CN111409109A - 工业机器人稳定性的测量和评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人稳定性测试技术领域，尤其为一种工业机器人稳定性的测量和评估方法，该方法先通过坐标转换，将测量仪得到的数据转换到机器人坐标系下，先求得空间点与指令点的距离构成距离序列，通过阈值判断去掉冗余的数据，并将数据分段得到各个循环从进入阈值到临近指令点的空间位置序列，求得实到位姿，再求各循环的空间位置与实到位姿的距离，得到新的距离序列，通过判断新的距离序列与门限的交点，求交点在水平方向的距离除以采样频率即可得到稳定时间，最小交点与最大交点间的距离最大值即为超调量，分别求稳定时间的平均值和超调量的最大值。本发明，能够用于机器人稳定性定量评估的测量和计算方法，具有详细的说明性文件及步骤。

Description

工业机器人稳定性的测量和评估方法

技术领域

本发明涉及机器人稳定性测试技术领域，具体为一种工业机器人稳定性的测量和评估方法。

背景技术

工业机器人因同时具备通用性、高柔性、高精度等诸多特点，在全球制造业智能化趋势的推动下蓬勃发展。目前，工业机器人大多采用开环控制，为保证机器人的末端精度，在出厂前或使用一段时间后需要进行校准和标定。机器人按指令停到某个点的快慢及准确性用稳定性来衡量。

稳定性有两个衡量指标：位置稳定时间和位置超调量。稳定性用于衡量机器人从运动状态停止在实到位姿的快慢程度性能。位置超调量衡量机器人平稳、准确地停止在实到位姿的能力。国标给出了稳定性定义和要求，但没有详细的说明性文件及步骤，现有的测量***借助于高精度的测量仪器，但其测量的内部原理及数据处理机制不清晰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够用于机器人稳定性定量评估的测量和计算方法，具有详细的说明性文件及步骤的工业机器人稳定性的测量和评估方法，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：

一种工业机器人稳定性的测量和评估方法，包括如下步骤：

步骤1、在机器人的工作空间内，选取P1、P2、P3、P4、P5五个点，P2-P5按顺时针方向构成的矩形斜平面能最大程度的占据机器人的工作空间，P1在P2-P5所围成矩形的区域的中心位置，记录指令坐标和测量坐标，构建空间坐标转换关系；

步骤2、选定机器人内接长方体的对角线(P2-P4)上的中点P₁及距离P₁200mm以上的任意一点P，驱动机器人在P和P₁点间往返3次，到达P、P₁点后停顿5s，重复3次；

步骤3、用测量仪记录3次循环的过程的点位信息，经坐标变换后得到机器人坐标系下的空间坐标序列；

步骤4、求空间序列到P₁点的距离，构成距离序列，该序列与坐标序列一一对应；

步骤5、设定距离阈值，按阈值截取临近P₁的空间点位信息构成新的空间，求得3次实到位姿的坐标，并分别求临近空间点位到实到位姿的的距离，构成新的距离序列{D_ij}，i＝1,2,3；j＝1,2,3...，i为循环次数；

步骤6、设定门限值，记录{D_ij}进入门限值的序号，最大序号与最小序号的差值乘以采样频率即为稳定时间，若门限值较大，则只进入门限值1次，稳定时间和超调量均为0；

步骤7、根据(6)中最大序号和最小序号之间的所有距离序列的最大值即为超调量；

步骤8、求步骤6、7得到的3次稳定时间的平均值以及3次超调量的最大值。

进一步的，坐标系转换方法包括：

任意点P_i坐标的矩阵表达：

机器人末端指令坐标点集为：

指令对应点在测量仪下测得的点构成的点集：

进一步的，坐标系转换方法包括：

分别计算点集P^r、P^t的重心，即点集包含的全部点的坐标的平均值，分别为：

将两个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。

进一步的，稳定性-稳定时间和超调量的计算包括：测量仪采样得到的，空间坐标序列为P^t＝{P^t _i(x^t _i,y^t _i,z^t _i)}，i＝1,2,3...,N，测量仪空间坐标序列经空间变换到机器人坐标系下的空间序列为P＝{(x_i,y_i,z_i)P^r _i＝R·P_i ^t+T}。

