專利名稱：一種工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)機(jī)器人的標(biāo)定技術(shù)，特別是一種6自由度工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)零位的 自標(biāo)定方法及其裝置。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和復(fù)雜任務(wù)的需要，工業(yè)機(jī)器人的定位精度越來 越重要。目前工業(yè)機(jī)器人具有高的重復(fù)精度(O. Imm或更高)，然而(絕對)定位精度卻很 低(達(dá)Icm或更差)，定位精度問題已經(jīng)嚴(yán)重制約了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用能力和應(yīng)用范圍。盡 管導(dǎo)致機(jī)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(jī)器人桿件的機(jī)械形 變，但最主要的因素來自于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的參數(shù)誤差。機(jī)器人標(biāo)定技術(shù)是消除這些參 數(shù)誤差進(jìn)而提高機(jī)器人定位精度的最有效方法，因此，成為機(jī)器人研究的熱點(diǎn)問題之一。所謂機(jī)器人的零位問題就是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中的關(guān)節(jié)角參考點(diǎn)與實(shí)際機(jī)器 人關(guān)節(jié)角度反饋碼盤的參考點(diǎn)的偏差。機(jī)器人零位的微小變化由于桿件長度等的放大作 用導(dǎo)致機(jī)器人末端的位置產(chǎn)生很大偏差。一般認(rèn)為導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人定位精度偏低的問題 90%來自于機(jī)器人的零點(diǎn)位置問題(W. S.Newman and D. W. Osborn, "A new method for kinematic parameter calibration via laser line,，，in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom.，1993, vol. 2，pp. 160-165)。機(jī)器人零點(diǎn)標(biāo)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(shè)備攜帶困難，操作復(fù)雜且受操作人員影響等問題。二十余年來，在機(jī)器人標(biāo)定領(lǐng)域國內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)取得了令人矚目的研究成 果。歸納起來主要有兩類機(jī)器人標(biāo)定方法，其中一類方法需要高精度的測量設(shè)備精確測 量機(jī)器人末端的位置或姿態(tài)。比如經(jīng)典的三坐標(biāo)測量方法(Coordinate Measurement Machines) (Μ. R. Driels, L. W. Swayze, and L. S. Potter, "Full-pose calibration of a robot manipulator using a coordinate measuring machine, "Int.J.Adv. Manuf. Techno.，vol.8, no. 1，pp. 34-41，1993)以及角度剖分型激光跟蹤測試和球坐標(biāo)型激光跟 蹤測試等方法(M. Vincze, J. P. Prenninger, and H. Gander, "A laser tracking system to measure position and orientation of robot end effectors under motion," Int. J. Robot. Res.，vol. 13，pp. 305-314，1994)，光學(xué)經(jīng)緯儀測試系統(tǒng)，基于雙攝像機(jī)的測試系 統(tǒng)(B. Preising, T. C. Hsia. Robot Performance Measurement and Calibration Using a 3D Computer Vision System. Proceeding of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation Sacramen to California. 1991 :2079_2084)。但這些方法 三坐標(biāo)測量機(jī)和激光跟蹤測試儀設(shè)備非常昂貴，安裝調(diào)試及操作比較復(fù)雜，主要適合于機(jī) 器人制造企業(yè)實(shí)驗(yàn)室場合應(yīng)用，操作過程依賴于操作人員的水平且非常浪費(fèi)時(shí)間?；诹?體攝像機(jī)的視覺方法不僅存在雙目攝像機(jī)本身標(biāo)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(jī)器人末端施加一些約束從而形成運(yùn)動(dòng)學(xué)閉合鏈。Zhuang和 Ikits等對機(jī)器人末端施加多個(gè)平面或者一個(gè)平面約束(H. Zhuang，S. H. Motaghedi，andZ. S. Roth, "Robot calibration with planar constraints,，，in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom.，Detroit, MI, 1999，pp. 805-810.)