本發(fā)明涉及一種工業(yè)機器人標定裝置。特別是涉及一種基于三維力傳感器的工業(yè)機器人標定裝置及標定方法。

背景技術：

隨著機器人技術在各行各業(yè)中的廣泛應用，業(yè)界對工業(yè)機器人的重復定位精度和絕對定位精度要求也越來越高。特別是離線編程技術的發(fā)展要求機器人必須具備很高的絕對定位精度。目前的工業(yè)機器人重復定位精度都比較高，一般在0.1mm以下，然而，絕對定位精度卻很低，并且每臺機器人的差別較大，嚴重制約了工業(yè)機器人的應用范圍。研究表明，對于具有較高重復定位精度的機器人，可以通過運動學參數(shù)標定有效提高機器人的絕對定位精度，因此運動學參數(shù)標定已經(jīng)成為機器人領域的研究熱點。

運動學參數(shù)標定是指應用先進的測量設備和基于模型的參數(shù)辨識方法辨識出機器人模型的準確參數(shù)，從而提高機器人定位精度的過程，它包括：建模、測量、參數(shù)辨識和補償四個步驟。傳統(tǒng)的標定方法所建立的標定模型復雜，數(shù)據(jù)測量一般要借助激光跟蹤儀、三坐標測量機、球桿儀等昂貴的精密測量儀器，并且涉及機器人基礎坐標系與測量系統(tǒng)坐標系間的變換，容易引入外來誤差，標定精度不高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種結構簡單、制造成本低、標定精度高的基于三維力傳感器的工業(yè)機器人標定裝置及標定方法。

本發(fā)明所采用的技術方案是：一種基于三維力傳感器的工業(yè)機器人標定裝置，包括標定測量組件和標定球組件，所述的標定測量組件安裝在機器人末端法蘭上，所述的標定球組件固定在機器人工作空間內，其中，所述的標定測量組件包括有連接底板，固定安裝在所述連接底板一端的三維力傳感器，以及通過螺栓固定安裝在所述三維力傳感器上端的測量球結構，所述連接底板的另一端形成有用于與所述機器人末端法蘭相連接的法蘭安裝結構；所述的標定球組件包括有固定底座，固定安裝在所述固定底座上端的連接件，以及通過螺栓固定安裝在所述連接件上端且與所述的測量球結構相對應的標定球結構。

所述的法蘭安裝結構包括有一體連接在所述連接底板的與所述機器人末端法蘭相對應處的凸起，所述的凸起處向內凹進的形成有用于嵌入所述機器人末端法蘭的凹槽，所述凹槽的底面上形成有用于與所述末端法蘭固定連接的且貫穿連接底板的連接孔。

所述的測量球結構和標定球結構結構相同，包括有構成測量球結構中的測量球或構成標定球結構中的標定球的球體，固定連接在所述球體下端的連接桿，以及固定連接在所述連接桿下端的用于通過螺栓與所述的三維力傳感器或所述的連接件固定連接的連接板，所述連接板上形成有用于插入螺栓的貫通孔。

所述的三維力傳感器的量程為0-5kg，輸出靈敏度為1.0±10％mv/v。

一種基于三維力傳感器的工業(yè)機器人標定裝置的標定方法，包括以下步驟：

1)將所述標定測量組件安裝在工業(yè)機器人末端法蘭上；

2)將所述標定球組件固定在工業(yè)機器人的工作空間內；

3)操作所述工業(yè)機器人，通過所述連接底板和三維力傳感器將標定測量組件中所述的測量球結構中的測量球從兩個以上的方向與標定球組件中所述的標定球結構中的標定球接觸，所述三維力傳感器記錄每次測量球和標定球接觸的接觸力fi＝(fxi,fyi,fzi)，對應記錄每次接觸時所述工業(yè)機器人的關節(jié)轉角數(shù)據(jù)θi；

4)多次改變所述標定球組件在所述工業(yè)機器人工作空間的位置，重復步驟3)m次，其中3m大于要標定的工業(yè)機器人運動學參數(shù)的個數(shù)；

5)根據(jù)步驟3)中所述三維力傳感器記錄的接觸力fi＝(fxi,fyi,fzi)和對應記錄的工業(yè)機器人關節(jié)轉角數(shù)據(jù)θi，計算所述標定球球心位置pi＝pni+jidω，根據(jù)所述標定球球心位置在所述工業(yè)機器人工作空間是固定的，建立m個標定約束方程，并得到矩陣形式的標定方程b＝adω；當系數(shù)矩陣a列滿秩時，根據(jù)最小二乘法求得所述工業(yè)機器人運動學參數(shù)誤差向量dω＝(a^τa)^-1a^τb。

