡單快速，但易受到偶然因素的影響，隨機誤差較大，難以滿足高精度焊接的要求。上海交通大學(xué)，張軻的論文“一種焊接機器人與變位機位姿關(guān)系的標(biāo)定方法”提出的多點標(biāo)定方法，有較大的局限性，對外部軸的位置有要求，而且只對應(yīng)雙軸變位機的標(biāo)定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明公開了一種通用機器人與多軸變位機之間的位姿關(guān)系標(biāo)定方法，該方法對于多個外部軸之間的位置關(guān)系沒有特殊的要求，通用性更強。

技術(shù)方案：一種通用機器人與變位機的位姿關(guān)系標(biāo)定方法，包括如下步驟：

步驟1、分別標(biāo)定每個外部軸，獲取其軸向向量z_n，n＝1,..,N，其中n為外部軸序號，N為外部軸數(shù)量；

步驟2、根據(jù)各外部軸的軸向向量z_n獲取位姿變換矩陣

具體地，步驟1中標(biāo)定一個外部軸J_n的步驟包括：

(11)在所述外部軸卡盤上安裝一個定位點，在所述外部軸運動范圍內(nèi)均勻選取M個點，將操作組變換到機器人-示教模式下，保持其他外部軸位置不變，操作機器人使機器人的TCP點與定位點重合，將變位機轉(zhuǎn)到選取的M個點的位置，記錄相應(yīng)的TCP點的位姿數(shù)據(jù)P_m(X_m,Y_m,Z_m)，其中m＝1..M；

(12)根據(jù)M個位姿數(shù)據(jù)P_m(X_m,Y_m,Z_m)擬合出最優(yōu)圓面；過所述最優(yōu)圓面的圓心O_n(A_n,B_n,C_n)做該圓面的法向量，即為所述外部軸的軸向向量z_n。

具體地，步驟(2)包括：

(21)計算變位機基坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點O(A,B,C)；

對外部軸J₁的M個位姿數(shù)據(jù)采樣點P_m(X_m,Y_m,Z_m)擬合出最優(yōu)球面：

(X-A)²+(Y-B)²+(Z-C)²＝D²

其中球心坐標(biāo)O(A,B,C)為變位機基坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點；

(22)根據(jù)各外部軸的軸向向量z_n計算變位機基坐標(biāo)系的X、Y、Z軸的單位矢量：

Z軸方向的單位矢量為：

X軸方向的單位矢量為：

Y軸方向的單位矢量為：

(23)得到變位機基坐標(biāo)系相對于機器人基坐標(biāo)系的位姿變換矩陣

其中I(i_x,i_y,i_z)為X軸單位矢量J(j_x,j_y,j_z)為Y軸單位矢量K(k_x,k_y,k_z)為Z軸單位矢量O(A,B,C)為變位機基坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點。

優(yōu)選地，步驟(12)中采用最小二乘法擬合最優(yōu)圓面。

優(yōu)選地，步驟(21)中采用最小二乘法擬合最優(yōu)球面。

優(yōu)選地，步驟(11)中在所述外部軸運動范圍內(nèi)均勻選取5個點，即M＝5。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開的通用機器人與變位機的位姿關(guān)系標(biāo)定方法具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明公開的方法適用于各種變位機，可以對多個外部軸進行標(biāo)定；2、對外部軸之間的位置關(guān)系、外部軸與機器人的位置關(guān)系、變位機的機構(gòu)沒有特殊的要求，通用性強；3、每個外部軸的標(biāo)定都選取多個點，標(biāo)定的精度相對于常規(guī)的方法有很大的提高。

附圖說明

圖1為多軸變位機的坐標(biāo)系示意圖；

圖2為多軸變位機外部軸標(biāo)定過程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，進一步闡明本發(fā)明。

本實施例以雙軸變位機為例進一步闡釋本發(fā)明公開的方法。此變位機繞旋轉(zhuǎn)軸和傾斜軸分別旋轉(zhuǎn)，可以移動到多個位置，本實施例中每個外部軸采集5個位置點的位姿數(shù)據(jù)。

一種通用機器人與變位機的位姿關(guān)系標(biāo)定方法，包括如下步驟：

步驟1、分別標(biāo)定每個外部軸，獲取其軸向向量z_n，n＝1,..,N，其中n為外部軸序號，N為外部軸數(shù)量；

首先，標(biāo)定旋轉(zhuǎn)軸J₁的步驟包括：

(11)在J₁卡盤上安裝一個定位點，定位點的作用相當(dāng)于一個基準(zhǔn)點，在J₁運動范圍內(nèi)均勻選取5個點，本實施例中選擇相對于定位點的角度分別為-60°、-30°、0°、30°、60°五個位置；將操作組變換到機器人-示教模式下，保持傾斜軸位置不變，操作機器人使機器人的TCP點與定位點重合，分別將變位機轉(zhuǎn)到選取的5個點的位置，記錄相應(yīng)的TCP點的位姿數(shù)據(jù)P_u(X_u,Y_u,Z_u)，其中u＝1..5；

(12)根據(jù)采集的5個位姿數(shù)據(jù)P_u(X_u,Y_u,Z_u)，采用最小二乘法擬合出最優(yōu)圓面；過所述最優(yōu)圓面的圓心O₁(A₁,B₁,C₁)做該圓面的法向量，即為旋轉(zhuǎn)軸的軸向向量z₁。

類似地，對傾斜軸J₂進行標(biāo)定，得到J₂的軸向向量z₂。

步驟2、根據(jù)軸向向量z₁和z₂獲取位姿變換矩陣具體包括如下步驟：

(21)計算變位機基坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點O(A,B,C)；

對旋轉(zhuǎn)軸J₁的5個位姿數(shù)據(jù)采樣點P_u(X_u,Y_u,Z_u)采用最小二乘法擬合出最優(yōu)球面：

(X-A)²+(Y-B)²+(Z-C)²＝D²

其中球心坐標(biāo)O(A,B,C)為變位機基坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點；

(22)根據(jù)軸向向量z₁和z₂計算變位機基坐標(biāo)系的X、Y、Z軸的單位矢量：

Z軸方向的單位矢量為：

X軸方向的單位矢量為：

Y軸方向的單位矢量為：

(23)得到變位機基坐標(biāo)系相對于機器人基坐標(biāo)系的位姿變換矩陣

其中I(i_x,i_y,i_z)為X軸單位矢量J(j_x,j_y,j_z)為Y軸單位矢量K(k_x,k_y,k_z)為Z軸單位矢量O(A,B,C)為變位機基坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點。