用于工業(yè)機(jī)器人空間位姿精度和軌跡測量的拉線式測量系統(tǒng)和測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于工業(yè)機(jī)器人空間位姿精度和軌跡測量的拉線式測量系統(tǒng)和測量方法，測量系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人，測量組件包括定位圓盤，測量適配器，拉線編碼器，數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算終端；本發(fā)明采用拉線編碼器作為測量的主體，利用拉線編碼器的測試線纜長度來換算機(jī)器人末端執(zhí)行器上的點(diǎn)位坐標(biāo)值變化，適用于工業(yè)現(xiàn)場，測試設(shè)備使用壽命長，機(jī)器人運(yùn)動空間大，且測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高。本發(fā)明能簡便實(shí)時測量機(jī)器人的位姿，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動空間大，精度高。
【專利說明】用于工業(yè)機(jī)器人空間位姿精度和軌跡測量的拉線式測量系統(tǒng)和測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)機(jī)器人空間位姿精度和軌跡測量的拉線式測量系統(tǒng)和測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)機(jī)器人，作為生產(chǎn)自動化的代表，被廣泛應(yīng)用與工業(yè)的各個領(lǐng)域，如汽車制造、化工等行業(yè)自動化生產(chǎn)線上的弧焊、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、包裝等作業(yè)中。工業(yè)機(jī)器人在自動化生產(chǎn)中代替人完成高質(zhì)量的工作，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，因此對工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動時在空間上的準(zhǔn)確定位和速度、加速度的大小要有嚴(yán)格的要求。一般情況下，工業(yè)機(jī)器人出廠的時候都需要進(jìn)行位姿精度的校準(zhǔn)，以及運(yùn)動過程中速度和加速度的檢測。市場上現(xiàn)有的機(jī)器人校準(zhǔn)方式其一是采用攝像頭進(jìn)行跟蹤，采用手動編程，其精度低，且由于攝像光線等緣故對環(huán)境要求比較高；其二是采用激光干涉儀等跟蹤校準(zhǔn)，一般運(yùn)用于機(jī)床上，其精度高，但空間檢測實(shí)現(xiàn)難度大，且價(jià)格昂貴。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于解決已有技術(shù)存在的問題，提供種用于工業(yè)機(jī)器人空間位姿精度和軌跡測量的拉線式測量系統(tǒng)和測量方法，其測量精度高，可靠性好，運(yùn)動空間范圍大，而且對環(huán)境要求低，適用于工業(yè)現(xiàn)場。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是:
拉線編碼器引出十二條測試線纜，每四個一組與安裝在定位圓盤上的三個測量適配器連接，定位圓盤與機(jī)器人末端執(zhí)行器同軸連接并可自由轉(zhuǎn)動，同時所述拉線編碼器外聯(lián)到數(shù)據(jù)采集卡，由計(jì)算機(jī)或手持計(jì)算顯示單元上的計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人末端執(zhí)行器上不共線三點(diǎn)的位置的測量，并根據(jù)三點(diǎn)確定的平面計(jì)算出機(jī)器人的位姿，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動時，實(shí)時計(jì)算位姿，得到機(jī)器人空間運(yùn)動軌跡，并可計(jì)算出速度和加速度信息。
[0005]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種用于工業(yè)機(jī)器人空間位姿精度和軌跡測量的拉線式測量系統(tǒng)，包括工業(yè)機(jī)器人，測量組件包括定位圓盤，測量適配器，拉線編碼器，數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算終端；所述定位圓盤同軸安裝在工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器上并能夠自由轉(zhuǎn)動，三個測量適配器安裝在定位圓盤的下表面，三個測量適配器的安裝基點(diǎn)不共線；每四個所述拉線編碼器為一組，通過四條測試線纜連接對應(yīng)的一個測量適配器，十二個拉線編碼器的基點(diǎn)處于一個平面，且每組四個拉線編碼器的中心點(diǎn)與其他兩組不重合，以避免干涉；每組四個拉線編碼器的四個基點(diǎn)不共線；每組四條測試線纜的延長線在空間上交于一點(diǎn)；每組四個拉線編碼器通過數(shù)據(jù)線連接數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡連接計(jì)算終端。
[0006]本系統(tǒng)還包括測量桿，每組四個所述拉線編碼器分別安裝在對應(yīng)的測量桿上。
