專利名稱：一種直角坐標(biāo)方式的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)，特別涉及一種利用幾何測(cè)量法進(jìn)行直角坐標(biāo)方式的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品出廠時(shí)需要通過位姿誤差的測(cè)量來判定其是否合格，常用的測(cè)量方法有經(jīng)緯儀測(cè)量、激光測(cè)量、隨動(dòng)接觸式位姿測(cè)量等。經(jīng)緯儀測(cè)量是工業(yè)機(jī)器人末端操作器上目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)可以通過2個(gè)經(jīng)緯儀測(cè)量出來，2個(gè)經(jīng)緯儀之間的變換關(guān)系也可以通過經(jīng)緯儀的讀數(shù)計(jì)算出來，此系統(tǒng)的測(cè)量精度非常高，在Im的距離內(nèi)精度可以達(dá)到0. 02mm，但測(cè)量的成本也是非常高。激光測(cè)量系統(tǒng)具有精度高，測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)。激光測(cè)量方法可分為2種類型角度剖分型激光跟蹤測(cè)量和球坐標(biāo)型激光跟蹤測(cè)量。激光動(dòng)態(tài)跟蹤儀在Im的測(cè)量距離時(shí)的精度為0.1mm,但是激光測(cè)量系統(tǒng)的成本極為昂貴。隨動(dòng)接觸式位姿測(cè)量機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)在每個(gè)關(guān)節(jié)都裝有高精度編碼器的無動(dòng)力機(jī)器人。此種測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)是人的干預(yù)少，測(cè)量效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。缺點(diǎn)是測(cè)量機(jī)器人的制造精度要求較高，且測(cè)量機(jī)器人的自由度要求盡可能的多，否則有可能出現(xiàn)待測(cè)機(jī)器人與測(cè)量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)之間的干涉。上述各測(cè)量技術(shù)方案在精度、使用的難易和成本方面各不相同，它們與理想的測(cè)量方法都還存在差距，歸納起來，共同的缺點(diǎn)主要有(I)數(shù)據(jù)收集煩瑣、工作量大；(2)大多數(shù)設(shè)備價(jià)格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種直角坐標(biāo)方式的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)的數(shù)據(jù)收集煩瑣、工作量大，設(shè)備昂貴的問題。本發(fā)明的另一目的是提供一種直角坐標(biāo)方式的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量方法，也旨在解決上述問題。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)直角坐標(biāo)方式的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)，包括機(jī)架、導(dǎo)向單元、驅(qū)動(dòng)單元、測(cè)量單元、機(jī)器人及工件，導(dǎo)向單元設(shè)置在機(jī)架上并受驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)，測(cè)量單元設(shè)置在導(dǎo)向單元上，工件被夾持在機(jī)器人的末端；驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向單元運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)測(cè)量單元移動(dòng)以完成機(jī)器人位姿參數(shù)的測(cè)量。所述導(dǎo)向單元包括第一套直線導(dǎo)軌、第二套直線導(dǎo)軌、第三套直線導(dǎo)軌及第四套直線導(dǎo)軌，每套直線導(dǎo)軌均包括滾珠絲杠和滑塊；所述驅(qū)動(dòng)單元包括帶傳動(dòng)裝置、減速器及交流伺服電機(jī)；第一、第二套直線導(dǎo)軌水平安裝在機(jī)架上，并在遠(yuǎn)離機(jī)器人的末端通過帶傳動(dòng)裝置將第一、第二套直線導(dǎo)軌內(nèi)部的滾珠絲桿連接；第三套直線導(dǎo)軌水平放置，其兩端分別安裝在第一、第二套直線導(dǎo)軌的滑塊上，并通過減速器與交流伺服電機(jī)連接；第四套直線導(dǎo)軌豎直安裝，其滑塊通過一連接件與第三套直線導(dǎo)軌固定連接。