CN111336969A - 工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业机器人位姿特性测量技术领域，尤其为一种工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、坐标准直测量；步骤2、指令位姿测量；步骤3、多方向位姿准确度变动计算。本发明，是工业机器人如何借助三维空间测量仪完整地进行位姿特性中的多方向位姿准确度变动测量以及其操作原理说明。通过学习本发明的位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，既可以快速了解到工业机器人如何进行位姿特性中多方向位姿准确度变动测量来获取精确的位姿特性数据检验工业机器人性能指标，还可以知道其操作流程的原理说明。

Description

工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法

技术领域

本发明涉及工业机器人位姿特性测量技术领域，具体为一种工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法。

背景技术

工业机器人作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，已成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。目前我国正处于加快转型升级的重要时期，以工业机器人为主体的机器人产业，正是破解我国产业成本上升、环境制约问题的重要路径选择。而工业机器人的位姿特性是检验工业机器人性能是否合格的一项重要指标，所以如何借助三维空间测量仪来进行位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量也显得越来越重要。但是，目前关于使用三维空间测量仪进行位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法都没有一套完整的操作流程以及操作原理说明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，包括如下步骤：

步骤1、坐标准直测量；

步骤2、指令位姿测量；

步骤3、多方向位姿准确度变动计算。

进一步的，步骤1的测量包括：机器人按照示教器的指令，依次到达测量坐标准直的指令位姿点位，每到达一个指令位姿点位，使用三维空间测量仪采集此时的球极坐标点位，再转换成测量仪的直角坐标点位，总共需要记录5组测量仪的直角坐标点位数据，然后，通过5组指令位姿点位数据和5组测量仪的直角坐标点位数据就可以计算出旋转矩阵R、平移矩阵T，也就是测量仪直角坐标系和机器人直角坐标系的转换关系，即坐标准直，往后测量仪的坐标点位数据采集，可以直接使用这个坐标准直关系进行转换成机器人的坐标点位。

进一步的，步骤2的指令位姿测量包括：机器人按照示教器的指令，以P1、P2和P4指令位姿为坐标原点建立坐标系，分别从该坐标系的x、y、z轴方向对相同指令位姿响应n次，每次响应时记录此时的测量仪的球极坐标点位，再通过球极坐标系与直角坐标系的转换获取测量仪的直角坐标点位，接着通过两个直角坐标系的变换，就可以得到机器人此时的实到位姿点位。

进一步的，步骤3的计算包括：

3.1多方向位置准确度变动(vAP_p)；

3.2多方向姿态准确度变动(vAP_a、vAP_b、vAP_c)。

进一步的，步骤3.1的多方向位置准确度变动的计算公式如下：

其中

的h、k取值为1、2、3，分别代表从三个互相垂直方向n次响应指令位姿是得到的实到位置集群中心，由公式

计算而来，而x_j、y_j、z_j代表第j次循环运行时记录到的每个实到位姿点位坐标，h、k表示从哪个方向响应。

进一步的，步骤3.2的多方向姿态准确度变动的计算公式如下：

其中

的h、k取值为1、2、3，分别代表从三个互相垂直方向n次响应指令位姿是得到的实到位姿平均值，由公式

计算而来，而a_j代表第j次循环运行时记录到的每个实到位姿点位坐标，h、k表示从哪个方向响应。

进一步的，坐标准直测量包括：测量坐标点位选取，该测量坐标点位选取包括坐标准直的坐标点位选取，位姿测量的坐标点位选取。

进一步的，测量坐标点位选取包括坐标准直的坐标点位选取，位姿测量的坐标点位选取，其中坐标准直的坐标点位选取包括根据机器人的工作空间：由C1-C8构成机器人最大空间的立方体，在由C1、C2、C7和C8构成的矩形斜平面中选取任意不同的五个空间点位坐标，位姿测量的坐标点位选取包括根据机器人的工作空间，在由C1、C2、C7和C8构成的矩形斜平面中选取P1、P2和P4的空间点位坐标，并且P1、P2和P4的空间点位坐标能在矩形斜平面内构成一条空间直线。

进一步的，测量坐标点位选取需要先完成三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系的坐标转换，包括：建立两个坐标系对应关系，SVD法算出R、T。