，這些手工操作方法受限于準(zhǔn)確定位和效 率不高的問題。Newman 等(W. S. Newman and D. W. Osborn, "A new method for kinematic parameter calibration via laser line, "in Proc. IEEE Int. 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(diǎn)是約束機(jī)器人末端 的某點(diǎn)沿著一束靜止的任意激光線移動(dòng)，但沒能給出跟蹤激光線的可行的、精確的、自動(dòng)化 的方法。適合機(jī)器人工作現(xiàn)場、便于攜帶及低成本機(jī)器人零位標(biāo)定方法及裝備已經(jīng)成為機(jī) 器人應(yīng)用企業(yè)迫切需要解決的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于位置敏感器件(PSD)和激光的虛擬點(diǎn)約束機(jī)器 人自標(biāo)定方法及其裝置，以解決現(xiàn)有方法設(shè)備昂貴、安裝操作復(fù)雜或定位精度低等瓶頸問 題。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定方法，步驟如 下a.建立空間虛擬點(diǎn)約束，將一個(gè)位置敏感器件PSD裝置任意放置在工業(yè)機(jī)器人可 達(dá)工作空間，PSD裝置的中心點(diǎn)為約束點(diǎn)；b.基于激光和PSD的精確機(jī)器人定位，工業(yè)機(jī)器人末端載著激光器以右傾30 60°的位姿作為位置1，將激光束投射到PSD表面，PSD作為反饋傳感器精確測量光斑在PSD 表面的二維位置，基于PSD高精度位置反饋通過機(jī)器人閉環(huán)伺服定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人攜帶激 光束光斑精確定位在PSD的有效表面中心點(diǎn)位置；C.準(zhǔn)確定位后，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)通訊或工業(yè)機(jī)器人通訊接口從工業(yè)機(jī)器 人控制器讀取6個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度值，每個(gè)角度值讀取兩次以上取其平均值作為位置1 的機(jī)器人關(guān)節(jié)角；d.工業(yè)機(jī)器人末端載著激光器基于位置1向左旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度為左右傾角的范 圍除以旋轉(zhuǎn)次數(shù)，最大左傾30 60°，第一次旋轉(zhuǎn)的位姿作為位置2，重復(fù)步驟b和c獲得 位置2的機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角度；e.依次旋轉(zhuǎn)獲得位置i的機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角，直到位置N，N-I為旋轉(zhuǎn)次數(shù)；f.依據(jù)以上步驟獲取N個(gè)位置的機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度值，接著基于建立的機(jī)器人運(yùn) 動(dòng)學(xué)誤差模型，獲得N個(gè)位置的機(jī)器人末端位置和姿態(tài)；g.計(jì)算約束點(diǎn)的空間位置，基于線交點(diǎn)的方法，即物理上任意兩條激光束相交于 PSD表面的中心點(diǎn)，根據(jù)獲得的N個(gè)位置的機(jī)器人末端位置和姿態(tài)，建立N個(gè)激光束幾何方 程，其中任意兩個(gè)空間直線方程計(jì)算交點(diǎn)或中垂線的中點(diǎn)得到約束點(diǎn)的空間位置；h.優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)獲得機(jī)器人零位標(biāo)定參數(shù)，以點(diǎn)約束建立目標(biāo)函數(shù)，通過迭代算 法搜索機(jī)器人標(biāo)定參數(shù)，直到任意兩個(gè)空間直線方程計(jì)算的交點(diǎn)收斂于一點(diǎn)。一種實(shí)現(xiàn)上述工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定方法的裝置，包括激光器、連接裝置、位置敏 感器件PSD、信號(hào)處理電路、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡，所述的激光器通過連接裝置固定 安裝在工業(yè)機(jī)器人末端，位置敏感器件PSD及其信號(hào)處理電路，合稱為PSD裝置，PSD裝置 任意放置在工業(yè)機(jī)器人的可達(dá)工作空間，PSD裝置的中心點(diǎn)為約束點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集卡采用無線通訊方式與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通訊；工業(yè)機(jī)器人本體通過機(jī)器人末端載著激光器將激光光 斑投射在PSD表面，光斑在PSD的精確位置通過信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)采集卡傳送給工業(yè)控 制計(jì)算機(jī)，反過來，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)基于該位置反饋發(fā)命令給機(jī)器人控制器控制機(jī)器人本 體移動(dòng)帶動(dòng)激光器將光斑精確定位到PSD的表面中心點(diǎn)位置，物理上實(shí)現(xiàn)虛擬點(diǎn)約束。