基于激光跟蹤儀的一種工業(yè)機(jī)器人基坐標(biāo)系標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)機(jī)器人的標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，特別是利用激光跟蹤儀的一種串聯(lián)式工 業(yè)機(jī)器人的基坐標(biāo)標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人自發(fā)明以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其技術(shù)取得許多重大的成就，機(jī)器人精度的 標(biāo)定問(wèn)題是其中不可或缺的一部分，目前許多機(jī)器人雖然具有較高的重復(fù)定位精度，但它 們的絕對(duì)定位精度相對(duì)來(lái)說(shuō)卻不高，這就使其成為了限制機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。為 了提高機(jī)器人的絕對(duì)定位精度，機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
[0003] 機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)是使用參數(shù)辨識(shí)方法去處理通過(guò)先進(jìn)的測(cè)量手段得到的機(jī)器人 的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別出機(jī)器人模型的準(zhǔn)確參數(shù)，從而提高機(jī)器人絕對(duì)定位精度的過(guò)程。國(guó)內(nèi) 外的學(xué)者對(duì)機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)從建模、測(cè)量方法、等方面進(jìn)行了廣泛深入的研究，其中機(jī)器人 基坐標(biāo)系標(biāo)定對(duì)于機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用有著很實(shí)際的作用。由于機(jī)器人基坐標(biāo)系的原點(diǎn)是不可 達(dá)的，因此，不能直接標(biāo)定機(jī)器人的基坐標(biāo)，這就產(chǎn)生了很多利用不同測(cè)量手段及工具對(duì)機(jī) 器人基坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定的方法，如利用校準(zhǔn)物體進(jìn)行標(biāo)定，利用多個(gè)機(jī)器人握手操作進(jìn)行標(biāo) 定等，上述方法都需要安裝相應(yīng)末端器或者使用多個(gè)機(jī)器人，操作較為復(fù)雜；利用校準(zhǔn)物體 進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)物體本身有很高要求，精度有待考察；而通過(guò)多機(jī)器人標(biāo)定則適用于多個(gè)機(jī)器 人的開(kāi)發(fā)環(huán)境，對(duì)于只有單一機(jī)器人系統(tǒng)的條件并不適用，因此有必要發(fā)明一種采用單一 機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定的簡(jiǎn)單方法，且該方法一次標(biāo)定后無(wú)需重復(fù)標(biāo)定。
[0004] 本發(fā)明即是針對(duì)上述情況提供一種基于激光跟蹤儀的機(jī)器人基坐標(biāo)標(biāo)定方法。本 發(fā)明涉及串聯(lián)式工業(yè)機(jī)器人，這是一種在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用最廣的機(jī)器人。該機(jī)器人基 坐標(biāo)位置不可達(dá)，為使工業(yè)機(jī)器人在使用時(shí)更加精確，需對(duì)其基坐標(biāo)系進(jìn)行精確定位。
[0005] 本發(fā)明借助激光跟蹤儀對(duì)機(jī)器人基坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人和激光跟蹤 儀相互配合，標(biāo)定基坐標(biāo)系。激光跟蹤儀具有快速、動(dòng)態(tài)、高精度的特點(diǎn)，是工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)中 一種高精度的大尺寸測(cè)量?jī)x器，激光跟蹤儀技術(shù)在國(guó)外航空航天制造業(yè)等重要領(lǐng)域中已得 到普遍應(yīng)用，并發(fā)揮了其他測(cè)量?jī)x器不可替代的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于以上內(nèi)容，本發(fā)明提供了一種基于激光跟蹤儀的工業(yè)機(jī)器人的基坐標(biāo)系的標(biāo) 定方法，精確地標(biāo)定了基坐標(biāo)系在激光跟蹤儀坐標(biāo)系下的位姿變換矩陣。