进一步的，建立两个坐标系对应关系包括：首先，三维空间测量仪采集机器人末端法兰盘的球极坐标点位数据：方位角

仰角θ和距离γ数据，然后通过球极坐标系与直角坐标系转换，可以获取测量仪的直角坐标点位数据，最后，再完成三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系的坐标转换；

球极坐标系

与直角坐标系(x、y、z)转换公式如下：

z＝γ·cosθ

三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系坐标转换公式如下：

P^t＝RP^r+T

R——旋转矩阵，T——平移矩阵；

P^t——三维空间测量仪坐标系下的坐标点位；

P^r——机器人坐标系下的坐标点位；

任意点P_i坐标的矩阵表示：

三维空间测量仪坐标系下的坐标点位：

机器人坐标系下的坐标点位：

SVD法算出R、T包括：

机器人坐标系下指令坐标点位的点集为：

指令坐标点位在测量仪下测得的实际坐标点位构成的点集：

分别计算机器人和测量仪坐标系下的坐标点位点集P^r、P^t的重心，即坐标点位点集包含的全部点的坐标的平均值，分别为：

将两个坐标点位点集的重心对齐重合，分别计算各点集相对重心的相对坐标构成新的点集：

记：

为：

记：

为：

由坐标点位点集

构造协矩阵

对协矩阵进行SVD

分解：

旋转矩阵即为R_3×3＝VU^T，平移矩阵为T_3×1＝μ_r-Rμ_t，当n≥3时既可求出R矩阵，R的各列为长度为3的单位向量，且两两相互垂直。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明，是工业机器人如何借助三维空间测量仪完整地进行位姿特性中的多方向位姿准确度变动测量以及其操作原理说明。通过学习本发明的位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，既可以快速了解到工业机器人如何进行位姿特性中多方向位姿准确度变动测量来获取精确的位姿特性数据检验工业机器人性能指标，还可以知道其操作流程的原理说明。

附图说明

图1为本发明测量坐标点位的选择示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上/下端”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置/套设有”、“套接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：

一、功能意义

工业机器人的多方向位姿准确度变动(vAP)测量功能是用于测试工业机器人从三个相互垂直方向对相同指令位姿响应n次时，每次实到位姿均值间的偏差。该测量功能包括多方向位置准确度变动(vAP_p)测量和多方向姿态准确度变动(vAP_a、vAP_b、vAP_c)测量两个方面。

多方向位置准确度变动(vAP_p)是由不同轨迹终点得到的实到位置集群中心间的最大距离表示。而多方向姿态准确度变动(vAP_a、vAP_b、vAP_c)是由不同轨迹终点得到的实到姿态均值间的最大偏差表示。

二、测量坐标点位选取

1.坐标准直的坐标点位选取

根据机器人的工作空间——由C1-C8构成机器人最大空间的立方体(如附图1所示)，在由C1、C2、C7和C8构成的矩形斜平面中选取任意不同的五个空间点位坐标。一般情况下，选取矩形斜平面四个角区域以及中部区域各一个空间点位坐标作为三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系的坐标转换测量点。

2.位姿测量的坐标点位选取

根据机器人的工作空间，在由C1、C2、C7和C8构成的矩形斜平面中选取P1、P2和P4的空间点位坐标，并且P1、P2和P4的空间点位坐标能在矩形斜平面内构成一条空间直线(如附图1所示)；

三、坐标系转换方法

1.建立两个坐标系对应关系

工业机器人要进行位姿特性测量的话，需要先完成三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系的坐标转换。首先，三维空间测量仪采集机器人末端法兰盘的球极坐标点位数据——方位角

仰角θ和距离γ数据。然后通过球极坐标系与直角坐标系转换，可以获取测量仪的直角坐标点位数据。最后，再完成三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系的坐标转换。