进一步的，稳定性-稳定时间和超调量的计算包括：

到指令位姿的距离序列

P₁的位置为(x₀,y₀,z₀)，则空间各点到P₁的距序列为：

SetD＝{SetD_i|SetD_i＝sqrt((x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²+(z_i-z₀)²)}

设定阈值T，遍历整个SetD＝{SetD_i}，若(SetD_i-T)·(SetD_i+1-T)≤0，则记录序号：inds[k]＝i，k＝1,2,3,4,5,6；

分别计算(ind[k],ind[k+1]),k＝1,3,5的平均值indm[p]，p＝1,2,3，取平均值对应的前后各50个坐标序列，前后50个坐标序列的平均值即机器人的实到位姿P_i ^a＝(x^a _i,y^a _i,z^a _i)；

从indm[p]，p＝1,2,3起向前截取到最近的inds[k]，构成新的空间坐标序列PN_ij＝(x_ij,y_ij,z_ij)，i＝1,2,3；j＝1,2,3,4,5,...N；N＝max(indm-ind)；

求PN_ij＝(x_ij,y_ij,z_ij)与对应实到位姿P_i ^a＝(x^a _i,y^a _i,z^a _i)的距离：

若(AD_ij-M)·(AD_ij+1-M)≤0记录序号IND[i][m],i＝1,2,3，i为循环次数

对于指定的i，稳定时间：

ST[i]＝(max(IND[i])-min(IND[i]))/Fs

超调量：CT[i]＝max(AD[i][j]),min(IND[i])≤j≤max(IND[i])

若IND[i]的元素个数是1，则稳定时间ST[i]＝0,CT[i]＝0，

***稳定时间

N为循环次数N＝3

使用者可以基于文中方法根据特定的需求调整循环的次数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明，旨在提供一种用于机器人稳定性定量评估的测量和计算方法。本文先通过坐标转换，将测量仪得到的数据转换到机器人坐标系下，先求得空间点与指令点的距离构成距离序列，通过阈值判断去掉冗余的数据，并将数据分段得到各个循环从进入阈值到临近指令点的空间位置序列，求得实到位姿，再求各循环的空间位置与实到位姿的距离，得到新的距离序列，通过判断新的距离序列与门限的交点，求交点在水平方向的距离除以采样频率即可得到稳定时间，最小交点与最大交点间的距离最大值即为超调量，分别求稳定时间的平均值和超调量的最大值。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图2为本发明参照说明图。

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、2，本发明提供一种技术方案：

一、测量方法：

(1)在机器人的工作空间内，选取P1\P2\P3\P4\P5五个点，P2-P5按顺时针方向构成的矩形斜平面能最大程度的占据机器人的工作空间，P1在P2-P5所围成矩形的区域的中心位置，记录指令坐标和测量坐标，构建空间坐标转换关系。

(2)选定机器人内接长方体的对角线(P2-P4)上的中点P₁及距离P₁200mm以上的任意一点P，驱动机器人在P和P₁点间往返3次，到达P、P₁点后停顿5s，重复3次；

(3)用测量仪记录3次循环的过程的点位信息，经坐标变换后得到机器人坐标系下的空间坐标序列；

(4)求空间序列到P₁点的距离，构成距离序列，该序列与坐标序列一一对应；

(5)设定距离阈值，按阈值截取临近P₁的空间点位信息构成新的空间，求得3次实到位姿的坐标，并分别求临近空间点位到实到位姿的距离，构成新的距离序列{D_ij}，i＝1,2,3；j＝1,2,3...，i为循环次数；