本發(fā)明的另一目的采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)基于上述機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量方法，包括如下步驟S1、當(dāng)機(jī)器人夾持工件運(yùn)動(dòng)至某一空間位置，第一、二、三套直線導(dǎo)軌上的滑塊保持零位不動(dòng)，第四套直線導(dǎo)軌上的滑塊移動(dòng)，測(cè)量直角坐標(biāo)末端的某個(gè)固定點(diǎn)，得到第一軸直線方程；S2、第一、二、四套直線導(dǎo)軌上的滑塊保持零位不動(dòng)，第三套直線導(dǎo)軌上的滑塊移動(dòng)，測(cè)量直角坐標(biāo)末端的某個(gè)固定點(diǎn)，得到第二軸方程；S3、第三、四套直線導(dǎo)軌上的滑塊保持零位不動(dòng)，第一、第二套直線導(dǎo)軌上的滑塊移動(dòng)，測(cè)量直角坐標(biāo)末端的某個(gè)固定點(diǎn)，得到第三軸直線方程；S4、構(gòu)造基坐標(biāo)系，測(cè)量第二軸與Y軸的夾角為0，第三軸與xOz平面的夾角為a，第三軸與yOz平面的夾角為3 ；S5、根據(jù)步驟S4測(cè)量到的夾角，計(jì)算直角坐標(biāo)機(jī)器人正解T的姿態(tài)，再測(cè)量測(cè)量單元的觸板三個(gè)接觸面相對(duì)T的姿態(tài)，得到安裝末端執(zhí)行器時(shí)產(chǎn)生的姿態(tài)偏差，再反解0 e、a 6及3 6三個(gè)參數(shù)，從而得到機(jī)器人位姿誤差。本發(fā)明的工作原理是機(jī)器人距離機(jī)架一定的距離，固定在靠近測(cè)量單元的方向，工件由機(jī)器人末端的夾持器固定。故當(dāng)工件被機(jī)器人夾持住并移至空間某位置時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線導(dǎo)軌的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使得測(cè)量單元實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向上的移動(dòng)，并逐漸實(shí)現(xiàn)其上的三個(gè)觸板與工件的逼近動(dòng)作，以完成機(jī)器人位置誤差的測(cè)量。即，當(dāng)機(jī)器人夾持工件至空間某一位置，觸板在三個(gè)方向上移動(dòng)，通過激光位移傳感器分別實(shí)現(xiàn)了工件對(duì)逼近觸板上三個(gè)接觸面，從而通過測(cè)量的0、a、P、0 a e及P e六個(gè)參數(shù)計(jì)算出其所產(chǎn)生的姿態(tài)偏差。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果(I)本發(fā)明通過激光位移傳感器獲取位姿數(shù)據(jù)，并通過工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算、處理，系統(tǒng)維護(hù)方便，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，設(shè)備研制成本低，能有效提聞數(shù)據(jù)處理的效率；(2)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的位姿誤差檢測(cè)可以有效的適用于精度較高的機(jī)器人，為機(jī)器人位姿誤差補(bǔ)償提供原始數(shù)據(jù)。


圖1是本發(fā)明機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是機(jī)器人位姿誤差測(cè)量坐標(biāo)系示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例本發(fā)明包括機(jī)架1、導(dǎo)向單元、驅(qū)動(dòng)單元、測(cè)量單元、機(jī)器人9及工件10。如圖1所示，本實(shí)施例中導(dǎo)向單元指的是四套直線導(dǎo)軌，分別為第一套直線導(dǎo)軌2-1、第二套直線導(dǎo)軌2-2、第三套直線導(dǎo)軌2-3及第四套直線導(dǎo)軌2-4，每套直線導(dǎo)軌均包括滾珠絲杠、滑塊、擋板及緩沖膠套等；驅(qū)動(dòng)單元包括帶傳動(dòng)裝置3、減速器5及四臺(tái)交流伺服電機(jī)4 ;測(cè)量單兀由六套激光位移傳感器8和一塊觸板7構(gòu)成。