CN110861091A - 基于交叉激光束的工业机器人尖点型回转体工具标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于交叉激光束的工业机器人尖点型回转体工具标定方法，通过标定软件连接交叉激光对射装置和机器人运动控制***，标定软件在线获取机器人法兰盘末端位姿并规划圆弧轨迹，然后将轨迹输送到机器人运动控制***中，在机器人执行圆弧轨迹过程中，标定软件监测激光束的信号并获取信号改变时机器人的位姿；标定软件在线规划不同姿态下沿着待标工具轴线运动的直线运动轨迹，将之输送到机器人运动控制器中并执行，在信号突变时获取机器人法兰盘末端的位姿，通过不同位姿下的数据计算工具尖点的位置。本发明方法实现工具坐标系的自动化标定，由此解决工具标定中的操作复杂、成本高、实际应用困难等问题。
Description
技术领域
本发明属于工业机器人标定技术领域，尤其涉及一种基于交叉激光束的工业机器人尖点型回转体工具标定方法。
背景技术
随着工业自动化的发展，传统的数控机床加工已不能满足复杂多样的加工生产，工业机器人的应用领域越来越广，同时对工业机器人的精度要求越来越高。工业机器人的精度可以通过标定的方式提升，工业机器人的标定主要分成两部分：本体标定和环境标定，其中环境标定又分成工具标定和工件标定。本方法主要针对尖点型回转体工具提出一种简单有效的自动标定方法。
工业机器人的工具标定最终目的是要得到工具坐标系相对于机器人末端法兰坐标系下的变换矩阵，从而保证实际轨迹运行的精度。现有的机器人工具标定方法有：1.机器人示教的方式，通过控制机器人在不同姿态下让工具的坐标系原点与空间中固定点触碰，从而计算工具坐标系原点的值。此方法简便易操作，但是实际操作困难，标定结果不精确，带有人为误差，只适用于具有明显特征点的工具。2.采用外部位置测量设备进行标定，例如工业相机、激光跟踪仪、三坐标测量仪等。这些标定方法精度较高，但是费用相当高，操作复杂，需要专业的技术人员。
文献《Quick Robot Cell Calibration for Small Part Assembly》公开了一种交叉激光束装置用机器人的工具标定。装置由两组激光发射器构成，激光发射器被固定在一个长方体底座上，中间是一块正方形空白区域，激光束呈十字分布。其标定原理为：控制机器人运动，使得工具在正方形区域内平移，通过监测激光发射器信号，获取工具与激光束相切的位置，得到工具轴线与激光束相交点重合的位置，计算得到工具轴线的方向。然后控制机器人沿着轴线平移使得工具坐标系原点与激光束相交点重合，根据记录的机器人法兰盘位置和已知的激光束交点位置计算工具坐标系原点位置。文献提供的方法可以简便地得到工具轴线方向，但是对于工具坐标系原点的求解需要已知激光束交点的位置，在实际应用中较为困难，同时激光束交点的位置精度会直接影响最终的标定结果，容易造成二次误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于交叉激光束的工业机器人尖点型回转体工具标定方法，其目的在于实现工具坐标系的自动化标定，由此解决工具标定中的操作复杂、成本高、实际应用困难等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于交叉激光束的工业机器人尖点型回转体工具标定方法，该方法包括以下步骤，步骤一，将交叉激光对射装置安装在机器人工作空间中，通过标定软件连接交叉激光对射装置和机器人运动控制***；步骤二，在机器人末端装夹待标定的工具，示教控制机器人运动，获取机器人法兰盘末端位姿；步骤三，获取数据后，标定软件在线规划圆弧轨迹，并将轨迹输送到机器人运动控制***中，控制机器人自动执行轨迹，在机器人执行圆弧轨迹过程中，标定软件监测激光束的信号，并在信号发生突变时获取机器人末端法兰盘的位姿；步骤四，计算得到工具的轴线方向后，标定软件在线规划不同姿态下沿着轴线运动的直线运动轨迹，将之输送到机器人运动控制器中并执行，标定软件监测激光束信号，在信号突变时获取机器人法兰盘末端的位姿，通过不同位姿下的数据计算工具尖点的位置；步骤五，在所有标定轨迹执行完毕之后计算工具坐标系在机器人法兰盘末端坐标系下的位姿，并将之输出。
按上述技术方案，所述步骤二中，待标定的工具处于交叉激光装置的中心位置附近和交叉激光束装置测量区域的边缘位置，通过标定软件获取机器人法兰盘末端位姿。
按上述技术方案，控制机器人改变姿态，再使工具处于交叉激光束中心位置附近，获取当前机器人法兰盘末端位姿，重复3次，取四个不同姿态下的数据。
按上述技术方案，所述步骤三中，通过待标工具与激光束相切时得到的机器人末端法兰盘位姿，计算得到工具轴线方向。
按上述技术方案，在执行完圆弧轨迹后得到16个位姿数据，计算得到工具轴线方向。