球极坐标系

与直角坐标系(x、y、z)转换公式如下：

z＝γ·cosθ

三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系坐标转换公式如下：

P^t＝RP^r+T

R——旋转矩阵，T——平移矩阵；

P^t——三维空间测量仪坐标系下的坐标点位；

P^r——机器人坐标系下的坐标点位。

任意点P_i坐标的矩阵表示：

三维空间测量仪坐标系下的坐标点位：

机器人坐标系下的坐标点位：

2.SVD法(奇异值分解法)算出R、T

(1)机器人坐标系下指令坐标点位的点集为：

指令坐标点位在测量仪下测得的实际坐标点位构成的点集：

(2)分别计算机器人和测量仪坐标系下的坐标点位点集P^r、P^t的重心，即坐标点位点集包含的全部点的坐标的平均值，分别为：

(3)将两个坐标点位点集的重心对齐重合，分别计算各点集相对重心的相对坐标构成新的点集：

记：

为：

记：

为：

(4)由坐标点位点集

构造协矩阵

对协矩阵进行SVD分解：

(5)旋转矩阵即为R_3×3＝VU^T，平移矩阵为T_3×1＝μ_r-Rμ_t，当n≥3时既可求出R矩阵，R的各列为长度为3的单位向量，且两两相互垂直。为保证拟合的优度，n取5。也可根据需要适当的增加点数。

四、测量方法

1.坐标准直测量

机器人按照示教器的指令，依次到达测量坐标准直的指令位姿点位，每到达一个指令位姿点位，使用三维空间测量仪采集此时的球极坐标点位，再转换成测量仪的直角坐标点位，总共需要记录5组测量仪的直角坐标点位数据。然后，通过5组指令位姿点位数据和5组测量仪的直角坐标点位数据就可以计算出旋转矩阵R、平移矩阵T，也就是测量仪直角坐标系和机器人直角坐标系的转换关系，即坐标准直。往后测量仪的坐标点位数据采集，可以直接使用这个坐标准直关系进行转换成机器人的坐标点位。

2.指令位姿测量

机器人按照示教器的指令，以P1、P2和P4指令位姿为坐标原点建立坐标系，分别从该坐标系的x、y、z轴方向对相同指令位姿响应n次，每次响应时记录此时的测量仪的球极坐标点位，再通过球极坐标系与直角坐标系的转换获取测量仪的直角坐标点位，接着通过两个直角坐标系的变换，就可以得到机器人此时的实到位姿点位。

3.多方向位姿准确度变动计算

3.1多方向位置准确度变动(vAP_p)

多方向位置准确度变动的计算公式如下：

其中

的h、k取值为1、2、3，分别代表从三个互相垂直方向n次响应指令位姿是得到的实到位置集群中心。由公式

计算而来，而x_j、y_j、z_j代表第j次循环运行时记录到的每个实到位姿点位坐标，h、k表示从哪个方向响应。

3.2多方向姿态准确度变动(vAP_a、vAP_b、vAP_c)

多方向姿态准确度变动的计算公式如下：

其中

的h、k取值为1、2、3，分别代表从三个互相垂直方向n次响应指令位姿是得到的实到位姿平均值。由公式

计算而来，而a_j代表第j次循环运行时记录到的每个实到位姿点位坐标，h、k表示从哪个方向响应。

本发明，是工业机器人如何借助三维空间测量仪完整地进行位姿特性中的多方向位姿准确度变动测量以及其操作原理说明。通过学习本发明的位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，既可以快速了解到工业机器人如何进行位姿特性中多方向位姿准确度变动测量来获取精确的位姿特性数据检验工业机器人性能指标，还可以知道其操作流程的原理说明。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、坐标准直测量；

步骤2、指令位姿测量；

步骤3、多方向位姿准确度变动计算。

2.根据权利要求1所述的工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，其特征在于，步骤1的测量包括：机器人按照示教器的指令，依次到达测量坐标准直的指令位姿点位，每到达一个指令位姿点位，使用三维空间测量仪采集此时的球极坐标点位，再转换成测量仪的直角坐标点位，总共需要记录5组测量仪的直角坐标点位数据，然后，通过5组指令位姿点位数据和5组测量仪的直角坐标点位数据就可以计算出旋转矩阵R、平移矩阵T，也就是测量仪直角坐标系和机器人直角坐标系的转换关系，即坐标准直，往后测量仪的坐标点位数据采集，可以直接使用这个坐标准直关系进行转换成机器人的坐标点位。