[0007]—種用于工業(yè)機(jī)器人空間定位精度和軌跡測量的拉線式測量方法，具體步驟如下:
a.任意選取同組中兩個拉線編碼器，通過數(shù)據(jù)采集卡反饋給計(jì)算終端兩條測試線纜的長度值，并測量這兩個拉線編碼器的距離，得到由這三條邊構(gòu)成的三角形；
b.通過迭代法計(jì)算得到測試線纜與底邊兩個拉線編碼器基點(diǎn)連線的夾角；
c.通過三角形的空間幾何關(guān)系解得工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器上該組拉線編碼器對應(yīng)的測量適配器所測點(diǎn)的空間坐標(biāo)初值；
d.重復(fù)步驟a-c，由同組不同拉線編碼器兩兩配合進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行誤差最小化處理，最終得到該組拉線編碼器對應(yīng)的測量適配器所測的點(diǎn)位坐標(biāo)；
e.重復(fù)步驟a-d，計(jì)算其他兩組拉線編碼器對應(yīng)的測量適配器所測的點(diǎn)位坐標(biāo)；
f.以定位圓盤轉(zhuǎn)軸中心處作為工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的空間坐標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算該點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)；
g.根據(jù)末端執(zhí)行器上測量適配器這不共線三點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，利用空間幾何算法求得這三點(diǎn)構(gòu)成的平面的法矢向量，進(jìn)而計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿；
h.操縱工業(yè)機(jī)器人，使末端執(zhí)行器運(yùn)動，計(jì)算終端記錄下末端執(zhí)行器實(shí)時的位姿，形成實(shí)時軌跡路線；根據(jù)采樣間隔，由計(jì)算終端得到的運(yùn)動軌跡計(jì)算出末端執(zhí)行器的速度和加速度。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著技術(shù)進(jìn)
I K
少:
本發(fā)明采用拉線編碼器作為測量的主體，利用拉線編碼器的測試線纜長度來換算機(jī)器人末端執(zhí)行器上的點(diǎn)位坐標(biāo)值變化，適用于工業(yè)現(xiàn)場，測試設(shè)備使用壽命長，機(jī)器人運(yùn)動空間大，且測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是本發(fā)明實(shí)施例一的拉線編碼器安裝平面示意圖。
[0011]圖3是本發(fā)明實(shí)施例二的拉線編碼器安裝平面示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明的實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下:
實(shí)施例一:
參見圖1和圖2，一種用于工業(yè)機(jī)器人空間位姿精度和軌跡測量的拉線式測量系統(tǒng)，包括工業(yè)機(jī)器人1，測量組件包括定位圓盤2，測量適配器3，拉線編碼器4，測量桿5，數(shù)據(jù)線6，數(shù)據(jù)采集卡7和計(jì)算終端8 ;所述定位圓盤2同軸安裝在工業(yè)機(jī)器人I末端執(zhí)行器上并能夠自由轉(zhuǎn)動，三個測量適配器3安裝在定位圓盤2的下表面，三個測量適配器3的安裝基點(diǎn)不共線；每四個所述拉線編碼器4為一組，每組四個所述拉線編碼器4分別安裝在對應(yīng)的測量桿5上，通過四條測試線纜連接對應(yīng)的一個測量適配器2，十二個拉線編碼器4的基點(diǎn)處于一個平面，且每組四個拉線編碼器4的中心點(diǎn)與其他兩組不重合，以避免干涉；每組四個拉線編碼器4的四個基點(diǎn)不共線；每組四條測試線纜的延長線在空間上交于一點(diǎn)；每組四個拉線編碼器4通過數(shù)據(jù)線6連接數(shù)據(jù)采集卡7，所述數(shù)據(jù)采集卡7連接計(jì)算終端8。本實(shí)施例中的數(shù)據(jù)采集卡7采用NI PXI6602工控機(jī)。
[0013]一種用于工業(yè)機(jī)器人空間定位精度和軌跡測量的拉線式測量方法，具體步驟如下:
a.任意選取同組中兩個拉線編碼器4，通過數(shù)據(jù)采集卡7反饋給計(jì)算終端8兩條測試線纜的長度值，并測量這兩個拉線編碼器4的距離，得到由這三條邊構(gòu)成的三角形；
b.通過迭代法計(jì)算得到測試線纜與底邊兩個拉線編碼器4基點(diǎn)連線的夾角；
c.通過三角形的空間幾何關(guān)系解得工業(yè)機(jī)器人I末端執(zhí)行器上該組拉線編碼器4對應(yīng)的測量適配器3所測點(diǎn)的空間坐標(biāo)初值；
d.重復(fù)步驟a-c，由同組不同拉線編碼器4兩兩配合進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行誤差最小化處理，最終得到該組拉線編碼器4對應(yīng)的測量適配器3所測的點(diǎn)位坐標(biāo)；
e.重復(fù)步驟a-d，計(jì)算其他兩組拉線編碼器4對應(yīng)的測量適配器3所測的點(diǎn)位坐標(biāo)；