按上述技术方案，所述步骤四中，机器人法兰盘末端的位姿，即工具尖点与交叉激光装置中心重合时的位姿。
本发明产生的有益效果是：采用简单的交叉激光对射装置，大大降低了标定设备的成本。通过软件与设备的直连通信，提高了标定数据的精度和实时性，简化了用户的操作。通过标定轨迹的巧妙设计，降低了标定设备的安装要求和操作人员的技术要求，只需要简单地示教几个位置就可以得到工具坐标系的位姿。通过软件与机器人运动控制器的直连，实现标定轨迹运行和数据获取的自动化，提升整体的标定效率，降低标定方案的执行难度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中工业机器人尖点型回转体工具标定方法所用到的设备示意图；
图2是本发明实施例中工业机器人尖点型回转体工具标定方法的核心设备交叉激光对射装置的细节图示；
图3是本发明实施例中工业机器人尖点型回转体工具标定方法的具体实施流程图；
图4是本发明实施例中工业机器人尖点型回转体工具标定方法具体实施时待标定工具在不同姿态下于激光中心点附近采点示意图；
图5是本发明实施例中工业机器人尖点型回转体工具标定方法具体实施时待标定工具在交叉激光装置的边缘位置采点示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：提供一种尖点型回转体工具的自动标定发法，包括以下步骤：
(1)将交叉激光对射装置安装在机器人工作空间中，通过标定软件连接激光装置和机器人运动控制***。
(2)在机器人末端装夹待标定的工具，控制机器人运动，使工具处于交叉激光装置的中心位置附近和交叉激光束装置测量区域的边缘位置，通过软件记录机器人法兰盘末端位姿；控制机器人改变姿态，再使工具处于交叉激光束中心位置附近，记录当前机器人法兰盘末端位姿，重复3次，取四个不同姿态下的数据。
(3)获取关键数据后，标定软件在线规划圆弧轨迹，并将轨迹输送到机器人运动控制***中，控制机器人自动执行轨迹，在机器人执行圆弧轨迹中，监测激光束的信号，在信号发生突变时记录机器人末端法兰盘的位姿，即工具与激光束相切时的位姿，在执行完圆弧轨迹后可以得到16个位姿数据，计算得到工具轴线方向。
(4)已知工具的轴线方向后，标定软件在线规划不同姿态下沿着轴线运动的直线运动轨迹，将之输送到机器人运动控制器中并执行，监测激光束信号，在信号突变时记录机器人法兰盘末端的位姿，即工具尖点与交叉激光装置中心重合时的位姿，通过不同位姿下的数据计算工具尖点的位置。
(5)在所有标定轨迹执行完毕之后自动计算工具坐标系在机器人法兰盘末端坐标系下的位姿，并将之输出。
实施例二：图1显示了交叉激光对射装置的实验连接示意图，它主要由三部分组成：1.交叉激光对射装置，2.数据采集盒，3.PC端的软件。图2显示了交叉激光对射装置的结构，它主要由两组激光对射装置组成，每组包含一个发射端和一个接收端，通过直角支架将其安装在底座上，使得发射端和接收端正对，两束激光处于同一平面并交于一点。。数据采集盒内部由两部分组成：1.电源装置，提供给激光对射装置稳定的电压。2.AD转换模块，将激光对射装置输出的模拟信号转换为数字信号并发送给PC端的软件。
本实施例中，RCS—工业机器人基坐标系，ECS—工业机器人法兰盘末端坐标系，TCS—机器人工具坐标系，TCP—机器人工具坐标系的原点。
工业机器人在运行既定轨迹之前需要先设置工具坐标系和工件坐标系。在实际加工中一般以工具的理论设计尺寸设置工具坐标系，但是由于工具的变形和磨损，实际与理论值之间存在着误差，直接影响轨迹的实际运行效果。本发明基于交叉激光对射装置提出一种尖点型回转体工具自动标定方法，通过固定的轨迹和交叉激光对射装置获取机器人末端的位置点，计算回转体工具的轴线方向，再计算工具坐标系的原点位置，最终得到工具坐标系的真实值。具体步骤如下：
(1)连接交叉激光对射装置和数据采集盒，将数据采集盒接上220V电源。
(2)将交叉激光对射装置固定装夹在工业机器人的工作空间中。
(3)连接数据采集盒和电脑的数据线，连接工业机器人运动控制***和电脑的数据线。
(4)打开标定软件，分别与数据采集盒和机器人运动控制***建立连接，测试软件可以正常获取数据。
(5)在工业机器人末端法兰盘上装夹待标定的工具。
(6)通过示教器控制机器人运动，通过视觉判断，使得工具处于交叉激光对射装置的中心点附近，如图4所示，然后点击软件上获取中心点的按键，获取机器人末端点位姿数据Q1。
(7)通过示教器控制机器人，改变工具的姿态，重复步骤(6)，获取机器人末端点位姿数据Q。
(8)重复步骤(7)，直到取到三个不同姿态下的位姿数据。
(9)通过示教器控制机器人运动，通过视觉判断，使得工具处于交叉激光对射装置的区域点附近，如图5所示，然后点击软件上获取区域点的按键，获取机器人末端点位姿数据Q′。
