一种机器人的标定系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机器人的标定系统及方法，属于机器人标定领域。
【背景技术】
[0002] 随着机器人在各个行业的广泛运用，业界对工业机器人在运动时在空间上的重复 定位精度与绝对定位精度有严格的要求，现今机器人重复定位精度比较高，绝对定位精度 却很低，一般相差一个数量级以上，绝对定位精度问题已经严重制约了工业机器人的应用 能力和应用范围。由于机器人是一种多自由度设备，这种结构形式存在误差累积放大的缺 点，各级关节的结构参数误差会被逐级放大，从而造成机器人的精度降低。
[0003] 标定是消除机器人结构参数误差的有效方法，目前常用的机器人标定方法一般都 要借助激光跟踪仪、激光干涉仪、三坐标测量机等精密测量仪器。
[0004] 以上方法的共同特点是设备非常昂贵，安装调试及操作比较复杂，主要适合于机 器人制造企业实验室场合应用，操作过程依赖于操作人员的水平且非常浪费时间，难以实 现自动化。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种机器人的标定系统及方法，以解决现有设备昂贵、安装操作复 杂或定位精度低等问题。
[0006] 本发明的技术方案是：一种机器人的标定系统，包括标定装置、机器人19、计算机 20、机器人电缆21、标定装置电缆；
[0007] 所述标定装置通过标定装置电缆与计算机20连接通讯，机器人19通过机器人电缆 21与计算机20连接通讯;通过计算机20采集标定装置的数据以及机器人19的关节转角，并 根据连续两次采集到标定装置的数据计算机器人19末端在空间两点的距离;所述标定装置 的数据包括拉线传感器17的拉线长度、角度传感器15的角度、角度传感器Π 14的角度。
[0008] 所述标定装置包括下底板1、轴承座12、圆锥滚子轴承13、阻挡片4、角度传感器15、 旋转轴16、轴承座Π 7、圆锥滚子轴承Π 8、支撑柱9、上底板10、连接块11、旋转轴Π 12、转向 环13、角度传感器Π 14、深沟球轴承115、深沟球轴承Π 16、拉线传感器17、连接杆18;
[0009] 所述轴承座12安装在下底板1上，圆锥滚子轴承13安装于轴承座12内，旋转轴16的 下端安装在圆锥滚子轴承13内，角度传感器15安装在旋转轴16上，阻挡片4一端安装在角度 传感器15上，阻挡片4另一端安装在下底板1上，轴承座Π 7安装在上底板10上，上底板10与 下底板1通过支撑柱9连接，圆锥滚子轴承Π 8安装于轴承座Π 7内，旋转轴16的上端安装在 圆锥滚子轴承Π 8内，连接块11安装在旋转轴16的末端，连接块11 一端安装有深沟球轴承I 15，连接块11另一端安装有深沟球轴承Π 16，旋转轴Π 12的一端安装在深沟球轴承115内， 旋转轴Π 12的另一端安装在深沟球轴承Π 16内，转向环13安装在旋转轴Π 12上，随旋转轴 Π 12-起转动，拉线传感器17的拉线安装在转向环13上，连接杆18安装在拉线传感器17上， 角度传感器Π 14的转动轴安装在旋转轴Π 12上，角度传感器Π 14安装在连接块11上。
[0010] 所述标定装置电缆包括拉线传感器电缆22、角度传感器电缆Π 24、角度传感器电 缆 123;
[0011] 所述标定装置中拉线传感器17、角度传感器15、角度传感器Π 14分别通过拉线传 感器电缆22、角度传感器电缆Π 24、角度传感器电缆123与计算机20连接通讯。
[0012] -种机器人的标定方法，所述方法的具体步骤如下：
[0013] Stepl、将拉线传感器17通过连接杆18固定在机器人19上，并将拉线传感器17的拉 线与转向环13连接，从而实现标定装置与机器人19的连接；
[0014] Step2、上电，打开拉线传感器17、角度传感器15、角度传感器Π 14、机器人19，并将 机器人19移动至初始位姿且满足初始化计数变量v = 0;
[0015] Step3、判断是否完成数据采集操作；
[0016]若已经完成数据采集则转至Step7,若尚未完成则转至Step4;
[0017] Step4、计数变量自增l:v = v+l;
[0018] Step5、通过计算机20采集拉线传感器17的拉线长度、角度传感器15的读数、角度 传感器Π 14的读数(为拉线传感器17的拉线在竖直方向上与水平面的夹角）和机器人19的 关节转角数据；
[0019] St ep6、变换机器人19的位姿，变换的原则为:按照关节顺序的大小依次变换每个 关节的转角（如：按照关节从小到大的原则依次变换，关节一从0°变换到10°，下一次再从 10°变换到20°，以此类推，每次变换关节的角度增加10°，一直增加到350°，即完成此关节的 位姿变换，其余关节也按照这种方法运动，用户也可增加或减少位姿的变换次数，以便获得 更多数据）；其中所有关节变换次数为t，每变换一次就返回到步骤Step3进行判断；
[0020] Step7、完成数据采集后令t = v;
[0021 ] Step8、机器人19末端空间连续两点i与j距离I i, j的计算：
