CN107598919B - 一种基于五点标定法的两轴变位机标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于五点标定法的两轴变位机标定方法，包括步骤：(1)按照特定的方式选取目标标定点，得到目标标定点在两轴变位机处于不同位置时的位置矢量；(2)进行矩阵关系计算，得到变位机两轴的相对位置关系和它们相对于机器人基坐标系{B}的位姿，完成两轴变位机五点标定的过程。本发明在机器人和变位机协同焊接作业时，通过五点标定法及相应的坐标转换，得到两轴相对于基坐标系的位姿和两轴的相对位姿，有效提高两轴变为机标定的准确性，对于提高机器人和变位机协同运动的准确性、保证焊接质量具有非常重要的实际意义。
Description
技术领域
发明涉及工业机器人应用领域，尤其涉及一种基于五点标定法的两轴变位机标定方法。
背景技术
在机器人的焊接应用领域，两轴变位机已经得到了广泛的应用，以调整焊接工件达到最佳焊位。在机器人和变位机协同焊接作业时，两者协同运动的准确性是影响焊接质量的重要因素，而两者协同运动的准确性依赖于变位机标定的准确性，所以对两轴变位的标定有重要的理论和实际价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种计算简单方便，满足标定精确性要求的基于五点标定法的两轴变位机标定方法。
上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于五点标定法的两轴变位机标定方法，包括步骤：
(1)按照特定的方式选取标定点，得到标定点在两轴变位机处于不同位置时的位置矢量；
(2)进行矩阵关系计算，得到变位机两轴的相对位置关系和它们相对于机器人基坐标系{B}的位姿，完成两轴变位机五点标定的过程。
进一步地，所述的步骤(1)具体包步骤：
(11)定义两轴变位机和机器人的坐标系，其中{B}为机器人基坐标系，{T}为机器人工具坐标系，{P}为变位机基坐标系，{L}为变位机倾斜轴坐标系，{R}为变位机旋转轴坐标系，{W}为工作台坐标系，当变位机倾斜轴转角θL＝0°时，变位机基坐标系{P}与变位机倾斜轴坐标系{L}重合，变位机旋转轴坐标系{R}和工作台坐标系{W}重合；
(12)在变位机工作台表面上用尖锐的铁锥在任意位置冲出一个微小凹坑作为标定特征点P，在机器人末端安装尖锥，并标定尖锥末端TCP点在机器人基坐标系{B}下的工具坐标系{T}；
(13)使变位机两个轴的转角均为0°，机器人末端尖锥TCP点运动到P点，记下TCP点相对于机器人基坐标系{B}的位置矢量P1＝[x1 y1 z1]；
(14)分别按照电机编码器增大和减小的方向转动旋转轴，分别记录需要标定的变位机旋转轴转角为θ1和θ2时P点的位置矢量P2＝[x2 y2 z2]和P3＝[x3 y3 z3]；
(15)使变位机旋转轴转角为0°，以同样的方式，分别按照电机编码器增大和减小的方向转动倾斜轴，分别记录需要标定的变位机倾斜轴的转角为θ3和θ4时P点的位置矢量P4＝[x4 y4 z4]和P5＝[x5 y5 z5]。
进一步地，所述的θ1和θ2大于30度。
进一步地，所述的θ3和θ4大于30度。
进一步地，所述的步骤(2)具体包括：
(21)变位机旋转轴坐标系原点取P1,P2,P3三点所在圆的圆心C，坐标系x轴由矢量CP1单位化得到，坐标系z轴由矢量P1P2和P2P3叉乘后单位化得到，坐标系y轴由坐标系z轴和x轴叉乘后得到；
(22)三点计算圆心：P1,P2,P3三点可以确定一个平面O1，平面方程可以用以下的行列式表示：
过直线P1P2的中点且与直线P1P2垂直的平面M1的方程为：
过直线P1P3的中点且与直线P1P3垂直的平面Q1的方程为：
联立以上3式，就可以求得平面O1,M1,Q1的交点C＝[xC yC zC]T；
(23)计算x、y、z三个坐标轴的方向矢量：
x轴：CP1/||CP1||＝[exx exy exz]T
z轴：(P1P2×P2P3)/||P1P2×P2P3||＝[eyx eyy eyz]T
y轴：z×x＝[ezx ezy ezz]T；
(24)计算变位机旋转轴坐标系{R}相对于机器人基坐标系{B}的变换矩阵
(25)采用同样的方法，使用P1,P4,P5三点计算变位机倾斜轴坐标系{L}相对于机器人基坐标系{B}的变换矩阵
