CN111716355A - 机器人绝对定位精度补偿***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了机器人绝对定位精度补偿***及方法，该补偿***包括：微调机构，其为高精度轴向运动平台并安装在机器人末端，且机器人末端执行器安装在微调机构上；基准，其用于提供若干个固定参考点；视觉定位装置，其根据若干个固定参考点建立全局坐标系；数据处理***，其设定机器人末端执行器的预设位置，且与视觉定位装置及微调机构控制连接；微调机构接收预设位置与视觉定位装置反馈的实际位置之间的位置偏差，并根据位置偏差调整微调机构，直至位置偏差为零。本发明用于补偿机器人末端执行器的绝对定位精度，提高机器人绝对定位精度且拓宽机器人使用范围。

Description

机器人绝对定位精度补偿***及方法

技术领域

本发明涉及机器人测量技术领域，尤其涉及机器人绝对定位精度补偿***及方法。

背景技术

工业机器人是工业自动化和智能制造关键的一部分，广泛应用于装配、搬运、焊接、喷涂、激光切割、装配、磨削、产品检测等复杂作业中。工业机器人在工作时，根据不同的作业对象，在机器人末端加载相应的机器人末端执行器。

随着工业机器人作业方式的多样化和复杂化，工业领域对机器人的精度要求变得越来越高，机器人的精度主要包括重复定位精度和绝对定位精度，重复定位精度是指机器人末端执行器为重复到达同一目标位置（理想位置）而实际到达位置之间的接近程度，定位精度指机器人末端执行器实际到达位置与目标位置（理论位置）之间的接近程度。

目前工厂中使用工业机器人采用的大多是示教模式编程，应用在装配、搬运、喷涂、焊接等作业中，其效率低下，同时这种模式下对机器人的重复定位精度要求较高。而在抛光、磨削、弧焊、激光切割、产品检测等精密加工作业中，机器人不仅仅要求具有高的重复定位精度，还要具有高的绝对定位精度。

目前，机器人厂家在工业机器人出厂前能够保证很高的重复定位精度，该重复定位精度常常可以达到一般在0.1量级，而绝对定位精度常常较低，通常在1mm量级。较低的绝对定位精度，导致工业机器人无法满足精密加工和生产的要求，这大大限制了机器人的使用范围。

目前机器人绝对定位精度补偿方法主要基于机器人的运行学模型，需要深入研究机器人的正、逆运动学，数学模型复杂，且需要在测量空间中设置校准基准，复杂且仍存在局限性：（1）补偿后定位误差达到一定精度后，几乎没有提升空间；（2）并非对测量空间内所有点均能实现有效补偿。

发明内容

本发明提供一种机器人绝对定位精度补偿***及方法，用于补偿机器人末端执行器的绝对定位精度，提高机器人绝对定位精度且拓宽机器人使用范围。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种机器人绝对定位精度补偿***，其应用于机器人末端执行器，其特征在于，其包括：微调机构，其为高精度轴向运动平台并安装在机器人末端，且所述机器人末端执行器安装在所述微调机构上；基准，其用于提供若干个固定参考点；视觉定位装置，其根据所述若干个固定参考点建立全局坐标系，其用于获取所述机器人末端执行器在所述全局坐标系中的实际位置；数据处理***，其设定所述机器人末端执行器的预设位置，且与所述视觉定位装置及微调机构控制连接；所述微调机构接收所述预设位置与所述视觉定位装置反馈的实际位置之间的位置偏差，并根据所述位置偏差调整所述微调机构，直至所述位置偏差为零。

如上所述的机器人绝对定位精度补偿***，所述视觉定位装置为多个视觉传感器；或者所述视觉定位装置为多个激光传感器。

如上所述的机器人绝对定位精度补偿***，所述微调机构包括至少一个轴向运动平台，所述轴向运动平台为机械式、磁悬浮式或气浮式运动平台。

如上所述的机器人绝对定位精度补偿***，其特征在于，在所述轴向运动平台为机械式运动平台时，所述机械式运动平台包括：安装平台；驱动电机，其安装在所述安装平台上；丝杠，其与所述驱动电机驱动连接；导轨，其安装在所述安装平台上；滑动台，其与所述丝杠连接，在所述丝杠转动时，所述滑动台沿所述导轨轴向运动；高精度位移传感器，其用于检测所述滑动台的滑动位移量，且与所述数据处理***连接。如上所述的机器人绝对定位精度补偿***，所述丝杠采用无空回程预紧球形结构，所述高精度位移传感器采用高精度、非接触式直线编码器。