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)(1)與目前機(jī)器人標(biāo)定方法的本質(zhì)不同在 于僅需要空間單點(diǎn)約束，且不需要知道該點(diǎn)的空間位置，且沒有物理接觸，因此本方法為 “虛擬點(diǎn)約束”，這樣是測量的精度高，不受操作人員水平的影響。(2)基于PSD反饋激光束 光斑的位置實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)定位，在機(jī)器人不同位姿下自動(dòng)定位控制過程中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的 標(biāo)定任務(wù)，不需要人工干預(yù)，自動(dòng)化程度高，操作簡單。(3)不僅解決了工業(yè)現(xiàn)場廣泛需求的 機(jī)器人零位標(biāo)定問題，還可以用于機(jī)器人全部運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的標(biāo)定。(4)基于該方法易于開發(fā) 低成本、便攜、高精度、自動(dòng)化機(jī)器人標(biāo)定裝置。因?yàn)?，?biāo)定裝置只需要1個(gè)半導(dǎo)體激光器和 1個(gè)具有0. Ium的分辨力的PSD器件以及信號(hào)處理采集電路，成本很低而精度很高。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定裝置的示意圖。圖2是本發(fā)明工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定方法示意圖。圖3是基于線的位置測量方法。圖4是機(jī)器人標(biāo)定情形示例。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定方法，步驟如下a.建立空間虛擬點(diǎn)約束，將一個(gè)位置敏感器件PSD裝置任意放置在工業(yè)機(jī)器人可 達(dá)工作空間，PSD裝置的中心點(diǎn)11為約束點(diǎn)；b.基于激光和PSD的精確機(jī)器人定位，工業(yè)機(jī)器人末端10載著激光器2以右傾 30 60°的位姿作為位置1，將激光束投射到PSD表面，PSD作為反饋傳感器精確測量光斑 在PSD表面的二維位置，基于PSD高精度位置反饋通過機(jī)器人閉環(huán)伺服定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人攜 帶激光束光斑精確定位在PSD的有效表面中心點(diǎn)位置；c.準(zhǔn)確定位后，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)7通過網(wǎng)絡(luò)通訊或工業(yè)機(jī)器人通訊接口從工業(yè)機(jī) 器人控制器8讀取6個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度值，每個(gè)角度值讀取兩次以上取其平均值作為位 置1的機(jī)器人關(guān)節(jié)角；d.工業(yè)機(jī)器人末端10載著激光器2基于位置1向左旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度為左右傾角 的范圍除以旋轉(zhuǎn)次數(shù)，最大左傾30 60°，第一次旋轉(zhuǎn)的位姿作為位置2，重復(fù)步驟b和c 獲得位置2的機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角度；e.依次旋轉(zhuǎn)獲得位置i的機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角，直到位置N，N-I為旋轉(zhuǎn)次數(shù)；f.依據(jù)以上步驟獲取N個(gè)位置的機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度值，接著基于建立的機(jī)器人運(yùn) 動(dòng)學(xué)誤差模型，獲得N個(gè)位置的機(jī)器人末端位置和姿態(tài)；g.計(jì)算約束點(diǎn)的空間位置，基于線交點(diǎn)的方法，即物理上任意兩條激光束相交于 PSD表面的中心點(diǎn)，根據(jù)獲得的N個(gè)位置的機(jī)器人末端位置和姿態(tài)，建立N個(gè)激光束幾何方程，其中任意兩個(gè)空間直線方程計(jì)算交點(diǎn)或中垂線的中點(diǎn)得到約束點(diǎn)的空間位置；h.優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)獲得機(jī)器人零位標(biāo)定參數(shù)，以點(diǎn)約束建立目標(biāo)函數(shù)，通過迭代算 法搜索機(jī)器人標(biāo)定參數(shù)，直到任意兩個(gè)空間直線方程計(jì)算的交點(diǎn)收斂于一點(diǎn)。結(jié)合圖1，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定方法的裝置，包括激光器2、連 接裝置1、位置敏感器件PSD 4、信號(hào)處理電路5、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)7、數(shù)據(jù)采集卡6，所述的 激光器2通過連接裝置1固定安裝在工業(yè)機(jī)器人末端10，連接裝置1與機(jī)器人末端10通 過標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械定位接口保證安裝精度。