[0022]数据采集完成后，利用采集到的标定装置的数据可计算机器人19末端空间连续两 点i与j距离1^;由于旋转轴16的轴线，旋转轴Π 12的轴线，拉线传感器17拉线的延长线相 交于同一点〇,转向环13末端到〇点的距离为1〇,因此能建立机器人19末端空间连续两点i与 j距离的空间几何关系，求出h,^选择旋转轴Π 12轴线所在平面为水平面，首先根据拉 线传感器17的拉线长度以及角度传感器Π 14的读数计算机器人19末端位置i、j到水平面投 影点k、p的距离I1,k、U P;其次根据拉线传感器17的拉线长度、角度传感器15与角度传感器 Π 14的读数计算投影点的长度lk,P，最后根据勾股定理即可计算出机器人19末端空间连续 两点i与j距离；
[0023]机器人19末端位置i与j到投影点k与p距离h,的计算：
[0024] li,k= (li+lo)sin9i
[0025] lj,p = (lj+lo)sin9j
[0026] 投影点长度lk,P的计算：
[0027] l〇,k=(li+lo)cos9i
[0028] l〇,p = (lj+lo)cos0j
[0029] 根据余弦定理lk,P2 = Iikhlc^p2HA · 1。,p · cos9k,p，得到lk,p;
[0030] 机器人19末端位置i与j距离的计算：
[0031] ln,k=lj,p
[0032]
[0033]
[0034] 根据勾股定理
求出机器人19末端在空间两点i与j之间的距离 li, j;式中，Ii、Ij表不当机器人19末端位置分别为i、j时，拉线传感器17的拉线长度;0i、0j表 示当机器人19末端位置分别为i、j时，角度传感器Π 14的读数;0k、θρ表示当机器人19末端位 置分别为i、j时，角度传感器15的读数；0 k,p为机器人19末端由位置i移动到位置j时在水平 面转过的角度，01<,1) = 91{-91);11为」点在线11^上的投影点；1。,1{、1。, 1)分别表示〇点至投影点1^的 距离；ln,k、Uj分别表示η至k、j的距离；h, n表示i至η的距离；
[0035 ] Step9、待标定的机器人19结构参数的求解：
[0036] 利用采集到的机器人19的关节转角数据，计算得到的I1^以及机器人19的运动学 方程列出t个方程，每个方程形式为：
[0037]
[0038] 器人19末端位置位于i时的坐标值，， θ1>2,…，01>w表示机器人19末端位置位于i时的w个关节转角值，q为待辨识的机器人19结构 参数向量；
[0039]
表示机器人19末端位置位于j时的坐标值，θ^， Θ j, 2，…，Θ j, ?表不机器人19末端位置位于j时的w个关节转角值；
[0040] SteplO、求解t个方程组成的方程组：
[0041]
[0042] 在上面的方程组中，只有待辨识的机器人19的结构参数向量q是不确定的，利用非 线性最小二乘法即可求解，得到结构参数向量q的精确值；
[0043] Stepll、将结构参数向量q代入机器人19的运动学方程中，验证标定结果的有效 性，完成机器人19的标定。
[0044]本发明的工作原理是:将拉线传感器17通过连接杆18固定在机器人19上，通过计 算机20采集拉线传感器17、角度传感器15、角度传感器Π 14的读数以及机器人19的关节转 角，并根据连续两次采集到的拉线传感器17、角度传感器15、角度传感器Π 14的数据计算出 机器人19末端在空间两点的距离，根据机器人7的末端在空间两点的距离以及机器人19的 运动学方程得到以机器人19结构参数为未知量的方程式，按照关节变换顺序改变机器人19 的位姿可以得到一系列的方程式，联立所得到的方程式即可得到结构参数辨识方程组，求 解结构参数辨识方程组即可得到机器人19的结构参数、实现机器人19的标定。
[0045] 本发明的有益效果是：
[0046] 1、采用长度可变化的拉线传感器，从而在采集数据时机器人的运动空间变大，机 器人各关节的运动更加充分，为结构参数解算提供了鲁棒性更强的数据支持同时标定操作 更加灵活轻便。
[0047] 2、机器人末端在空间两点间的距离，可根据拉线传感器、角度传感器I、角度传感 器Π 的读数计算出，提高了结构参数解算的可靠性和精度。
[0048] 3、由于不需要测出机器人末端的坐标值，因此简化了操作步骤并提高了标定效 率。
【附图说明】
[0049] 图1是本发明在标定过程中采集数据时的位姿图；
[0050] 图2是本发明标定装置结构示意图；
[0051 ]图3是本发明轴承座I与下底板安装示意图；
[0052]图4是本发明轴承座Π 与上底板安装示意图；
[0053]图5是本发明深沟球轴承Π 与连接块安装示意图；
[0054]图6是本发明机器人末端空间连续两点i与j的空间几何关系与距离计算原理图；
[0055] 图中：1_下底板、2-轴承座1、3_圆锥滚子轴承1、4_阻挡片、5-角度传感器I、6_旋转 轴I、7-轴承座Π 、8-圆锥滚子轴承Π 、9-支撑柱、10-上底板、11-连接块、12-旋转轴Π 、13-转向环、14-角度传感器Π 、15-深沟球轴承I、16-深沟球轴承Π 、17-拉线传感器、18-连接 杆、19