本申请还涉及一种机器人绝对定位精度补偿方法，其利用如上所述的机器人绝对定位精度补偿***实现，所述机器人绝对定位精度补偿方法包括：S1：建立全局坐标系；S2：获取所述机器人末端执行器在所述全局坐标系中的实际位置；S3：计算所述机器人末端执行器的实际位置与预设的预设位置之间的位移偏差；S4：根据所述位移偏差，调整所述微调机构的各滑动台的轴向运动，使所述位移偏差为零。

如上所述的机器人绝对定位精度补偿方法，所述S4具体为：S41：建立所述微调机构所在的微调机构坐标系；S42：计算所述全局坐标系和所述微调机构坐标系之间的转换关系；S43：利用所述转换关系，将所述机器人末端执行器的实际位置和预设位置分别转换至所述微调机构坐标系下的第一位置和第二位置；S44：根据所述第一位置和第二位置，调整所述微调机构的各滑动台的轴向运动，使所述位移偏差为零。

如上所述的机器人绝对定位精度补偿方法，利用PID控制算法调整所述微调机构的各滑动台的轴向运动。

与现有技术相比，本发明提供的机器人绝对定位精度补偿***及方法具有如下优点和有益效果：微调机构安装在机器人末端，且机器人末端执行器安装在微调机构上，通过获取机器人末端执行器所在的实际位置及预设位置，将两者之间的位移偏差反馈至微调机构，由于微调机构是高精度轴向运动平台，其能够根据该位置偏差精准地调整该位置偏差至零，实现实际位置与预设位置重合，其调整精度不依赖于机器人本身的精度，间接通过高精度的微调机构来提高机器人的绝对定位精度，结构简单且易实现，且提高机器人的绝对定位精度高，使机器人使用范围更广。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提出的机器人绝对定位精度补偿方法一个实施例的流程图。

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。

现有机器人可以实现较高的重复定位精度，但是绝对定位精度不高，这就大大影响机器人的使用范围，例如无法满足精密加工和生产的要求，为此，本是发明提出一种机器人绝对定位精度补偿***及方法。

机器人可以为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型或关节坐标型工业机器人等。

本实施例机器人绝对定位精度补偿***（未示出）包括微调机构、基准、视觉定位装置和数据处理***。

微调机构安装在机器人末端，且机器人末端执行器安装在微调机构上。机器人末端运动带动微调机构和机器人末端执行器运动，且微调机构运动带动机器人末端执行器运动。

微调机构可以是单轴向运动平台、两轴向运动平台、三轴向运动平台、六轴向运动平台等多轴向运动平台，其自由度的数量取决于机器人末端执行器的自由度的数量、或者在实际使用中所需要关注的自由度的数量等。

多轴向运动平台是单轴向运动平台通过拼接组装形成的。

单轴向运动平台可以为机械式运动平台、磁悬浮式运动平台或气浮式运动平台。在单轴向运动平台为机械式运动平台时，其可以包括安装平台、驱动电机、丝杠、导轨、滑动台和高精度位移传感器。

安装平台是轴向运动平台中各个部件的载体。

驱动电机安装在安装平台上，用于为轴向运动平台提供动力。

丝杠与驱动电机的驱动轴连接，在驱动电机工作时，其驱动轴带动丝杠一起转动。

导轨，且安装在安装平台上，用于为滑动台提供滑动轨道。

滑动台与丝杠连接，可以在滑动台上开设有穿过丝杠的孔，该孔内壁上开设有与丝杠配合的内螺纹，在丝杠跟随驱动电机的驱动轴一起转动时，该滑动台沿丝杠及导轨滑动，若待运动部件（例如机器人末端执行器）安装在该滑动台上，此时，在驱动电机工作时，该轴向运动机构会带动待运动部件轴向运动（例如，X轴向、Y轴向或Z轴向等）。

高精度位移传感器采用高精度、非接触式直线编码器，其用于获取待运动部件沿滑动台移动的位移量。

此外，为提高机械式运动平台的精度，在本实施例中，导轨采用预紧密封设计，零间隙误差，且丝杠采用无空回程预紧球形结构，保证轴向运动平台的高精度。

本实施例中，机器人末端执行器的微调通过微调机构在各轴向的位移调整而实现，若使机器人末端执行器达到高精度的绝对定位，则前提需要保证微调机构满足高精度、高稳定性。

机械式微调机构采用高精度位移传感器检测各轴向的位移量，以精准地控制微调机构对机器人末端执行器的调整，补偿机器人末端不能继续带动机器人末端执行器的绝对定位。

精密轴向运动平台还包括磁悬浮式运动平台和气浮式运动平台，此两者因其导轨没有摩擦，因此，相对机械式运动平台实现超精密定位。磁悬浮式运动平台和气浮式运动平台均为现有技术中常用到的精密定位滑台，其结构可参考现有技术，故在本文不做赘述。