本實(shí)施例中，第一、第二套直線導(dǎo)軌水平安裝在機(jī)架I上，并在遠(yuǎn)離機(jī)器人9的末端通過帶傳動(dòng)裝置3將第一、第二套直線導(dǎo)軌內(nèi)部的滾珠絲桿連接，實(shí)現(xiàn)其同步運(yùn)動(dòng)。第三套直線導(dǎo)軌水平放置，其兩端分別安裝在第一、二套直線導(dǎo)軌的滑塊上，該套導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)裝置采用交流伺服電機(jī)3接減速器5，再接滾珠絲杠的方式，以保證該軸上的運(yùn)動(dòng)能順利實(shí)現(xiàn)。第四套直線導(dǎo)軌豎直安裝，通過圖1中所示的連接件6將其滑塊與第三套直線導(dǎo)軌固定在一起，故該軸能相對(duì)于第三套直線導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)上下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。所述觸板7安裝在第四套直線導(dǎo)軌的上端面，故能實(shí)現(xiàn)如圖2所示的X、Y、Z三個(gè)方向上的自由移動(dòng)，滿足誤差測(cè)量的運(yùn)動(dòng)需求。觸板7共有三個(gè)接觸面；本實(shí)施例采用六套激光位移傳感器8作為測(cè)量單元，六套激光位移傳感器8安裝在該三個(gè)接觸面上A面裝有三套激光位移傳感器，B面裝有兩套激光位移傳感器，C面裝有一套激光位移傳感器。所述測(cè)量的工件10安裝在機(jī)器人9末端的夾持器上，該機(jī)器人9安裝在靠近測(cè)量用觸板7的一面。本發(fā)明基于直角坐標(biāo)機(jī)器人的標(biāo)定方法采用幾何測(cè)量法，又稱為軸線法，標(biāo)定步驟如下S1、當(dāng)機(jī)器人9夾持工件10運(yùn)動(dòng)至指定的一個(gè)空間位置，第一、二、三套直線導(dǎo)軌上的滑塊保持零位不動(dòng)，第四套直線導(dǎo)軌上的滑塊移動(dòng)，測(cè)量直角坐標(biāo)末端的一個(gè)固定點(diǎn)(即工件表面上的一個(gè)固定具體點(diǎn)，記為點(diǎn)A)，得到第一軸直線方程；S2、第一、二、四套直線導(dǎo)軌上的滑塊保持零位不動(dòng)，第三套直線導(dǎo)軌上的滑塊移動(dòng)，測(cè)量直角坐標(biāo)末端的固定點(diǎn)A，得到第二軸方程；S3、第三、四套直線導(dǎo)軌上的滑塊保持零位不動(dòng)，第一、第二套直線導(dǎo)軌上的滑塊移動(dòng)，測(cè)量直角坐標(biāo)末端的固定點(diǎn)A，得到第三軸直線方程；S4、構(gòu)造基坐標(biāo)系，測(cè)量第二軸與Y軸的夾角為0，第三軸與xOz平面的夾角為a，第三軸與yOz平面的夾角為3 ；S5、根據(jù)步驟S4測(cè)量到的夾角，計(jì)算T (即直角坐標(biāo)機(jī)器人的正解)的姿態(tài)，再測(cè)量末端執(zhí)行器(即觸板)三個(gè)面相對(duì)T的姿態(tài)，即得到安裝末端執(zhí)行器時(shí)產(chǎn)生的姿態(tài)偏差e Te，再反解第二軸與Y軸的夾角0 e、第三軸與xOz平面的夾角a e及第三軸與yOz平面的夾角@6三個(gè)參數(shù)，從而得到機(jī)器人位姿誤差。本發(fā)明所述的各零部件可選型如下，但選型不限于此機(jī)器人9 :可選用其他同類型的機(jī)器人；工件10 :可選用形狀規(guī)則的同類型工件。上述實(shí)施例為本方面較佳的實(shí)施方式，但本方明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種直角坐標(biāo)方式的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括機(jī)架、導(dǎo)向單元、驅(qū)動(dòng)單元、測(cè)量單元、機(jī)器人及工件，導(dǎo)向單元設(shè)置在機(jī)架上并受驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)，測(cè)量單元設(shè)置在導(dǎo)向單元上，工件被夾持在機(jī)器人的末端；驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向單元運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)測(cè)量單元移動(dòng)以完成機(jī)器人位姿參數(shù)的測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)向單元包括第一套直線導(dǎo)軌、第二套直線導(dǎo)軌、第三套直線導(dǎo)軌及第四套直線導(dǎo)軌，每套直線導(dǎo)軌均包括滾珠絲杠和滑塊；所述驅(qū)動(dòng)單元包括帶傳動(dòng)裝置、減速器及交流伺服電機(jī)； 