CN112518745B - 机器人tcp快速标定方法 - Google Patents

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CN112518745B CN202011336145.0A CN202011336145A CN112518745B CN 112518745 B CN112518745 B CN 112518745B CN 202011336145 A CN202011336145 A CN 202011336145A CN 112518745 B CN112518745 B CN 112518745B
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Abstract

一种机器人TCP快速标定方法,该方法利用机器人末端的接触力和力矩信息对TCP坐标进行估计,通过测出TCP所受力和力矩在机器人末端坐标系中的描述,然后通过求解约束方程即可求得TCP在机器人末端坐标系中的坐标值。该方法只需要一次接触就可以测得TCP坐标值,节省标定时间;无需人工进行对点或者校准,可以由控制器自动完成标定;对固定面没有形式及精度要求。

Description

机器人TCP快速标定方法
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域,特别涉及一种机器人TCP快速标定方法。
背景技术
专利106502208A描述了一种工业机器人TCP标定方法,需要示教机器人在不同的姿态下将TCP对准同一固定点,然后通过最小二乘方法拟合出TCP坐标。专利105509671B描述了一种利用平面标定板的机器人TCP标定方法,需要机器人在不同的姿态下将TCP与标定板接触6次以上。然后通过求解约束方程获得TCP坐标。
背景技术存在的缺陷:
(1)需要多次示教机器人以不同的姿态与固定点或者固定面重合,标定过程繁琐,且由于是采用人工的方式去进行对准,很难保证标定精度;同时,由于机器人是以位置控制的方式进行运动的,在机器人TCP对准过程中可会造成工具或者标定板损坏;
(2)对标定工具的精度要求较高,因为会影响最终的TCP标定精度;
(3)对于具有一定柔性的工具,无法控制在对准过程中工具的变形量,导致标定结果不准确。
发明内容
本公开提供一种机器人TCP快速标定方法,其能够实现TCP与机器人末端坐标系之间的快速标定。
本公开提供一种机器人TCP快速标定方法,包括以下步骤:
根据机器人工具及标定面的刚度或硬度,设置标定接触力的大小;
调整机器人末端姿态,保证接触力矢量不能位于力传感器坐标系的x-y、y-z和x-z平面内;
控制机器人TCP移动至接近标定面的位置,然后切换机器人至力控制模式;
控制机器人末端与标定面接触,并使接触力保持在设定值上下;
当检测到机器人末端的接触力进入设定范围内时,采集一段时间内机器人末端的接触力和力矩,并求取力和力矩的平均值;
根据所述力和力矩的平均值,求得最终的TCP坐标。
可选的,在机器人末端集成有六维力传感器的情况下,即传感器的坐标系与机器人的末端坐标系重合,所述机器人末端的接触力和力矩直接从六维力传感器获取。
可选地,在机器人末端附加安装有六维力传感器的情况下,即传感器的坐标系与机器人的末端坐标系不重合,通过以下方法求得机器人末端的接触力和力矩:
Figure BDA0002797202790000021
其中,endFend表示机器人末端的接触力,endMend表示机器人末端的接触力矩,
Figure BDA0002797202790000022
表示力传感器坐标系到机器人末端坐标系的旋转变换矩阵,endPsensor表示机器人末端坐标系原点在力传感器坐标系中的坐标,sensorFsensor表示力传感器所受的力,sensorMsensor表示力传感器所受的力矩。
可选地,对于机器人安装有关节力矩传感器的情况,通过以下公式,由机器人的关节力矩计算出所述机器人末端的接触力和力矩,即
Fend=J·(τsensorrobot)
其中,Fend表示机器人末端的力和力矩(6维向量),J表示机器人的雅克比矩阵,τsensor表示机器人的关节力矩传感器收到的力矩,τrobot表示由于机器人自身的动力学特性作用在关节力矩传感器上的力矩,该值可由牛顿-欧拉方法推导得出。
可选地,对于在机器人底座安装有六维力传感器的情况,通过以下公式计算所述机器人末端的接触力和力矩:
Figure BDA0002797202790000031
其中,endFend表示机器人末端的接触力,endMend表示机器人末端的接触力矩,
Figure BDA0002797202790000032
表示机器人基坐标系到末端坐标系的旋转变换矩阵,endPbase表示机器人末端坐标系原点在基坐标系中坐标,sensorFsensor表示机器人底座所受的力,sensorMsensor表示机器人底座所受的力矩,baseFbase表示由于机器人自身的动力学特性作用在底座力传感器上的力,baseMbase表示由于机器人自身的动力学特性作用在底座力传感器上的力矩,所述baseFbasebaseMbase的值都可由牛顿-欧拉方程推导得出。
可选地,根据以下公式计算TCP在机器人末端坐标系中的坐标:
Figure BDA0002797202790000033
其中,r为力的作用点在机器人末端坐标系中的坐标,3维向量;M是机器人末端的接触力矩,3维向量;F是机器人末端的接触力,3维向量,
Figure BDA0002797202790000034
