工业机器人末端六维力传感器安装姿态标定方法与流程

本发明属于工业机器人传感控制技术领域，具体涉及一种工业机器人末端六维力传感器安装姿态标定方法。

背景技术：

六维力传感器常安装在机器人末端，用于测量机器人工作过程中的末端受力信息。六维力传感器具有其自身固有的坐标系，能够测量空间任意力系中的三维正交力和三维正交力矩。六维力传感器直接测得的数据基于其自身的坐标系。此外，工业机器人也具有其自身固有的坐标系，将六维力传感器安装在机器人末端后，希望通过力传感器的数据反馈控制机器人运动，这样，首先需要明确传感器与机器人间的安装关系，从而确定出传感器坐标系与机器人坐标系间的转换关系，进而可以将传感器数据转换至机器人坐标系下，用于机器人的运动控制。

目前，传感器与机器人间的安装关系主要依靠机械定位确定，通过设计机器人与传感器的转接件，并在转接件上设计定位特征，如销钉、销孔等，与机器人末端、传感器上的销钉、销孔配合，确保传感器与机器人间的安装关系。通过转接件的设计尺寸，直接获得传感器与机器人坐标系间的姿态转换关系。这种方法得到的姿态转换关系依赖于机器人末端接口、转接件、传感器安装接口三者的机械加工精度，机械加工误差会带来相应的姿态转换误差。

为解决姿态转换精度对各部件机械加工精度的依赖问题，本发明提出工业机器人末端六维力传感器安装姿态在线标定方法，在传感器与机器人以任意姿态安装固定后，均可以标定出传感器与机器人间的安装关系，得到的决姿态转换关系与部件机械加工精度无关，这有助于突破部件机械加工精度对姿态转换精度的限制，进一步提高机器人相应的感应控制精度。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的在于提供一种工业机器人末端六维力传感器安装姿态标定方法，解决六维力传感器在机器人末端安装姿态的标定问题，通过控制机器人沿其自身的坐标轴运动，由于运动中的惯性力，致使六维力传感器的各轴读数发生变化，从而可以由对应的传感器读数标定出机器人相应坐标轴与传感器坐标轴的方向关系，实现传感器坐标系与机器人坐标系的相对姿态标定。

本发明是通过如下技术方案实现的：

工业机器人末端六维力传感器安装姿态标定方法，包括如下步骤：

1)在六维力传感器工具端固定设置具有一定质量的工件，在工业机器人的静止状态下，读取六维力传感器三个轴的力数据，作为初始值，其中：

2)控制工业机器人沿工具坐标系x轴做正向加速运动，期间采集六维力传感器数据计算得到机器人工具坐标系x轴在六维力传感器坐标系下的单位向量：

3)控制工业机器人沿工具坐标系y轴做正向加速运动，期间采集六维力传感器数据计算得到机器人工具坐标系y轴在六维力传感器坐标系下的单位向量为：

4)控制工业机器人沿工具坐标系z轴做正向加速运动，期间采集六维力传感器数据计算得到机器人工具坐标系z轴在六维力传感器坐标系下的单位向量为：

5)由步骤2)、3)、4)的计算结果，得到由机器人工具坐标系到六维力传感器坐标系的姿态变换矩阵：

利用该姿态变换矩阵即可实现机器人工具坐标系到六维力传感器坐标系间姿态的相互转换，标定至此完成。

上述技术方案中，所述机器人是串联式的6自由度工业机器人。

上述技术方案步骤2)中，控制机器人沿工具坐标系x轴做正向加速运动，假设期间某一时刻的加速度在机器人工具坐标系下表示为：

则在六维力传感器坐标系下表示为：

假设六维力传感器敏感端的负载质量为m，则机器人加速运动带来的负载惯性力为：

机器人运动时，六维力传感器测得的力由初始力及惯性力组成，即：

于是得到：

由于是单位向量，则由式(10)可得到式(2)，按照相同原理可以推导出式(3)、(4)。

本发明提出的工业机器人末端六维力传感器安装姿态标定方法可以确定出传感器坐标系与机器人坐标系间的转换关系，进而可以将传感器数据转换至机器人坐标系下，用于机器人的运动控制。

附图说明

图1为本发明的六维力传感器安装在工业机器人上的状态示意图。

其中，1－机器人；2－六维力传感器；3－工件；4－夹具；5－机器人末端法兰。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

如图1所示，六维力传感器2固定端连接至机器人末端法兰5，六维力传感器2敏感端上连接夹具4，夹具4夹持工件3。

机器人1工具坐标系与末端法兰5固连，六维力传感器2坐标系与其自身固连。

定义坐标系如下：

机器人1工具坐标系ot-xtytzt；

六维力传感器2坐标系os-xsyszs。

机器人1在静止状态下，六维力传感器2测力初始值为：

控制机器人1沿工具坐标系x轴做正向加速运动，期间某一时刻的加速度在坐标系ot-xtytzt下为：

记机器人1工具坐标系x轴方向的单位向量为在坐标系ot-xtytzt可表示为：

假设在六维力传感器2坐标系os-xsyszs下可表示为：

则在os-xsyszs下可表示为：

机器人1运动造成的惯性力在六维力传感器2坐标系下为：

其中m为负载质量。机器人1运动时，六维力传感器2测得的力由初始力及惯性力组成，即：

进而得到：

由于是单位向量，则：

同理控制机器人1沿工具坐标系y、z轴做正向加速运动，对于机器人1工具坐标系y、z轴方向的单位向量在六维力传感器2坐标系下可表示为：

则由坐标系ot-xtytzt到坐标系os-xsyszs的旋转转换矩阵为：

这样便完成了六维力传感器2安装姿态关的标定。

以上说明了本发明的原理，通过控制机器人沿其自身的坐标轴运动，由于运动中的惯性力，致使六维力传感器的各轴读数发生变化，从而可以由对应的传感器读数标定出机器人相应坐标轴与传感器坐标轴的方向关系，实现传感器坐标系与机器人坐标系的相对姿态标定。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。