CN110181514B - 机器人的机械臂校准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机器人的机械臂校准装置，该机器人包括控制***、由三伺服电机组成的驱动装置，和与伺服电机相连的机械臂，该机械臂校准装置还包括：附着在机械臂末端的激光器和与控制***相连的光电传感器，及由下列步骤组成的程序：控制***控制伺服电机做向下的同角度转动；判断激光器发出的光点是否移动；分析出导致光点移动的具体电机；驱动该伺服电机回转，直至光点回到起始位置。本发明具有更高的校准精度和速度；可大幅降低整体成本；具有同时校正机器人的三个电机的优点；具有判断是否需要校准的设置，节省了时间和能源的消耗。

Description

机器人的机械臂校准装置
技术领域
本发明涉及一种机器人的机械臂校准装置，该机器人包括控制***、由三伺服电机组成的驱动装置，和与伺服电机相连的机械臂。
背景技术
机器人包括控制***、驱动装置和执行机构；机器人会在控制***发出相应的指令和信号之后，通过驱动装置来应用执行机构完成既定的工作。驱动装置一般是指电机，执行机构一般是机械臂。现有的机器人的机械臂的运动容易满足重复性的指标要求，但绝对定位精度较低，且其弊端越来越凸显，于是机械臂校准装置应运而生。
机械臂校准装置以对机械臂运行情况检测为前提，主要工作是对机器臂的运行状态跟踪记录，并将其反馈到控制***，然后控制***再根据具体情况实现对机械臂的调整。校准机械臂误差即对电机转动的误差进行校准，伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
文献《机器人》2011,33(03):299-302+331. 中公开了工一种工业机器人视觉测量***的在线校准技术，机器人视觉可以通过视觉传感器获取环境的二维图像，并通过视觉处理器进行分析和解释，进而转换为符号，机器人据此辨识物体，并确定其位置。然而，在机器人校准过程中，需要运用摄像头拍摄并进行图像处理，这导致最终机械臂校准速度慢且不够精确。
《智能制造》,2018(05):43-46. 公开了一种Leica绝对激光跟踪仪在工业机器人校准及检测中的应用。Leica激光追踪仪根据机器人的几何参数信息创建 DH 参数表，进而建立机器人数字化理论模型，利用跟踪仪测量得到的位置和姿态数据进行运算优化，对齐测量坐标系与机器人坐标系，解算出工具的位置姿态偏差，得到优化后的机器人模型，实现对机器人 DH 模型（连杆参数、关节转角）以及减速比、耦合比的修正，提高工业机器人的绝对定位精度。
然而，在测量的过程中，随着激光投射距离的变化，激光反射形成的光斑会因温度变化、环境振动、空气扰动等因素发生漂移，且受到散射、衍射和其它干扰光线(自然光)的影响，加之由物体表面粗糙度的不同造成的反射特性不均匀等因素，使得最终形成的光斑往往很不规则，从而影响采集和运算的精确度。
而且由于Leica激光跟踪仪的价格昂贵，不仅需要投入较大的成本购买，还需要投入极大成本到器件保护中，可能导致机器人价格大幅上涨，超出机器人功能的价格预期。
以上是现有技术的不足之处。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种机器人的机械臂校准装置，它具有更高的校准精度和速度。
本发明的机器人的机械臂校准装置，该机器人包括控制***、由三伺服电机组成的驱动装置，和与伺服电机相连的机械臂，其特征是该装置还包括：附着在机械臂末端的激光器和与控制***相连的光电传感器，该装置还包括由下列步骤组成的程序：
控制***控制伺服电机做向下的同角度转动；
判断激光器发出的光点是否移动；
分析出导致光点移动的具体电机；
驱动该伺服电机回转，直至光点回到起始位置。
所述程序还包括下述步骤：
伺服电机转轴向下达到最大角度；
伺服电机回转到对应触发点的预定角度值；
判断激光器是否达到触发点，若未达到触发点，继续向上直到达到触发点，完成校准。
该装置还包括：当判断机械臂精准无误差时，直接结束校准程序的设置。
本发明的有益效果是：一，由于使用了光电传感器来进行检测，通过高度集成设计使入射光束高效汇聚在小光点，或通过特殊构成的设计灵敏的光学***，实现高分辨率，从而可实现对微小单元的检测和高灵敏位置检测，本发明的装置具有更高的校准精度；同时，光速本身极快，光电传感器无需进行机械接触检测，响应时间比较短，本发明的装置具有更块的校准速度。
二、本发明避免了价格昂贵的激光跟踪仪，不需投入较大的购买成本，也不需要投入极大成本到器件保护中，因而将大幅降低整体成本，也更利于器件的更新。
三、伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制***中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。再加上光传感器的速度快、分辨率高的优势，可同时校正机器人的三个电机。