本公开提供的TCP快速标定方法,利用机器人末端的接触力和力矩信息对TCP坐标进行标定,只要能够测出TCP所受力和力矩在机器人末端坐标系中的描述,就可以通过求解约束方程来求得TCP在机器人末端坐标系中的坐标值。与现有技术相比,本公开的有益效果是:①采用机器人末端接触力和力矩信息计算TCP坐标,只需要一次接触就可以测得TCP坐标值,节省标定时间;②无需人工进行对点或者校准,可以由控制器自动完成标定,同时对固定面没有形式及精度要求;③对于具有一定柔性的工具,可以通过力控制模式保证TCP标定精度。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述,本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显,其中,在本公开示例性实施例方式中,相同的参考标号通常代表相同部件。
图1显示根据示例性实施例的机器人TCP快速标定方法流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例,然而应该理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整,并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1显示根据示例性实施例的机器人TCP快速标定方法的流程图,包括以下步骤:
S101:根据机器人工具及标定面的刚度或硬度,设置标定接触力的值。
S102:调整机器人末端姿态,使其符合标定要求,即保证接触力矢量不能位于力传感器坐标系的x-y、y-z和x-z平面内。
S103:控制机器人TCP移动至接近标定面的位置,然后切换机器人的控制模式至力控制模式。
S104:启动标定,控制机器人往标定面运动至末端与标定面接触,并使接触力保持在设定值上下,即维持接触力。
S105:当检测到机器人末端的接触力进入设定值上下一定范围内时,采集一段时间内机器人末端的接触力和力矩。
可选的:(1)在机器人末端集成有六维力传感器的情况下,即传感器的坐标系与机器人的末端坐标系重合的情况下,所述机器人末端的接触力和力矩直接从六维力传感器获取。
(2)在机器人末端附加安装有六维力传感器的情况下,即传感器的坐标系与机器人的末端坐标系不重合的情况下,通过以下方法求得机器人末端的接触力和力矩:
Figure BDA0002797202790000051
其中,endFend表示机器人末端的接触力,endMend表示机器人末端的接触力矩,
Figure BDA0002797202790000052
表示力传感器坐标系到机器人末端坐标系的旋转变换矩阵,endPsensor表示机器人末端坐标系原点在力传感器坐标系中的坐标,sensorFsensor表示力传感器所受的力,sensorMsensor表示力传感器所受的力矩。
(3)对于机器人安装有关节力矩传感器的情况,通过机器人的雅克比矩阵,由机器人的关节力矩计算出所述机器人末端的接触力和力矩,即
Fend=J·(τsensorrobot)
其中,Fend表示机器人末端的力和力矩(6维向量),J表示机器人的雅克比矩阵,τsensor表示机器人的关节力矩传感器收到的力矩,τrobot表示由于机器人自身的动力学特性作用在关节力矩传感器上的力矩,该值可由牛顿-欧拉方法推导得出。
(4)对于在机器人底座安装有六维力传感器的情况,通过以下公式计算所述机器人末端的接触力和力矩:
Figure BDA0002797202790000053
其中,endFend表示机器人末端的接触力,endMend表示机器人末端的接触力矩,
Figure BDA0002797202790000054
表示机器人基坐标系到末端坐标系的旋转变换矩阵,endPbase表示机器人末端坐标系原点在基坐标系中坐标,sensorFsensor表示机器人底座所受的力,sensorMsensor表示机器人底座所受的力矩,baseFbase表示由于机器人自身的动力学特性作用在底座力传感器上的力,baseMbase表示由于机器人自身的动力学特性作用在底座力传感器上的力矩,baseFbasebaseMbase的值都可由牛顿-欧拉方程推导得出。
S106:根据每一组力和力矩值,计算力和力矩的平均值。
S107:根据计算得到的力和力矩平均值,求得最终的TCP坐标
在得到机器人末端力和力矩均值后,具体可以根据以下公式计算TCP在机器人末端坐标系中的坐标:
Figure BDA0002797202790000061
其中,r为力的作用点在机器人末端坐标系中的坐标(3维向量),M是机器人末端的接触力矩(3维向量),F是机器人末端的接触力(3维向量),
Figure BDA0002797202790000062
由于该方法在TCP与固定面接触的过程中机器人是运行在力控制模式,可以保证在接触力在一定的阈值范围内。因此,对于具有一定柔性的工具,仍然可以采用本方法。
根据示例性实施例的机器人TCP快速标定方法,通过测出TCP所受力和力矩在机器人末端坐标系中的描述,进而通过求解约束方程来求得TCP在机器人末端坐标系中的坐标值。与现有技术相比,本公开的有益效果是:
①采用末端力和力矩信息计算TCP坐标,只需要一次接触就可以测得TCP坐标值,节省标定时间。②无需人工进行对点或者校准,可以由控制器自动完成标定。同时对固定面没有形式及精度要求。③对于具有一定柔性的工具,可以通过力控制模式保证TCP标定精度。
上述技术方案只是本发明的示例性实施例,对于本领域内的技术人员而言,在本发明公开了应用方法和原理的基础上,很容易做出各种类型的改进或变形,而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法,因此前面描述的方式只是优选的,而并不具有限制性的意义。