(6)设定门限值，记录{D_ij}进入门限值的序号，最大序号与最小序号的差值乘以采样频率即为稳定时间，若门限值较大，则只进入门限值1次，稳定时间和超调量均为0；

(7)根据(6)中最大序号和最小序号之间的所有距离序列的最大值即为超调量；

(8)求(6)、(7)得到的3次稳定时间的平均值以及3次超调量的最大值。

二、坐标系转换方法：

任意点P_i坐标的矩阵表达：

机器人末端指令坐标点集为：

指令对应点在测量仪下测得的点构成的点集：

(1)分别计算点集P^r、P^t的重心，即点集包含的全部点的坐标的平均值，分别为：

(2)将两个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：

(3)由点集

构造协矩阵

对协矩阵进行SVD分解：

(4)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。

三、稳定性-稳定时间和超调量的计算：

测量仪采样得到的，空间坐标序列为P^t＝{P^t _i(x^t _i,y^t _i,z^t _i)}，i＝1,2,3...,N，测量仪空间坐标序列经空间变换到机器人坐标系下的空间序列为P＝{(x_i,y_i,z_i)P^r _i＝R·P_i ^t+T}

4.3、到指令位姿的距离序列

(1)P₁的位置为(x₀,y₀,z₀)，则空间各点到P₁的距序列为：

SetD＝{SetD_i|SetD_i＝sqrt((x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²+(z_i-z₀)²)}

(2)设定阈值T，遍历整个SetD＝{SetD_i}，若(SetD_i-T)·(SetD_i+1-T)≤0，则记录序号：inds[k]＝i，k＝1,2,3,4,5,6；

(3)分别计算(ind[k],ind[k+1]),k＝1,3,5的平均值indm[p]，p＝1,2,3，取平均值对应的前后各50个坐标序列，前后50个坐标序列的平均值即机器人的实到位姿P_i ^a＝(x^a _i,y^a _i,z^a _i)；

(4)从indm[p]，p＝1,2,3起向前截取到最近的inds[k]，构成新的空间坐标序列

PN_ij＝(x_ij,y_ij,z_ij)，i＝1,2,3；j＝1,2,3,4,5,...N；N＝max(indm-ind)；

(5)求PN_ij＝(x_ij,y_ij,z_ij)与对应实到位姿P_i ^a＝(x^a _i,y^a _i,z^a _i)的距离：

(6)若(AD_ij-M)·(AD_ij+1-M)≤0记录序号IND[i][m],i＝1,2,3，i为循环次数

(7)对于指定的i，稳定时间：

ST[i]＝(max(IND[i])-min(IND[i]))/Fs

超调量：CT[i]＝max(AD[i][j]),min(IND[i])≤j≤max(IND[i])

(8)若IND[i]的元素个数是1，则稳定时间ST[i]＝0,CT[i]＝0，

***稳定时间

N为循环次数N＝3

使用者可以基于文中方法根据特定的需求调整循环的次数。

本发明，提供一种用于机器人稳定性定量评估的测量和计算方法。本文先通过坐标转换，将测量仪得到的数据转换到机器人坐标系下，先求得空间点与指令点的距离构成距离序列，通过阈值判断去掉冗余的数据，并将数据分段得到各个循环从进入阈值到临近指令点的空间位置序列，求得实到位姿，再求各循环的空间位置与实到位姿的距离，得到新的距离序列，通过判断新的距离序列与门限的交点，求交点在水平方向的距离除以采样频率即可得到稳定时间，最小交点与最大交点间的距离最大值即为超调量，分别求稳定时间的平均值和超调量的最大值。因为采样得到的数据为离散的数据，方法精度取决于测量仪器的采样频率。

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 (5)

1.一种工业机器人稳定性的测量和评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在机器人的工作空间内，选取P1、P2、P3、P4、P5五个点，P2-P5按顺时针方向构成的矩形斜平面能最大程度的占据机器人的工作空间，P1在P2-P5所围成矩形的区域的中心位置，记录指令坐标和测量坐标，构建空间坐标转换关系；