位置敏感器件PSD 4及其信號(hào)處理電路5，合稱為PSD 裝置，PSD裝置任意放置在工業(yè)機(jī)器人的可達(dá)工作空間，PSD裝置的中心點(diǎn)11為約束點(diǎn)；數(shù) 據(jù)采集卡6采用無線通訊方式與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)7通訊；工業(yè)機(jī)器人本體9通過機(jī)器人末 端10載著激光器2將激光光斑投射在PSD 4表面，光斑在PSD 4的精確位置通過信號(hào)處理 電路5和數(shù)據(jù)采集卡6傳送給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)7，反過來，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)7基于該位置反 饋發(fā)命令給機(jī)器人控制器8控制機(jī)器人本體9移動(dòng)帶動(dòng)激光器2將光斑精確定位到PSD 4 的表面中心點(diǎn)11位置，物理上實(shí)現(xiàn)虛擬點(diǎn)約束。{B}為機(jī)器人基座坐標(biāo)系，{E}代表機(jī)器人 末端坐標(biāo)系。上述的激光器2是可調(diào)焦距精密半導(dǎo)體激光器，功率lmW，波長670nm，激光束3的 光斑直徑為2. 5mm?？梢允孪葮?biāo)定激光束3和連接裝置1的關(guān)系，或不標(biāo)定則在標(biāo)定機(jī)器 人零位時(shí)同時(shí)標(biāo)定之間關(guān)系。位置敏感器件PSD 4采用分段式高精度光電器件，分辨率達(dá) 0. lum，有效表面直徑為10mm，可檢測激光束光斑在PSD表面的二維位置。PSD輸出信號(hào)經(jīng) 信號(hào)處理電路5給出激光光斑在PSD表面的二維位置坐標(biāo)，作為反饋信號(hào)精確控制機(jī)器人 的位置，即PSD表面的中心點(diǎn)作為機(jī)器人定位目標(biāo)位置。數(shù)據(jù)采集卡6采用無線通訊方式 與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)7通訊，可實(shí)現(xiàn)PSD裝置的無線工作。PSD裝置通過可充電鋰聚電池供 電，實(shí)現(xiàn)PSD裝置的電源自供給。這些措施保證了 PSD裝置的便攜和易于安裝操作。實(shí)施例采用本發(fā)明的裝置在工業(yè)機(jī)器人IRB1600上開展標(biāo)定試驗(yàn)，具體實(shí)施步驟如下a)將PSD裝置任意放置在機(jī)器人工作空間，建立空間虛擬點(diǎn)約束。注意該約束點(diǎn) 的空間位置是未知的。位置敏感器件PSD 4采用分段式高精度光電器件，分辨率達(dá)O.lum， 有效表面直徑為10mm，可檢測激光束光斑在PSD表面的二維位置。PSD輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)處 理電路5給出激光光斑在PSD表面的二維位置坐標(biāo)，作為反饋信號(hào)精確控制機(jī)器人的位置， 即PSD表面的中心點(diǎn)作為機(jī)器人定位目標(biāo)位置。b)基于激光和PSD的精確機(jī)器人定位。機(jī)器人末端載著激光器以右傾30°的位 姿(位置1)將激光束投射到PSD表面，PSD作為反饋傳感器精確測量光斑在PSD表面的二 維位置，基于PSD高精度位置反饋通過機(jī)器人閉環(huán)伺服定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人攜帶激光束光斑 精確定位在PSD的有效表面中心點(diǎn)位置，如圖1所示，一個(gè)激光器2通過連接裝置1固定安 裝在機(jī)器人末端10，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)7通過數(shù)據(jù)采集卡6與PSD裝置連接，工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 7通過網(wǎng)絡(luò)接口與機(jī)器人控制器8連接，機(jī)器人控制器8和工業(yè)機(jī)器人本體9連接。c)準(zhǔn)確定位后，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)通訊或工業(yè)機(jī)器人通訊接口(如串口) 從工業(yè)機(jī)器人控制器讀取6個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度值，每個(gè)角度值讀取兩次以上取平均值作 為位置1的機(jī)器人關(guān)節(jié)角。系統(tǒng)初始化并建立與機(jī)器人控制器。8的通訊連接，然后執(zhí)行基 于PSD和激光的不同位置機(jī)器人精確定位，步驟如d)到g)；
d)工業(yè)機(jī)器人末端載著激光器基于位置1向左旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度為左右傾角的范 圍除以旋轉(zhuǎn)次數(shù)，最大左傾30 60°，第一次旋轉(zhuǎn)的位姿作為位置2，重復(fù)步驟b)和c)獲 得位置2的機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角度。如圖2所示，機(jī)器人末端載著激光器以右傾30°的位姿 (位置1)，基于PSD伺服反饋定位激光束光斑在PSD的有效表面中心位置11 ；e)準(zhǔn)確定位后，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)絡(luò)通訊從機(jī)器人控制器讀取6個(gè)機(jī)器 人關(guān)節(jié)的角度值，三次取平均值作為位置1的關(guān)節(jié)角度；f)依次旋轉(zhuǎn)獲得位置i (i為某一旋轉(zhuǎn)次數(shù)時(shí)的位置)的機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角，直到 位置N，N-1為旋轉(zhuǎn)次數(shù)。