由于气浮式运动平台相对磁悬浮式运动平台，结构简单、质量轻便及设计灵活等优点，因此，多采用气浮式运动平台作为精密定位平台的理想选择。

微调机构为一个轴向运动平台或由至少一个轴向运动平台组合而成，由于保证了每个轴向运动平台的高精度，因此，本实施例微调机构也具有高精度，有利于补偿机器人绝对定位精度。

假设机器人末端执行器用于执行对某个工件的测量或加工，该工件放置在工件夹具上。

确定机器人末端执行器的位置需要建立全局坐标系，在全局坐标系下表示机器人末端执行器需要到达的位置，记为预设位置（即理想位置）P1；表示机器人末端执行器的实时位置，记为实际位置P2。

在不使用微调机构或微调机构不工作时，由于机器人本身存在较低的绝对定位精度，因此机器人末端执行器的实际位置P2和预设位置P1始终存在位移偏差

P。

微调机构所在的微调机构坐标系为机器人自带的工具坐标系，其可以通过标定获得，工具坐标系及此标定获取方法为现有标定技术领域成熟公开的内容，在此不再赘述。

在工件夹具上固设有基准，其类似于固定坐标系，其用于提供若干个固定参考点。

视觉定位装置可以为多个视觉传感器，或者多个激光传感器。视觉定位装置根据若干个固定参考点建立全局坐标系，能够更高精度地定位机器人末端执行器的实际位置。

在数据处理***中会预设机器人末端执行器的预设位置P1，即希望机器人末端执行器到达的位置。

根据预设程序指令，机器人带动机器人末端执行器行进到实际位置P2。该预设程序指令可以设置在数据处理***中，数据处理***与机器人进行通讯，以机器人进行控制并接收机器人反馈的数据，例如机器人末端执行器到达的实际位置P2等。

在机器人行进的过程中，程序指令实时计算机器人末端执行器的预设位置P1和实际位置P2之间的位移偏差

P，将位移偏差

P反馈至微调机构，微调机构根据位移偏差

P自动调整各轴向的运动位移量，直至位移偏差

P为零，有效补偿机器人的绝对定位精度，机器人末端实现高的绝对定位精度。

结合图1，描述微调机构如何根据位移偏差

P调节机器人末端执行器的实际位置P2，使其行进到预设位置P1。

S1：建立全局坐标系。

如上所述，利用基准获取若干个静止的参考点。

视觉定位装置根据若干个参考点建立全局坐标系。

S2：获取机器人末端执行器在全局坐标系中的实际位置P2。

数据处理***根据预设程序指令指导机器人末端执行器行进到预设位置P1，但是由于机器人末端本身的绝对定位精度低，实际上机器人末端执行器不能够行进到预设位置P1，视觉定位装置用于实时检测机器人末端执行器的实际位置P2。

需要说明的是，本实施例实际位置P2不表示为在机器人行进过程中机器人末端执行器的实时位置，仅表示机器人行进到不能利用机器人的移动再进一步移动该机器人末端执行器时的机器人末端执行器的实际位置。

S3：计算机器人末端执行器的实际位置P2与预设位置P1之间的位移偏差

P。

假设机器人末端执行器在全局坐标系中的初始位置为P0。

数据处理***在接收到视觉定位装置反馈的机器人末端执行器的实际位置P2后，计算实际位置P2和预设位置P1之间的位移偏差

P。

例如，P0(x0,y0,z0)，P1(x1,y1,z1)以及P2(x2,y2,z2)。

则位移偏差

P=

=

-

。

S4：根据位移偏差

P，调整微调机构的各滑动台的轴向运动，使位移偏差

P为零。

位移偏差

P反馈至微调机构，组成闭环***，驱动电机驱动滑动台轴向（例如，X轴、Y轴或Z轴等）运动，对机器人末端的绝对定位精度进行有效补偿，得到高精度的实时位置。

如下，将描述微调机构根据位移偏差

P实现闭环控制的过程。

S41：建立微调机构所在的微调机构坐标系。

由于微调机构安装在机器人末端，因此，其所在坐标系为机器人的工具坐标系，如上所描述的。

S42：计算全局坐标系和微调机构坐标系之间的转换关系。

位移偏差

P若利用微调机构进行调整，则需要将机器人末端执行器的实际位置P2和预设位置P1从全局坐标系下转化为微调机构坐标系下的位置，因此，需要计算全局坐标系和微调机构坐标系之间的转换关系，例如包括从全局坐标系到微调机构坐标系的转换矩阵R和平移矩阵T。