(10)点击标定按键，标定软件开始在线规划标定轨迹A，将之输送到工业机器人控制器中并开始自动执行。
(11)软件实时监测激光装置的信号，在信号发生突变时(即工具与激光束相切时)通过软件发送指令采集当前机器人末端法兰坐标系的位置数据{RCSPi1}
(12)执行完一段完整轨迹A指令之后，沿着机器人基坐标系的Z轴调整工具的运行高度，再次执行轨迹A，重复步骤(11)，采集位置数据{RCSPi2}
(13)根据已有的数据，计算工具在法兰盘坐标系下的轴线向量(Vaxis)，再根据计算所得轴线向量在线规划标定轨迹B，将之输送到机器人控制器中并执行。
(14)软件实时监测激光装置的信号，在两束激光信号都发生突变时(即工具尖点与激光中心点重合时)通过软件发送指令采集当前机器人末端法兰坐标系的位姿数据
(15)执行完一段完整轨迹B之后，根据之前获取的中心点时的姿态，改变当前机器人姿态，再次执行轨迹B，重复步骤(14)，采集位姿数据
直到所有姿态下的数据采集完全。
(16)计算工具坐标系并将之输出在软件界面中。
标定轨迹主要由两部分组成：轨迹A和轨迹B，轨迹A是绕固定点的平面圆弧轨迹，圆弧直径依据激光装置区域面积的大小设计，轨迹为整圆轨迹。轨迹B为一段直线平移轨迹，要求沿着当前姿态下的工具轴线方向直线运动。
数据组同样分为两部分：1.运行圆弧轨迹时，工具与激光束相切时机器人末端的位置数据{RCSPij}。2.工具处于交叉激光对射装置中心时运行直线轨迹时，工具尖点与激光中心重合时机器人末端的位姿
yaxis计算算法：输入：两个不同高度下工具与激光束相切时的ECS位置信息{RCSPij}。
其中j表示不同高度，i表示同一高度下不同的的相切位置。
输出：刀具轴线在ECS下的方向ECSVaxis。
如图所示，由P11(x11，y11，z11)，P41(x41，y41，z41)可得一条相切轨迹直线：
同理可得f2(x，y，z)，f3(x，y，z)，f4(x，y，z)。
由f1(x，y，z)，f2(x，y，z)求中线可得：
F1(x，y，z)＝H[f1，f2]。
同理可得F2(x，y，z)。
联立两直线方程求直线的交点
同样在另一个高度可以得到RCSg2(x，y，z)
RCSVaxis＝RCSg2(x，y，z)-RCSg1(x，y，z)
TCP计算算法：输入：不同的ECS位姿
输出：TCP的位置ECSPTCP。
联立方程组
根据点约束可得：
求解得到ECSPTCP。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于交叉激光束的工业机器人尖点型回转体工具标定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，将交叉激光对射装置安装在机器人工作空间中，通过标定软件连接交叉激光对射装置和机器人运动控制***；
步骤二，在机器人末端装夹待标定的工具，示教控制机器人运动，获取机器人法兰盘末端位姿；
步骤三，获取数据后，标定软件在线规划圆弧轨迹，并将轨迹输送到机器人运动控制***中，控制机器人自动执行轨迹，在机器人执行圆弧轨迹过程中，标定软件监测激光束的信号，并在信号发生突变时获取机器人末端法兰盘的位姿；
步骤四，计算得到工具的轴线方向后，标定软件在线规划不同姿态下沿着轴线运动的直线运动轨迹，将之输送到机器人运动控制器中并执行，标定软件监测激光束信号，在信号突变时获取机器人法兰盘末端的位姿，通过不同位姿下的数据计算工具尖点的位置；
步骤五，在所有标定轨迹执行完毕之后计算工具坐标系在机器人法兰盘末端坐标系下的位姿，并将之输出。
2.根据权利要求1所述的基于交叉激光束的工业机器人尖点型回转体工具标定方法，其特征在于，所述步骤二中，待标定的工具处于交叉激光装置的中心位置附近和交叉激光束装置测量区域的边缘位置，通过标定软件获取机器人法兰盘末端位姿。
3.根据权利要求2所述的基于交叉激光束的工业机器人尖点型回转体工具标定方法，其特征在于，控制机器人改变姿态，再使工具处于交叉激光束中心位置附近，获取当前机器人法兰盘末端位姿，重复3次，取四个不同姿态下的数据。
4.根据权利要求1或2所述的基于交叉激光束的工业机器人尖点型回转体工具标定方法，其特征在于，所述步骤三中，通过待标工具与激光束相切时得到的机器人末端法兰盘位姿，计算得到工具轴线方向。
5.根据权利要求4所述的基于交叉激光束的工业机器人尖点型回转体工具标定方法，其特征在于，在执行完圆弧轨迹后得到16个位姿数据，计算得到工具轴线方向。
6.根据权利要求1或2所述的基于交叉激光束的工业机器人尖点型回转体工具标定方法，其特征在于，所述步骤四中，机器人法兰盘末端的位姿，即工具尖点与交叉激光装置中心重合时的位姿。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200306 |