步驟5)包括：

采用d-h法建立所述工業(yè)機器人的運動學模型，將連桿坐標系i-1到連桿坐標系i的齊次變換矩陣記作ai，則機器人末端的法蘭坐標系n相對機器人基礎坐標系0的齊次變換矩陣為：

對測量球球心建立測量球坐標系e，所述測量球相對機器人末端法蘭固定安裝，法蘭坐標系n到測量球坐標系e的齊次變換矩陣記作則測量球坐標系e相對機器人基礎坐標系0的齊次變換矩陣為：

當操作所述工業(yè)機器人使所述測量球和標定球接觸時，對所述標定球球心建立標定球坐標系b，通過所述三維力傳感器記錄的接觸力fi＝(fxi,fyi,fzi)求得所述標定球球心到測量球球心的位置向量：其中為所述標定球球心到測量球球心的單位方向向量；r1,r2，分別為測量球和標定球的半徑，則標定球坐標系b相對機器人基礎坐標系0的齊次變換矩陣為：

提取標定球球心在所述機器人基礎坐標系的位置分量為：pni＝f(θi,fi)，考慮所述機器人運動學參數(shù)誤差，所述標定球球心在機器人基礎坐標系的實際位置向量為：pi＝pni+jidω，其中ji為標定雅克比矩陣，dω為機器人運動學參數(shù)誤差向量，當操作機器人使所述測量球以兩個不同方向接觸標定球時，可以得到兩個位置方程為：

p1＝pn1+j1dω

p2＝pn2+j2dω

兩式相減得：p2-p1＝pn2-pn1+(j2-j1)dω，根據(jù)兩次接觸時標定球球心在機器人基礎坐標系的位置相同，建立標定約束方程：pn2-pn1＝(j1-j2)dω，多次改變所述標定球組件在所述工業(yè)機器人工作空間的位置，根據(jù)所建立的m個標定約束方程，得到矩陣形式的標定方程：

b＝adω

其中b＝[(pn2-pn1)1；(pn2-pn1)2；…(pn2-pn1)m]，a＝[(j1-j2)1；(j1-j2)2；…(j1-j2)m]，m為改變所述標定球組件位置的次數(shù)；

當系數(shù)矩陣a列滿秩時，根據(jù)最小二乘法求得所述工業(yè)機器人運動學參數(shù)誤差向量dω＝(a^τa)^-1a^τb。

本發(fā)明的一種基于三維力傳感器的工業(yè)機器人標定裝置及標定方法，結構簡單、制造成本低、安裝方便，標定方法操作步驟簡單、標定精度高。具有的優(yōu)點和積極效果是：

1、相比于激光跟蹤儀、三坐標測量機、球桿儀等昂貴的精密測量儀器，本發(fā)明成本低，安裝方便，操作簡單；

2、標定球組件可以固定在工業(yè)機器人工作空間內任意位置，可以對工業(yè)機器人整個工作空間進行標定；

3、標定算法不需要測量絕對位置，不涉及機器人基礎坐標系與測量系統(tǒng)坐標系間的變換，標定精度高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于三維力傳感器的工業(yè)機器人標定裝置中機器人和標定測量組件示意圖；

圖2是本發(fā)明基于三維力傳感器的工業(yè)機器人標定裝置中標定測量組件結構示意圖；

圖3是本發(fā)明基于三維力傳感器的工業(yè)機器人標定裝置中標定球組件結構示意圖；

圖4是本發(fā)明標定測量組件和標定球組件中的測量球結構或標定球結構的結構示意圖；

圖5是本發(fā)明中標定球球心到測量球球心的位置向量示意圖。

圖中

1：機器人2：標定測量組件

21：連接底板22：三維力傳感器

23：測量球結構24：法蘭安裝結構

241：凸起242：底面

243：連接孔3：標定球組件

31：固定底座32：連接件

33：標定球結構101：球體

102：連接桿103：貫通孔

104：連接板

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發(fā)明的一種基于三維力傳感器的工業(yè)機器人標定裝置及標定方法做出詳細說明。

如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的一種基于三維力傳感器的工業(yè)機器人標定裝置，包括標定測量組件2和標定球組件3，所述的標定測量組件2安裝在機器人1末端法蘭上，所述的標定球組件3固定在機器人1工作空間內，其中，所述的標定測量組件2包括有連接底板21，固定安裝在所述連接底板21一端的三維力傳感器22，以及通過螺栓固定安裝在所述三維力傳感器22上端的測量球結構23，所述的三維力傳感器22的量程為0-5kg，輸出靈敏度為1.0±10％mv/v。所述連接底板21的另一端形成有用于與所述機器人1末端法蘭相連接的法蘭安裝結構24；所述的標定球組件3包括有固定底座31，固定安裝在所述固定底座31上端的連接件32，以及通過螺栓固定安裝在所述連接件32上端且與所述的測量球結構23相對應的標定球結構33。