S43：利用转换关系，将机器人末端执行器的实际位置P2和预设位置P1分别转换至微调机构坐标系下的第一位置P2'和第二位置P1'。

位移偏差

P转化为在微调机构坐标系中的矢量位移，指导微调机构在各轴向上的移动以进行位置补偿。

全局坐标系下的实际位置P2对应微调机构坐标系下的第一位置P2'(x2',y2',z2')=R*P2+T。

全局坐标系下的预设位置P1（x1,y1,z1）对应微调机构坐标系中的第二位置P1'(x1',y1',z1')=R*P1+T。

S44：根据第一位置P2'和第二位置P1'，调整微调机构的各滑动台的轴向运动，使位移偏差

P为零。

微调机构所补偿的位移为S=P1'(x1',y1',z1')-P2'(x2',y2',z2')=R(P1-P2)。

微调机构对位移的补偿采用PID控制算法，实现位移的闭环控制。

根据所补偿的位移S，微调机构调整各滑动台的轴向运动，从而带动机器末端执行器运动，以改变其实际位置P2为P2''。

利用新的实际位置P2''，重新计算位移偏差

P'并反馈至微调机构，进一步调整各微调机构的各滑动台的轴向运动，从而带动机器末端执行器运动，以改变其实际位置P2''为P2'''。

直至微调机构所调节的机器人末端执行器的实际位置与预设位置P1相同，即，位移偏差为零。

本发明提出的机器人绝对定位精度补偿***及方法，不需要机器人的运动模型，利用高精度的微调机构补偿机器人原本的较低的绝对定位精度，提高机器人末端执行器的绝对定位精度，扩展了机器人的使用范围及使用效果，结构简单且易实现，成本低，适合工业上大规模使用；且该微调机构可以拆装并安装于不同类型的机器人上，实现资源有效利用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种机器人绝对定位精度补偿***，其应用于机器人末端执行器，其特征在于，其包括：

微调机构，其为高精度轴向运动平台并安装在机器人末端，且所述机器人末端执行器安装在所述微调机构上；

基准，其用于提供若干个固定参考点；

视觉定位装置，其根据所述若干个固定参考点建立全局坐标系，其用于获取所述机器人末端执行器在所述全局坐标系中的实际位置；

数据处理***，其设定所述机器人末端执行器的预设位置，且与所述视觉定位装置及微调机构控制连接；

所述微调机构接收所述预设位置与所述视觉定位装置反馈的实际位置之间的位置偏差，并根据所述位置偏差调整所述微调机构，直至所述位置偏差为零。

2.根据权利要求1所述的机器人绝对定位精度补偿***，其特征在于，所述视觉定位装置为多个视觉传感器；或这所述视觉定位装置为多个激光传感器。

3.根据权利要求1所述的机器人绝对定位精度补偿***，其特征在于，所述微调机构包括至少一个轴向运动平台，所述轴向运动平台为机械式、磁悬浮式或气浮式运动平台。

4.根据权利要求3所述的机器人绝对定位精度补偿***，其特征在于，在所述轴向运动平台为机械式运动平台时，所述机械式运动平台包括：

安装平台；

驱动电机，其安装在所述安装平台上；

丝杠，其与所述驱动电机驱动连接；

导轨，其安装在所述安装平台上；

滑动台，其与所述丝杠连接，在所述丝杠转动时，所述滑动台沿所述导轨轴向运动；

高精度位移传感器，其用于检测所述滑动台的滑动位移量，且与所述数据处理***连接。

5.根据权利要求4所述的机器人绝对定位精度补偿***，其特征在于，所述丝杠采用无空回程预紧球形结构，所述高精度位移传感器采用高精度、非接触式直线编码器。

6.一种机器人绝对定位精度补偿方法，其特征在于，其利用权利要求1至5中任一项所述的机器人绝对定位精度补偿***实现，所述机器人绝对定位精度补偿方法包括：

S1：建立全局坐标系；

S2：获取所述机器人末端执行器在所述全局坐标系中的实际位置；

S3：计算所述机器人末端执行器的实际位置与预设的预设位置之间的位移偏差；

S4：根据所述位移偏差，调整所述微调机构的各滑动台的轴向运动，使所述位移偏差为零。

7.根据权利要求6所述的机器人绝对定位精度补偿方法，其特征在于，所述S4具体为：

S41：建立所述微调机构所在的微调机构坐标系；

S42：计算所述全局坐标系和所述微调机构坐标系之间的转换关系；

S43：利用所述转换关系，将所述机器人末端执行器的实际位置和预设位置分别转换至所述微调机构坐标系下的第一位置和第二位置；

S44：根据所述第一位置和第二位置，调整所述微调机构的各滑动台的轴向运动，使所述位移偏差为零。

8.根据权利要求6所述的机器人绝对定位精度补偿方法，其特征在于，

利用PID控制算法调整所述微调机构的各滑动台的轴向运动。

Images