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] 步驟1，調(diào)整機(jī)器人至適當(dāng)空間位置，在機(jī)器人安裝面上安裝三個(gè)靶標(biāo)座，靶標(biāo)座 相距一定距離，且不位于一條直線上；將激光跟蹤儀放置在固定位置上，保證可以測(cè)量到機(jī) 器人末端位置及三個(gè)靶標(biāo)座位置。將一靶標(biāo)座安裝在機(jī)器人末端（即6軸末端）的定位孔 上，將靶標(biāo)放置于靶標(biāo)座上。
[0009] 步驟2,建立各坐標(biāo)系{Base}為機(jī)器人基坐標(biāo)系，其位姿固定，需要測(cè)量其相對(duì)于 可測(cè)坐標(biāo)系的關(guān)系；{Flange}為機(jī)器人末端坐標(biāo)系，位置位于末端中心，姿態(tài)由機(jī)器人內(nèi) 部確定；{Ba}為靶標(biāo)坐標(biāo)系，位置位于機(jī)器人末端靶球的中心，姿態(tài)與機(jī)器人基坐標(biāo)系相 同；{Laser}為激光跟蹤儀坐標(biāo)系，位姿均由激光跟蹤儀確定；{DB}為安裝面靶標(biāo)坐標(biāo)系， 由安裝面上三個(gè)靶標(biāo)所確定。
[0011] 步驟4,確定位姿矩陣移動(dòng)機(jī)器人至一特定位置，得到機(jī)器人內(nèi)部讀取的 末端6自由度位姿參數(shù)，經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換為4X4位姿矩陣該矩陣為{flange}相對(duì)于{Base}的位姿矩陣。
[0012] 步驟5,確定位姿矩陣:設(shè)靶球中心A在末端坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)flangeA= (xBa，yBa，h，1)T，其中xBa，yBa為已知參數(shù)，h代表靶球中心到末端法蘭平面的距離；祀標(biāo)坐標(biāo)
[0013] 步驟6,確定位姿矩陣，激光跟蹤儀讀取此時(shí)末端靶球位置信息 =JVzP'作為位姿矩陣的平移向量；控制機(jī)器人沿其X軸方向運(yùn)動(dòng)特定距 離，共移動(dòng)n次，再分別沿y軸，z軸方向按同樣方式移動(dòng)特定距離，分別記錄靶球中心的 位置數(shù)據(jù)（xXi，yXi，zXi)(i= 1，2, ? ? ?n)、（xYi，yYi，zYi)(i= 1，2, ? ? ?n)、（xZi，yZi，zZi)(i= 1，2,. . .n)，將所得三組數(shù)據(jù)分別用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，得到X，Y，Z三個(gè)方向向量為 nx= (ax，cx，l)、ny= (ay，cy，l)nz= (az，cz，l);經(jīng)過(guò)單位化得到坐標(biāo)系{Ba}各方向分量， 綜上得到位姿矩陣中的旋轉(zhuǎn)矩陣。
[0014] 步驟7，根據(jù)各坐標(biāo)系間的相對(duì)位姿關(guān)系計(jì)算出trr。
[0015] 步驟8,確定地面靶球坐標(biāo)系{DB}相對(duì)于{Laser}的位姿矩陣fL?%根據(jù)
三個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)確定。
[0016] 步驟5中所述h的求取方法為：使用靶球在末端平面上測(cè)量三個(gè)點(diǎn)，分別為點(diǎn)B= (xB,yB,zB)T，點(diǎn)C= (xDyc,zc)T、點(diǎn)D= (xD,yD,zD)T，向量與cl):叉乘，得到平面BCD的法 向量》= ("，匕c')7，進(jìn)而得至Ij平面BCD的方程的表達(dá)式為a(x-xB)+b(y-yB)+c(z_zB) = 0,革巴
[0017] 優(yōu)選的，步驟6中得到的X，Y，Z三個(gè)方向向量由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)存在誤差，并 非嚴(yán)格垂直，因此需經(jīng)過(guò)正交化處理，得到嚴(yán)格垂直且單位化的方向分量，得到的X軸 方向分量為(《fY軸方向分量由表示；z軸方向分量為 /^Basc~Base.~Bas&\T. ("、.. ，'.d戈，、.€1之J：Q
[0018] 步驟6中，最后得到坐標(biāo)系{Ba}相對(duì)于{Laser}的位姿矩陣為：
[0020] 本發(fā)明的有益效果為：