(26)当变位机倾斜轴转角θL＝0°时，变位机基坐标系{P}与变位机倾斜轴坐标系{L}重合，故变换矩阵
与变位机基坐标系{P}相对于机器人基坐标系{B}的变换矩阵
相等，即
(27)当倾斜轴和旋转轴转角均为0°时，变位机旋转轴坐标系{R}相对于变位机倾斜轴坐标系{L}的变换矩阵
可以由下式算得：
(28)根据步骤(24)～步骤(27)所得的变换矩阵即可以得到两轴相对于基坐标系的位姿和两轴的相对位姿，完成两轴变位机五点标定的过程。
相比现有技术，本发明在机器人和变位机协同焊接作业时，通过五点标定法及相应的坐标转换，得到两轴相对于基坐标系的位姿和两轴的相对位姿，有效提高两轴变为机标定的准确性，对于提高机器人和变位机协同运动的准确性、保证焊接质量具有非常重要的实际意义。
附图说明
图1是本发明实施例的机器人和两轴变位机坐标系示意图。
图2是两轴变位机的旋转轴取标定点示意图。
图3是两轴变位机的倾斜轴取标定点示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种基于五点标定法的两轴变位机标定方法，包括步骤：
(1)按照特定的方式选取标定点，得到标定点在两轴变位机处于不同位置时的位置矢量；
(2)进行矩阵关系计算，得到变位机两轴的相对位置关系和它们相对于机器人基坐标系{B}的位姿，完成两轴变位机五点标定的过程。
具体而言，所述的步骤(1)具体包步骤：
(11)定义两轴变位机和机器人的坐标系，其中{B}为机器人基坐标系，{T}为机器人工具坐标系，{P}为变位机基坐标系，{L}为变位机倾斜轴坐标系，{R}为变位机旋转轴坐标系，{W}为工作台坐标系，当变位机倾斜轴转角θL＝0°时，变位机基坐标系{P}与变位机倾斜轴坐标系{L}重合，变位机旋转轴坐标系{R}和工作台坐标系{W}重合(见图1)；
(12)在变位机工作台表面上用尖锐的铁锥在任意位置冲出一个微小凹坑作为标定特征点P，在机器人末端安装尖锥，并标定尖锥末端TCP点在机器人基坐标系{B}下的工具坐标系{T}；
(13)使变位机两个轴的转角均为0°，机器人末端尖锥TCP点运动到P点，记下TCP点相对于机器人基坐标系{B}的位置矢量P1＝[x1 y1 z1]；
(14)如图2所示，分别按照电机编码器增大和减小的方向转动旋转轴，分别记录需要标定的变位机旋转轴转角为θ1和θ2时P点的位置矢量P2＝[x2 y2 z2]和P3＝[x3 y3 z3]，θ1和θ2的取值没有特殊要求，但是为了提高标定结果的准确性，本实施例的θ1和θ2大于30；
(15)使变位机旋转轴转角为0°，以同样的方式，分别按照电机编码器增大和减小的方向转动倾斜轴，分别记录需要标定的变位机倾斜轴的转角为θ3和θ4时P点的位置矢量P4＝[x4 y4 z4]和P5＝[x5 y5 z5]，如图3所示；θ3和θ4的取值没有特殊要求，但是为了提高标定结果的准确性，本实施例的θ3和θ4大于30；
具体而言，所述的步骤(2)具体包括：
(21)变位机旋转轴坐标系原点取P1,P2,P3三点所在圆的圆心C，坐标系x轴由矢量CP1单位化得到，坐标系z轴由矢量P1P2和P2P3叉乘后单位化得到，坐标系y轴由坐标系z轴和x轴叉乘后得到；
(22)三点计算圆心：P1,P2,P3三点可以确定一个平面O1，平面方程可以用以下的行列式表示：
过直线P1P2的中点且与直线P1P2垂直的平面M1的方程为：
过直线P1P3的中点且与直线P1P3垂直的平面Q1的方程为：
联立以上3式，就可以求得平面O1,M1,Q1的交点C＝[xC yC zC]T；
(23)计算x、y、z三个坐标轴的方向矢量：
x轴：CP1/||CP1||＝[exx exy exz]T
z轴：(P1P2×P2P3)/||P1P2×P2P3||＝[eyx eyy eyz]T
y轴：z×x＝[ezx ezy ezz]T；
(24)计算变位机旋转轴坐标系{R}相对于机器人基坐标系{B}的变换矩阵
(25)采用同样的方法，使用P1,P4,P5三点计算变位机倾斜轴坐标系{L}相对于机器人基坐标系{B}的变换矩阵
(26)当变位机倾斜轴转角θL＝0°时，变位机基坐标系{P}与变位机倾斜轴坐标系{L}重合，故变换矩阵
与变位机基坐标系{P}相对于机器人基坐标系{B}的变换矩阵