如機(jī)器人末端載著激光器減少10°以右傾20°的位姿(位置2)， 重復(fù)步驟c)和d)獲得位置2的機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角度；g)依次遞減10°獲得位置i的機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角度，直到位置N(這里N =7)。 整個(gè)機(jī)器人定位過程自動(dòng)完成，耗時(shí)不到3分鐘；h)自動(dòng)標(biāo)定過程結(jié)束，至此獲得7個(gè)不同機(jī)器人位置下的6個(gè)關(guān)節(jié)角度值。i)基于以下建立的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型，代入以上7組關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，獲得機(jī)器人 末端的位置和姿態(tài)。工業(yè)機(jī)器人以ABB的IRB1600為例，機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)包含機(jī)器人桿件參數(shù)和機(jī)器 人零點(diǎn)位置誤差的D-H關(guān)系可改寫為，
權(quán)利要求
一種工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定方法，其特征在于步驟如下a.建立空間虛擬點(diǎn)約束，將一個(gè)位置敏感器件PSD裝置任意放置在工業(yè)機(jī)器人可達(dá)工作空間，PSD裝置的中心點(diǎn)(11)為約束點(diǎn)；b.基于激光和PSD的精確機(jī)器人定位，工業(yè)機(jī)器人末端(10)載著激光器(2)以右傾30～60°的位姿作為位置1，將激光束投射到PSD表面，PSD作為反饋傳感器精確測量光斑在PSD表面的二維位置，基于PSD高精度位置反饋通過機(jī)器人閉環(huán)伺服定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人攜帶激光束光斑精確定位在PSD的有效表面中心點(diǎn)位置；c.準(zhǔn)確定位后，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(7)通過網(wǎng)絡(luò)通訊或工業(yè)機(jī)器人通訊接口從工業(yè)機(jī)器人控制器(8)讀取6個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的角度值，每個(gè)角度值讀取兩次以上取其平均值作為位置1的機(jī)器人關(guān)節(jié)角；d.工業(yè)機(jī)器人末端(10)載著激光器(2)基于位置1向左旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度為左右傾角的范圍除以旋轉(zhuǎn)次數(shù)，最大左傾30～60°，第一次旋轉(zhuǎn)的位姿作為位置2，重復(fù)步驟b和c獲得位置2的機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角度；e.依次旋轉(zhuǎn)獲得位置i的機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角，直到位置N，N 1為旋轉(zhuǎn)次數(shù)；f.依據(jù)以上步驟獲取N個(gè)位置的機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度值，接著基于建立的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型，獲得N個(gè)位置的機(jī)器人末端位置和姿態(tài)；g.計(jì)算約束點(diǎn)的空間位置，基于線交點(diǎn)的方法，即物理上任意兩條激光束相交于PSD表面的中心點(diǎn)，根據(jù)獲得的N個(gè)位置的機(jī)器人末端位置和姿態(tài)，建立N個(gè)激光束幾何方程，其中任意兩個(gè)空間直線方程計(jì)算交點(diǎn)或中垂線的中點(diǎn)得到約束點(diǎn)的空間位置；h.優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)獲得機(jī)器人零位標(biāo)定參數(shù)，以點(diǎn)約束建立目標(biāo)函數(shù)，通過迭代算法搜索機(jī)器人標(biāo)定參數(shù)，直到任意兩個(gè)空間直線方程計(jì)算的交點(diǎn)收斂于一點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定方法，其特征在于步驟f中，工業(yè)機(jī)器 人每個(gè)關(guān)節(jié)包含機(jī)器人桿件參數(shù)和機(jī)器人零點(diǎn)位置誤差的D-H關(guān)系改寫為，q§x -S^cai s 貧Saiφ _ C^Cdri -Cff1Sai qs豸1I = Λj0SaicatCti ，0 0 0 1其中，ai，0”屯和θ 別是桿件長度，連桿扭角，連桿距離和關(guān)節(jié)角度；c θ和分別 s θ表示cos θ和sin θ。δ i表示第i個(gè)關(guān)節(jié)的零位誤差，c夢和$夢分別代表cos ( θ i+ δ 和sin( θ i+ δ》。則六自由度機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程表達(dá)為，LOOOOOObTe=TlT2T3T4T5T6 。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定方法，其特征在于步驟g中，基于線交 點(diǎn)的方法計(jì)算中心點(diǎn)位置，即對于準(zhǔn)確定位在PSD中心點(diǎn)的N個(gè)機(jī)器人位置，其中任意兩個(gè) 機(jī)器人位置下的激光都相交于同一點(diǎn)，該同一點(diǎn)為PSD中心點(diǎn)(11)，根據(jù)機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué) 方程和獲得的每個(gè)機(jī)器人位置下的關(guān)節(jié)角度，獲得機(jī)器人末端在機(jī)器人基座坐標(biāo)系下的位 姿矩陣，給出每個(gè)機(jī)器人位置下的第i條激光線在機(jī)器人基座坐標(biāo)系下的方程為，