f.以定位圓盤2轉(zhuǎn)軸中心處作為工業(yè)機(jī)器人I末端執(zhí)行器的空間坐標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算該點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)；
g.根據(jù)末端執(zhí)行器上測量適配器3這不共線三點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，利用空間幾何算法求得這三點(diǎn)構(gòu)成的平面的法矢向量，進(jìn)而計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人I末端執(zhí)行器的位姿；
h.操縱工業(yè)機(jī)器人1，使末端執(zhí)行器運(yùn)動，計(jì)算終端8記錄下末端執(zhí)行器實(shí)時的位姿，形成實(shí)時軌跡路線；根據(jù)采樣間隔，由計(jì)算終端8得到的運(yùn)動軌跡計(jì)算出末端執(zhí)行器的速度和加速度。
[0014]實(shí)施例二:
參見圖3，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，不同之處在于，不使用測量桿5，十二個拉線編碼器4采用隨機(jī)擺放式，但必須保證十二個拉線編碼器4的基點(diǎn)基本處于一個平面且每組所在的中心點(diǎn)與其他兩組不重合，每組中必須保證其中的四個拉線編碼器4四點(diǎn)不共線，重復(fù)實(shí)施例一的測量方法，也可得相同的結(jié)果，充分體現(xiàn)了本方法的簡便性、可靠性和對環(huán)境要求低，適用于工業(yè)現(xiàn)場操作。
【權(quán)利要求】
1.一種用于工業(yè)機(jī)器人空間位姿精度和軌跡測量的拉線式測量系統(tǒng)，包括工業(yè)機(jī)器人(1)，其特征在于，測量組件包括定位圓盤(2)，測量適配器(3)，拉線編碼器(4)，數(shù)據(jù)線(6)，數(shù)據(jù)采集卡(7)和計(jì)算終端(8);所述定位圓盤(2)同軸安裝在工業(yè)機(jī)器人(I)末端執(zhí)行器上并能夠自由轉(zhuǎn)動，三個測量適配器(3)安裝在定位圓盤(2)的下表面，三個測量適配器(3)的安裝基點(diǎn)不共線；每四個所述拉線編碼器(4)為一組，通過四條測試線纜連接對應(yīng)的一個測量適配器(2)，十二個拉線編碼器(4)的基點(diǎn)處于一個平面，且每組四個拉線編碼器(4)的中心點(diǎn)與其他兩組不重合，以避免干涉；每組四個拉線編碼器(4)的四個基點(diǎn)不共線；每組四條測試線纜的延長線在空間上交于一點(diǎn)；每組四個拉線編碼器(4)通過數(shù)據(jù)線(6 )連接數(shù)據(jù)采集卡(7 )，所述數(shù)據(jù)采集卡(7 )連接計(jì)算終端(8 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于工業(yè)機(jī)器人空間位姿精度和軌跡測量的拉線式測量系統(tǒng)，其特征在于，本系統(tǒng)還包括測量桿(5)，每組四個所述拉線編碼器(4)分別安裝在對應(yīng)的測量桿(5)上。
3.一種用于工業(yè)機(jī)器人空間定位精度和軌跡測量的拉線式測量方法，其特征在于，具體步驟如下: a.任意選取同組中兩個拉線編碼器(4)，通過數(shù)據(jù)采集卡(7)反饋給計(jì)算終端(8)兩條測試線纜的長度值，并測量這兩個拉線編碼器(4)的距離，得到由這三條邊構(gòu)成的三角形； b.通過迭代法計(jì)算得到測試線纜與底邊兩個拉線編碼器(4)基點(diǎn)連線的夾角； c.通過三角形的空間幾何關(guān)系解得工業(yè)機(jī)器人(I)末端執(zhí)行器上該組拉線編碼器(4)對應(yīng)的測量適配器(3)所測點(diǎn)的空間坐標(biāo)初值； d.重復(fù)步驟a-c，由同組不同拉線編碼器(4)兩兩配合進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行誤差最小化處理，最終得到該組拉線編碼器(4)對應(yīng)的測量適配器(3)所測的點(diǎn)位坐標(biāo)； e.重復(fù)步驟a-d，計(jì)算其他兩組拉線編碼器(4)對應(yīng)的測量適配器(3)所測的點(diǎn)位坐標(biāo)； f.以定位圓盤(2)轉(zhuǎn)軸中心處作為工業(yè)機(jī)器人(I)末端執(zhí)行器的空間坐標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算該點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)； g.根據(jù)末端執(zhí)行器上測量適配器(3)這不共線三點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，利用空間幾何算法求得這三點(diǎn)構(gòu)成的平面的法矢向量，進(jìn)而計(jì)算得到工業(yè)機(jī)器人(I)末端執(zhí)行器的位姿； h.操縱工業(yè)機(jī)器人(1)，使末端執(zhí)行器運(yùn)動，計(jì)算終端(8)記錄下末端執(zhí)行器實(shí)時的位姿，形成實(shí)時軌跡路線；根據(jù)采樣間隔，由計(jì)算終端(8)得到的運(yùn)動軌跡計(jì)算出末端執(zhí)行器的速度和加速度。
【文檔編號】G01C21/00GK104236543SQ201410474507
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】鮑晟, 宋韜, 洪銀芳, 何永義, 郭帥, 陸左鋒 申請人:上海大學(xué)