如圖2所示，所述的法蘭安裝結構24包括有一體連接在所述連接底板21的與所述機器人1末端法蘭相對應處的凸起241，所述的凸起241處向內凹進的形成有用于嵌入所述機器人1末端法蘭的凹槽，所述凹槽的底面242上形成有用于與所述末端法蘭固定連接的且貫穿連接底板21的連接孔243。

如圖1、圖2、圖3、圖4所示，所述的測量球結構23和標定球結構33結構相同，包括有構成測量球結構23中的測量球或構成標定球結構33中的標定球的球體101，固定連接在所述球體101下端的連接桿102，以及固定連接在所述連接桿102下端的用于通過螺栓與所述的三維力傳感器22或所述的連接件32固定連接的連接板104，所述連接板104上形成有用于插入螺栓的貫通孔103。所述球體101最好具有一定的球面度、粗糙度，以保證標定精度。

下面結合圖1～圖5說明本發(fā)明的基于三維力傳感器的工業(yè)機器人標定裝置的標定方法，包括以下步驟：

1)將所述標定測量組件安裝在工業(yè)機器人末端法蘭上；

2)將所述標定球組件固定在工業(yè)機器人的工作空間內；

3)操作所述工業(yè)機器人，通過所述連接底板和三維力傳感器將標定測量組件中所述的測量球結構中的測量球從兩個以上的方向與標定球組件中所述的標定球結構中的標定球接觸，所述三維力傳感器記錄每次測量球和標定球接觸的接觸力fi＝(fxi,fyi,fzi)，對應記錄每次接觸時所述工業(yè)機器人的關節(jié)轉角數(shù)據(jù)θi；

4)多次改變所述標定球組件在所述工業(yè)機器人工作空間的位置，重復步驟3)m次，其中3m大于要標定的工業(yè)機器人運動學參數(shù)的個數(shù)；

5)根據(jù)步驟3)中所述三維力傳感器記錄的接觸力fi＝(fxi,fyi,fzi)和對應記錄的工業(yè)機器人關節(jié)轉角數(shù)據(jù)θi，計算所述標定球球心位置pi＝pni+jidω，根據(jù)所述標定球球心位置在所述工業(yè)機器人工作空間是固定的，建立m個標定約束方程，并得到矩陣形式的標定方程b＝adω；當系數(shù)矩陣a列滿秩時，根據(jù)最小二乘法求得所述工業(yè)機器人運動學參數(shù)誤差向量dω＝(a^τa)^-1a^τb。具體包括：

采用d-h法建立所述工業(yè)機器人的運動學模型，將連桿坐標系i-1到連桿坐標系i的齊次變換矩陣記作ai，則機器人末端的法蘭坐標系n相對機器人基礎坐標系0的齊次變換矩陣為：

對測量球球心建立測量球坐標系e，所述測量球相對機器人末端法蘭固定安裝，法蘭坐標系n到測量球坐標系e的齊次變換矩陣記作則測量球坐標系e相對機器人基礎坐標系0的齊次變換矩陣為：

當操作所述工業(yè)機器人使所述測量球和標定球接觸時，對所述標定球球心建立標定球坐標系b，通過所述三維力傳感器記錄的接觸力fi＝(fxi,fyi,fzi)求得所述標定球球心到測量球球心的位置向量：其中為所述標定球球心到測量球球心的單位方向向量；r1,r2，分別為測量球和標定球的半徑，則標定球坐標系b相對機器人基礎坐標系0的齊次變換矩陣為：

提取標定球球心在所述機器人基礎坐標系的位置分量為：pni＝f(θi,fi)，考慮所述機器人運動學參數(shù)誤差，所述標定球球心在機器人基礎坐標系的實際位置向量為：pi＝pni+jidω，其中ji為標定雅克比矩陣，dω為機器人運動學參數(shù)誤差向量，當操作機器人使所述測量球以兩個不同方向接觸標定球時，可以得到兩個位置方程為：

p1＝pn1+j1dω

p2＝pn2+j2dω

兩式相減得：p2-p1＝pn2-pn1+(j2-j1)dω，根據(jù)兩次接觸時標定球球心在機器人基礎坐標系的位置相同，建立標定約束方程：pn2-pn1＝(j1-j2)dω，多次改變所述標定球組件在所述工業(yè)機器人工作空間的位置，根據(jù)所建立的m個標定約束方程，得到矩陣形式的標定方程：

b＝adω

其中b＝[(pn2-pn1)1；(pn2-pn1)2；…(pn2-pn1)m]，a＝[(j1-j2)1；(j1-j2)2；…(j1-j2)m]，m為改變所述標定球組件位置的次數(shù)；

當系數(shù)矩陣a列滿秩時，根據(jù)最小二乘法求得所述工業(yè)機器人運動學參數(shù)誤差向量：

dω＝(a^τa)^-1a^τb。