Claims (6)

1.一种机器人TCP快速标定方法,其特征在于,包括以下步骤:
根据机器人工具及标定面的刚度或硬度,设置标定接触力的大小;
调整机器人末端姿态,保证接触力矢量不能位于力传感器坐标系的x-y、y-z和x-z平面内;
控制机器人TCP移动至接近标定面的位置,然后切换机器人至力控制模式;
控制机器人末端与标定面接触,并使接触力保持在设定值上下;
当检测到机器人末端的接触力进入设定范围内时,采集一段时间内机器人末端的接触力和力矩,并求取力和力矩的平均值;
根据所述力和力矩的平均值,求得最终的TCP坐标;
其中,所述机器人末端的接触力和力矩获取手段包括:机器人末端集成有六维力传感器,或机器人末端附加安装有六维力传感器,或者机器人安装有关节力矩传感器,或者机器人底座安装有六维力传感器。
2.根据权利要求1所述的机器人TCP快速标定方法,其特征在于,在机器人末端集成有六维力传感器的情况下,即传感器的坐标系与机器人的末端坐标系重合,所述机器人末端的接触力和力矩直接从六维力传感器获取。
3.根据权利要求1所述的机器人TCP快速标定方法,其特征在于,在机器人末端附加安装有六维力传感器的情况下,即传感器的坐标系与机器人的末端坐标系不重合,通过以下方法求得机器人末端的接触力和力矩:
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中,
Figure 417736DEST_PATH_IMAGE002
表示机器人末端的接触力,
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示机器人末端的接触力矩,
Figure 688180DEST_PATH_IMAGE004
表示力传感器坐标系到机器人末端坐标系的旋转变换矩阵,
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示机器人末端坐标系原点在力传感器坐标系中的坐标,
Figure 454011DEST_PATH_IMAGE006
表示力传感器所受的力,
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示力传感器所受的力矩。
4.根据权利要求1所述的机器人TCP快速标定方法,其特征在于,对于机器人安装有关节力矩传感器的情况,通过以下公式,由机器人的关节力矩计算出所述机器人末端的接触力和力矩,即
Figure 936945DEST_PATH_IMAGE008
其中,
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示机器人末端的力和力矩,为6维向量,
Figure 740340DEST_PATH_IMAGE010
表示机器人的雅克比矩阵,
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示机器人的关节力矩传感器收到的力矩,
Figure 181686DEST_PATH_IMAGE012
表示由于机器人自身的动力学特性作用在关节力矩传感器上的力矩,该值可由牛顿-欧拉方法推导得出。
5.根据权利要求1所述的机器人TCP快速标定方法,其特征在于,对于在机器人底座安装有六维力传感器的情况,通过以下公式计算所述机器人末端的接触力和力矩:
Figure DEST_PATH_IMAGE013
其中,
Figure 169233DEST_PATH_IMAGE014
表示机器人末端的接触力,
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示机器人末端的接触力矩,
Figure 721437DEST_PATH_IMAGE016
表示机器人基坐标系到末端坐标系的旋转变换矩阵,
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示机器人末端坐标系原点在基坐标系中坐标,
Figure 845251DEST_PATH_IMAGE018
表示机器人底座所受的力,
Figure DEST_PATH_IMAGE019
表示机器人底座所受的力矩,
Figure 191919DEST_PATH_IMAGE020
表示由于机器人自身的动力学特性作用在底座力传感器上的力,
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示由于机器人自身的动力学特性作用在底座力传感器上的力矩,所述
Figure 932342DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE023
的值都可由牛顿-欧拉方程推导得出。
6.根据权利要求2—5中任一项所述的机器人TCP快速标定方法,其特征在于,根据以下公式计算TCP在机器人末端坐标系中的坐标:
Figure 302885DEST_PATH_IMAGE024
其中,
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为力的作用点在机器人末端坐标系中的坐标,3维向量;
Figure 546785DEST_PATH_IMAGE026
是机器人末端的接触力矩,3维向量;
Figure DEST_PATH_IMAGE027
是机器人末端的接触力,3维向量,
Figure 798775DEST_PATH_IMAGE028
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