3.根据权利要求2所述的工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，其特征在于，步骤2的指令位姿测量包括：机器人按照示教器的指令，以P1、P2和P4指令位姿为坐标原点建立坐标系，分别从该坐标系的x、y、z轴方向对相同指令位姿响应n次，每次响应时记录此时的测量仪的球极坐标点位，再通过球极坐标系与直角坐标系的转换获取测量仪的直角坐标点位，接着通过两个直角坐标系的变换，就可以得到机器人此时的实到位姿点位。

4.根据权利要求3所述的工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，其特征在于，步骤3的计算包括：

3.1多方向位置准确度变动(vAP_p)；

3.2多方向姿态准确度变动(vAP_a、vAP_b、vAP_c)。

5.根据权利要求4所述的工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，其特征在于，步骤3.1的多方向位置准确度变动的计算公式如下：

其中

的h、k取值为1、2、3，分别代表从三个互相垂直方向n次响应指令位姿是得到的实到位置集群中心，由公式

计算而来，而x_j、y_j、z_j代表第j次循环运行时记录到的每个实到位姿点位坐标，h、k表示从哪个方向响应。

6.根据权利要求4所述的工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，其特征在于，步骤3.2的多方向姿态准确度变动的计算公式如下：

其中

的h、k取值为1、2、3，分别代表从三个互相垂直方向n次响应指令位姿是得到的实到位姿平均值，由公式

计算而来，而a_j代表第j次循环运行时记录到的每个实到位姿点位坐标，h、k表示从哪个方向响应。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，其特征在于，坐标准直测量包括：测量坐标点位选取，该测量坐标点位选取包括坐标准直的坐标点位选取，位姿测量的坐标点位选取。

8.根据权利要求7所述的工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，其特征在于，测量坐标点位选取包括坐标准直的坐标点位选取，位姿测量的坐标点位选取，其中坐标准直的坐标点位选取包括根据机器人的工作空间：由C1-C8构成机器人最大空间的立方体，在由C1、C2、C7和C8构成的矩形斜平面中选取任意不同的五个空间点位坐标，位姿测量的坐标点位选取包括根据机器人的工作空间，在由C1、C2、C7和C8构成的矩形斜平面中选取P1、P2和P4的空间点位坐标，并且P1、P2和P4的空间点位坐标能在矩形斜平面内构成一条空间直线。

9.根据权利要求8所述的工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，其特征在于，测量坐标点位选取需要先完成三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系的坐标转换，包括：建立两个坐标系对应关系，SVD法算出R、T。

10.根据权利要求9所述的工业机器人位姿特性中多方向位姿准确度变动的测量方法，其特征在于，建立两个坐标系对应关系包括：首先，三维空间测量仪采集机器人末端法兰盘的球极坐标点位数据：方位角

仰角θ和距离γ数据，然后通过球极坐标系与直角坐标系转换，可以获取测量仪的直角坐标点位数据，最后，再完成三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系的坐标转换；

球极坐标系

与直角坐标系(x、y、z)转换公式如下：

z＝γ·cosθ

三维空间测量仪坐标系与机器人坐标系坐标转换公式如下：

P^t＝RP^r+T

R——旋转矩阵，T——平移矩阵；

P^t——三维空间测量仪坐标系下的坐标点位；

P^r——机器人坐标系下的坐标点位；

任意点P_i坐标的矩阵表示：

三维空间测量仪坐标系下的坐标点位：

机器人坐标系下的坐标点位：

SVD法算出R、T包括：

机器人坐标系下指令坐标点位的点集为：

指令坐标点位在测量仪下测得的实际坐标点位构成的点集：

分别计算机器人和测量仪坐标系下的坐标点位点集P^r、P^t的重心，即坐标点位点集包含的全部点的坐标的平均值，分别为：

将两个坐标点位点集的重心对齐重合，分别计算各点集相对重心的相对坐标构成新的点集：

记：

为：

记：

为：

由坐标点位点集

构造协矩阵

对协矩阵进行SVD分解：

旋转矩阵即为R_3×3＝VU^T，平移矩阵为T_3×1＝μ_r-Rμ_t，当n≥3时既可求出R矩阵，R的各列为长度为3的单位向量，且两两相互垂直。

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