四、当判断机械臂精准无误差时，直接结束校准程序，或不进入校准程序，节省了时间和能源的消耗。
附图说明
图1是机器人的立体图。
图2是机器人的俯视示意图。
图3是本发明的校准装置示意图。
图4是本发明的校准装置的流程图。
图5是对应本发明的第一步校准的光点位移示意图。
图6是对应本发明的第二步校准的激光器与传感器距离示意图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的实施例作进一步详细说明。
如图1~图3，机器人包括控制***1、驱动装置和执行机构；机器人会在控制***发出相应的指令和信号之后，通过驱动装置来应用执行机构完成既定的工作。驱动装置一般是指电机2，执行机构一般是机械臂3。本发明的机械臂校准装置包括附着在机械臂末端的激光器31，和放置在其下方的与控制***1相连的光电传感器4。光电传感器是应用光电效应的无触点元件，与它相连的控制***可实时地监测激光器发出的光点的位置。
机械臂的末端，是通过绝对坐标系定位的。对于无需校准的机械臂，直接去运行完整校准程序显得毫无意义，不仅造成了机械能损耗，还会延迟机器人的正常工作时间。当判断出电机是精准无误差时，直接结束校准程序将大幅度改善这种情况，使机器人的工作能力得到更大程度发挥。所以，虽说校准***是机器人的必备***，但校准程序需要按需调用。
校准***的应用，应当对症下药，如果机械臂的绝对定位精度不够，则启动校准过程，参看图4~图6，本发明的机械臂校准装置的校准过程包括:首先，三电机做同向同角度运动；如果出现光点向某个方向移动的情况，可分析是哪个电机的转动误差；然后驱动该电机回转，使光点信号回到起始位置，该过程中其他电机不动。此为第一步校准，用于校准单个电机的转动误差。还包括第二步校准，用于校正三个伺服电机同值误差情况。
校准装置的具体工作过程如下：
1）启动校准过程，校准装置开始工作后，激光器发出光线，达到放置于底部的光电传感器上，由于光电传感器的特性（光的速度非常快），在极短的时间内就可接收到信号，接收信号后控制***对信号进行处理，记录初始的光点位置；
2）伺服电机同时同向转动一定角度；
3）若光点位置出现偏移，则可根据偏移方向与轨迹判断具体伺服电机的偏差，然后控制该伺服电机回转使光信号达到中心；
4）上述步骤完成后，将电机全部向下旋转到最大值，回转到触发点所需要的预定角度值（该角度值是精准角度值，用于校正3电机同值误差情况），判断是否达到触发点，若未达到触发点，继续向上直到达到触发点，完成校准；若正好位于触发点，完成校准；若转动未结束已达到触发点，停止转动并校正角度值，完成校准。
本机器人是自由度为3的机器人，故需要进行3个方向上的校准，校准机械臂误差即对电机转动的误差进行校准。伺服电机可控制速度，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制***中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。在此基础上利用光传感器的速度快、分辨率高的优势，可同时校正机器人的3个电机。
在本发明的装置中，使用了光电传感器来进行检测，光电传感器输入信号和媒介均采用光源进行信息的采集和检测，通过高度集成设计使入射光束高效汇聚在小光点，或通过特殊构成的设计灵敏的光学***，实现高分辨率，从而可实现对微小单元的检测和高灵敏位置检测；光速本身极快，光电传感器本身是由电子零件组成，无需进行机械接触检测，响应时间比较短。本发明的装置具有精度高、速度快的特点。而且，本发明避免了价格昂贵的激光跟踪仪，不需投入较大的购买成本，也不需要投入极大成本到器件保护中，因而将大幅降低整体成本，也更利于器件的更新。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种机器人的机械臂校准装置，该机器人包括控制***、由三伺服电机组成的驱动装置，和与伺服电机相连的机械臂，其特征是该机械臂校准装置包括：附着在机械臂末端的激光器和与控制***相连的光电传感器，及由下列步骤组成的程序：
控制***控制伺服电机做向下的同角度转动；
判断激光器发出的光点是否移动；
分析出导致光点移动的具体电机；
驱动该伺服电机回转，直至光点回到起始位置。
2.如权利要求1所述的机器人的机械臂校准装置，其特征是：所述程序还包括下述步骤：
伺服电机转轴向下达到最大角度；
伺服电机回转到对应触发点的预定角度值；
判断激光器是否达到触发点，若未达到触发点，继续向上直到达到触发点，完成校准。
3.如权利要求1或2所述的机器人的机械臂校准装置，其特征是该装置还包括：当判断机械臂精准无误差时，直接结束校准程序的设置。
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