第一、第二套直線導(dǎo)軌水平安裝在機(jī)架上，并在遠(yuǎn)離機(jī)器人的末端通過帶傳動(dòng)裝置將第一、第二套直線導(dǎo)軌內(nèi)部的滾珠絲桿連接；第三套直線導(dǎo)軌水平放置，其兩端分別安裝在第一、第二套直線導(dǎo)軌的滑塊上，并通過減速器與交流伺服電機(jī)連接；第四套直線導(dǎo)軌豎直安裝，其滑塊通過一連接件與第三套直線導(dǎo)軌固定連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量單元包括設(shè)有三個(gè)接觸面的觸板，以及安裝在所述接觸面上的激光位移傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述觸板安裝在第四套直線導(dǎo)軌的上端面。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光位移傳感器共有六套；所述觸板的第一接觸面裝有三套激光位移傳感器，第二接觸面裝有兩套激光位移傳感器，第三接觸面裝有一套激光位移傳感器。
6.基于權(quán)利要求2所述機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步驟 S1、當(dāng)機(jī)器人夾持工件運(yùn)動(dòng)至某一空間位置，第一、二、三套直線導(dǎo)軌上的滑塊保持零位不動(dòng)，第四套直線導(dǎo)軌上的滑塊移動(dòng)，測(cè)量直角坐標(biāo)末端的某個(gè)固定點(diǎn)，得到第一軸直線方程； S2、第一、二、四套直線導(dǎo)軌上的滑塊保持零位不動(dòng)，第三套直線導(dǎo)軌上的滑塊移動(dòng)，測(cè)量直角坐標(biāo)末端的某個(gè)固定點(diǎn)，得到第二軸方程； S3、第三、四套直線導(dǎo)軌上的滑塊保持零位不動(dòng)，第一、第二套直線導(dǎo)軌上的滑塊移動(dòng)，測(cè)量直角坐標(biāo)末端的某個(gè)固定點(diǎn)，得到第三軸直線方程； S4、構(gòu)造基坐標(biāo)系，測(cè)量第二軸與Y軸的夾角為Θ，第三軸與χΟζ平面的夾角為α，第三軸與yOz平面的夾角為β ； S5、根據(jù)步驟S4測(cè)量到的夾角，計(jì)算直角坐標(biāo)機(jī)器人正解T的姿態(tài)，再測(cè)量測(cè)量單元的觸板三個(gè)接觸面相對(duì)T的姿態(tài)，得到安裝末端執(zhí)行器時(shí)產(chǎn)生的姿態(tài)偏差，再反解Θ e、a e及β e三個(gè)參數(shù)，從而得到機(jī)器人位姿誤差。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直角坐標(biāo)方式的機(jī)器人位姿誤差測(cè)量系統(tǒng)及方法，其中系統(tǒng)包括機(jī)架、導(dǎo)向單元、驅(qū)動(dòng)單元、測(cè)量單元、機(jī)器人及工件，導(dǎo)向單元設(shè)置在機(jī)架上并受驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)，測(cè)量單元設(shè)置在導(dǎo)向單元上，工件被夾持在機(jī)器人的末端；驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向單元運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)測(cè)量單元移動(dòng)以完成機(jī)器人位姿參數(shù)的測(cè)量。解決了現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)的數(shù)據(jù)收集煩瑣、工作量大，設(shè)備昂貴的問題。
文檔編號(hào)G01C1/00GK103017726SQ20121055508
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者張鐵, 鄒焱飚, 梅雪川, 李波 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)