相等，即
(27)当倾斜轴和旋转轴转角均为0°时，变位机旋转轴坐标系{R}相对于变位机倾斜轴坐标系{L}的变换矩阵
可以由下式算得：
(28)根据步骤(24)～步骤(27)所得的变换矩阵即可以得到两轴相对于基坐标系的位姿和两轴的相对位姿，完成两轴变位机五点标定的过程。
本实施例在机器人和变位机协同焊接作业时，通过五点标定法及相应的坐标转换，有效提高两轴变为机标定的准确性，对于提高机器人和变位机协同运动的准确性、保证焊接质量具有非常重要的实际意义。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于五点标定法的两轴变位机标定方法，其特征在于：包括步骤：
(1)按照特定的方式选取目标标定点，得到目标标定点在两轴变位机处于不同位置时的位置矢量；具体包步骤：
(11)定义两轴变位机和机器人的坐标系，其中{B}为机器人基坐标系，{T}为机器人工具坐标系，{P}为变位机基坐标系，{L}为变位机倾斜轴坐标系，{R}为变位机旋转轴坐标系，{W}为工作台坐标系，当变位机倾斜轴转角θL＝0°时，变位机基坐标系{P}与变位机倾斜轴坐标系{L}重合，变位机旋转轴坐标系{R}和工作台坐标系{W}重合；
(12)在变位机工作台表面上用尖锐的铁锥在任意位置冲出一个微小凹坑作为标定特征点P，在机器人末端安装尖锥，并标定尖锥末端TCP点在机器人基坐标系{B}下的工具坐标系{T}；
(13)使变位机两个轴的转角均为0°，机器人末端尖锥TCP点运动到P点，记下TCP点相对于机器人基坐标系{B}的位置矢量P1＝[x1 y1 z1]；
(14)分别按照电机编码器增大和减小的方向转动旋转轴，分别记录需要标定的变位机旋转轴转角为θ1和θ2时P点的位置矢量P2＝[x2 y2 z2]和P3＝[x3 y3 z3]；
(15)使变位机旋转轴转角为0°，以同样的方式，分别按照电机编码器增大和减小的方向转动倾斜轴，分别记录需要标定的变位机倾斜轴的转角为θ3和θ4时P点的位置矢量P4＝[x4 y4 z4]和P5＝[x5 y5 z5]；
(2)进行矩阵关系计算，得到变位机两轴的相对位置关系和它们相对于机器人基坐标系{B}的位姿，完成两轴变位机五点标定的过程；具体包括：
(21)变位机旋转轴坐标系原点取P1,P2,P3三点所在圆的圆心C，坐标系x轴由矢量CP1单位化得到，坐标系z轴由矢量P1P2和P2P3叉乘后单位化得到，坐标系y轴由坐标系z轴和x轴叉乘后得到；
(22)三点计算圆心：P1,P2,P3三点可以确定一个平面O1，平面方程可以用以下的行列式表示：
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联立以上3式，就可以求得平面O1,M1,Q1的交点C＝[xC yC zC]T；
(23)计算x、y、z三个坐标轴的方向矢量：
x轴：CP1/||CP1||＝[exx exy exz]T
z轴：(P1P2×P2P3)/||P1P2×P2P3||＝[eyx eyy eyz]T
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(24)计算变位机旋转轴坐标系{R}相对于机器人基坐标系{B}的变换矩阵
(25)采用同样的方法，使用P1,P4,P5三点计算变位机倾斜轴坐标系{L}相对于机器人基坐标系{B}的变换矩阵
(26)当变位机倾斜轴转角θL＝0°时，变位机基坐标系{P}与变位机倾斜轴坐标系{L}重合，故变换矩阵
与变位机基坐标系{P}相对于机器人基坐标系{B}的变换矩阵
相等，即
(27)当倾斜轴和旋转轴转角均为0°时，变位机旋转轴坐标系{R}相对于变位机倾斜轴坐标系{L}的变换矩阵
可以由下式算得：
(28)根据步骤(24)～步骤(27)所得的变换矩阵即可以得到两轴相对于变位机基坐标系的位姿和两轴的相对位姿，完成两轴变位机五点标定的过程。
2.根据权利要求1所述的基于五点标定法的两轴变位机标定方法，其特征在于，所述的θ1和θ2大于30度。
3.根据权利要求1所述的基于五点标定法的两轴变位机标定方法，其特征在于，所述的θ3和θ4大于30度。
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