步骤2、选定机器人内接长方体的对角线(P2-P4)上的中点P₁及距离P₁200mm以上的任意一点P，驱动机器人在P和P₁点间往返3次，到达P、P₁点后停顿5s，重复3次；

步骤3、用测量仪记录3次循环的过程的点位信息，经坐标变换后得到机器人坐标系下的空间坐标序列；

步骤4、求空间序列到P₁点的距离，构成距离序列，该序列与坐标序列一一对应；

步骤5、设定距离阈值，按阈值截取临近P₁的空间点位信息构成新的空间，求得3次实到位姿的坐标，并分别求临近空间点位到实到位姿的距离，构成新的距离序列{D_ij}，i＝1,2,3；j＝1,2,3...，i为循环次数；

步骤6、设定门限值，记录{D_ij}进入门限值的序号，最大序号与最小序号的差值乘以采样频率即为稳定时间，若门限值较大，则只进入门限值1次，稳定时间和超调量均为0；

步骤7、根据(6)中最大序号和最小序号之间的所有距离序列的最大值即为超调量；

步骤8、求步骤6、7得到的3次稳定时间的平均值以及3次超调量的最大值。

2.根据权利要求1所述的工业机器人稳定性的测量和评估方法，其特征在于，坐标系转换方法包括：

任意点P_i坐标的矩阵表达：

机器人末端指令坐标点集为：

指令对应点在测量仪下测得的点构成的点集：

3.根据权利要求2所述的工业机器人稳定性的测量和评估方法，其特征在于，坐标系转换方法包括：

分别计算点集P^r、P^t的重心，即点集包含的全部点的坐标的平均值，分别为：

将两个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。

4.根据权利要求1所述的工业机器人稳定性的测量和评估方法，其特征在于，稳定性-稳定时间和超调量的计算包括：测量仪采样得到的，空间坐标序列为P^t＝{P^t _i|(x^t _i,y^t _i,z^t _i)}，i＝1,2,3...,N，测量仪空间坐标序列经空间变换到机器人坐标系下的空间序列为P＝{(x_i,y_i,z_i)|P^r _i＝R·P_i ^t+T}。

5.根据权利要求4所述的工业机器人稳定性的测量和评估方法，其特征在于，稳定性-稳定时间和超调量的计算包括：

到指令位姿的距离序列

P₁的位置为(x₀,y₀,z₀)，则空间各点到P₁的距序列为：

SetD＝{SetD_i|SetD_i＝sqrt((x_i-x₀)²+(y_i-y₀)²+(z_i-z₀)²)}

设定阈值T，遍历整个SetD＝{SetD_i}，若(SetD_i-T)·(SetD_i+1-T)≤0，则记录序号：inds[k]＝i，k＝1,2,3,4,5,6；

分别计算(ind[k],ind[k+1]),k＝1,3,5的平均值indm[p]，p＝1,2,3，取平均值对应的前后各50个坐标序列，前后50个坐标序列的平均值即机器人的实到位姿P_i ^a＝(x^a _i,y^a _i,z^a _i)；

从indm[p]，p＝1,2,3起向前截取到最近的inds[k]，构成新的空间坐标序列PN_ij＝(x_ij,y_ij,z_ij)，i＝1,2,3；j＝1,2,3,4,5,...N；N＝max(indm-ind)；

求PN_ij＝(x_ij,y_ij,z_ij)与对应实到位姿P_i ^a＝(x^a _i,y^a _i,z^a _i)的距离：

若(AD_ij-M)·(AD_ij+1-M)≤0记录序号IND[i][m],i＝1,2,3，i为循环次数

对于指定的i，稳定时间：

ST[i]＝(max(IND[i])-min(IND[i]))/Fs

超调量：CT[i]＝max(AD[i][j]),min(IND[i])≤j≤max(IND[i])

若IND[i]的元素个数是1，则稳定时间ST[i]＝0,CT[i]＝0，

***稳定时间

N为循环次数N＝3

使用者可以基于文中方法根据特定的需求调整循环的次数。

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