[0021] 僅需要激光跟蹤儀設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人基坐標(biāo)系的標(biāo)定，且靶標(biāo)座固定后不需 反復(fù)拆卸，節(jié)省標(biāo)定時(shí)間，同時(shí)，采用激光跟蹤儀對(duì)機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，提高了測(cè)量的精度；且 得到基坐標(biāo)系與地面靶標(biāo)坐標(biāo)系之間的關(guān)系后，激光跟蹤儀可以隨意移動(dòng)，該位姿變換關(guān) 系不會(huì)隨著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而改變，在機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，只需測(cè)量地面靶標(biāo)位置數(shù)據(jù)， 即可得到基坐標(biāo)系位置數(shù)據(jù)，節(jié)約了反復(fù)標(biāo)定的時(shí)間。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明所用6自由度串聯(lián)式機(jī)器人示意圖
[0023] 圖2為本發(fā)明所用激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量工具示意圖
[0024] 圖3為本發(fā)明標(biāo)定過(guò)程中所需各坐標(biāo)系示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0025] 為了更清楚地說(shuō)明本次發(fā)明中的技術(shù)原理，下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更清 楚、完整地描述。
[0026] 典型的串聯(lián)式工業(yè)機(jī)器人如圖1所示，機(jī)器人安裝于工作臺(tái)上，圖中標(biāo)明了機(jī)器 人各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)副。所需的測(cè)量設(shè)備激光跟蹤儀采用球坐標(biāo)系激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)，其示意 圖如圖2所示，測(cè)量工具為靶球，可以固定在靶球座上，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。
[0027] 調(diào)整機(jī)器人至適當(dāng)空間位置，在機(jī)器人安裝面上安裝三個(gè)靶標(biāo)座，靶標(biāo)座相距一 定距離，且不位于一條直線上；將激光跟蹤儀放置在固定位置上，保證可以測(cè)量到機(jī)器人末 端位置及三個(gè)靶標(biāo)座位置。將一靶標(biāo)座安裝在機(jī)器人末端（即6軸末端）的定位孔上，將 靶標(biāo)放置于各靶標(biāo)座上。
[0028] 建立各坐標(biāo)系如圖3所示，{Base}為機(jī)器人基坐標(biāo)系，其位姿固定，本發(fā)明任務(wù)就 是建立{Base}坐標(biāo)系與安裝面靶標(biāo)坐標(biāo)系之間的聯(lián)系；{Flange}為機(jī)器人末端坐標(biāo)系，位 置位于末端中心，姿態(tài)由機(jī)器人內(nèi)部確定；{Ba}為靶標(biāo)坐標(biāo)系，位置位于機(jī)器人末端靶球 的中心，姿態(tài)與機(jī)器人基坐標(biāo)系相同；{Laser}為激光跟蹤儀坐標(biāo)系，位姿均由激光跟蹤儀 確定；{DB}為安裝面靶標(biāo)坐標(biāo)系，由安裝面上三個(gè)靶標(biāo)所確定。
[0029] 由以上坐標(biāo)系關(guān)系可以得到激光跟蹤儀坐標(biāo)系{JG}相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系 {Base}的位姿矩陣的表達(dá)式為
[0030]
[0031] 由于不能保證激光跟蹤儀每一次測(cè)量固定在同一位置，因此引入安裝面靶標(biāo)坐標(biāo) 系，建立基坐標(biāo)系與安裝面靶標(biāo)坐標(biāo)系的聯(lián)系，該矩陣不隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和激光跟蹤儀 位置變化而變化，可以準(zhǔn)確描述基坐標(biāo)位置，得到該位姿矩陣后，只需通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量 安裝面各靶標(biāo)即可通過(guò)關(guān)系式得到基坐標(biāo)系位置=3%
[0032] 根據(jù)上述原理，對(duì)表達(dá)式中的位姿矩陣tfh和進(jìn)行求取。如 下所述：
[0033] 位姿矩陣忽fT的確定：控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)使其末端到達(dá)一個(gè)方便測(cè)量的方位。機(jī) 器人內(nèi)部可以返回此時(shí)末端的位姿信息，讀取末