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定方法，其特征在于步驟h中，優(yōu)化目標(biāo) 函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人標(biāo)定，即最小化以下目標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化機(jī)器人桿件參數(shù)誤差和機(jī)器人零點(diǎn)位置誤差δ * = arg Μ ηΓΨ,νψ^Ψ^) 其中，Pk是激光線ru and Γ LJ (i Φ j，i，j e N，k e Μ)的交點(diǎn)或者公垂線的中心點(diǎn)。 nPAve表示第η次迭代時(shí)所有激光線交點(diǎn)的Pk k = 1，L，M的中心點(diǎn)；xWk，^k, ΖΨ,分別表 示Pk和nPAre在X，y，Z方向上的分布誤差。
5.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至4所述的任意一項(xiàng)工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定方法的裝置，其特 征在于包括激光器(2)、連接裝置(1)、位置敏感器件PSD(4)、信號(hào)處理電路(5)、工業(yè)控制 計(jì)算機(jī)(7)、數(shù)據(jù)采集卡(6)，所述的激光器(2)通過連接裝置(1)固定安裝在工業(yè)機(jī)器人 末端(10)，位置敏感器件PSD (4)及其信號(hào)處理電路(5)，合稱為PSD裝置，PSD裝置任意放 置在工業(yè)機(jī)器人的可達(dá)工作空間，PSD裝置的中心點(diǎn)(11)為約束點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集卡(6)采用 無線通訊方式與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(7)通訊；工業(yè)機(jī)器人本體(9)通過機(jī)器人末端(10)載著 激光器(2)將激光光斑投射在PSD(4)表面，光斑在PSD(4)的精確位置通過信號(hào)處理電路 (5)和數(shù)據(jù)采集卡(6)傳送給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(7)，反過來，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(7)基于該位 置反饋發(fā)命令給機(jī)器人控制器(8)控制機(jī)器人本體(9)移動(dòng)帶動(dòng)激光器(2)將光斑精確定 位到PSD(4)的表面中心點(diǎn)(11)位置，物理上實(shí)現(xiàn)虛擬點(diǎn)約束。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定裝置，其特征在于激光器(2)是可調(diào) 焦距精密半導(dǎo)體激光器，功率lmW，波長670nm，激光束(3)的光斑直徑為2.5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的工業(yè)機(jī)器人零位自標(biāo)定裝置，其特征在于位置敏感器件 PSD(4)采用分段式高精度光電器件，分辨率達(dá)0. lum，有效表面直徑為10mm，可檢測激光束 光斑在PSD表面的二維位置；PSD輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路(5)給出激光光斑在PSD表面 的二維位置坐標(biāo)，作為反饋信號(hào)精確控制機(jī)器人的位置，即PSD表面的中心點(diǎn)作為機(jī)器人 定位目標(biāo)位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型工業(yè)機(jī)器人標(biāo)定方法及裝置，首先將一個(gè)PSD器件任意放置在機(jī)器人可達(dá)工作空間，然后僅依賴于通過機(jī)器人末端的一束激光以不同位置自動(dòng)定位投射在該P(yáng)SD的中心點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的標(biāo)定任務(wù)。機(jī)器人精確定位控制通過高精度PSD反饋來實(shí)現(xiàn)，PSD中心點(diǎn)的位置通過基于線的方法計(jì)算獲得，基于點(diǎn)約束建立目標(biāo)函數(shù)通過迭代算法給出機(jī)器人的零位誤差。本發(fā)明的方法不需要知道PSD中心點(diǎn)的位置，也不需要有實(shí)際物理接觸測量，而且具有低成本、自動(dòng)化、便攜、高效和高精度等顯著優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/00GK101968341SQ20101026777
公開日2011年2月9日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者劉永, 席寧 申請人:南京理工大學(xué)