CN113686278B - 一种高精度工业机器人工具tcp标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度工业机器人工具TCP标定方法，包括设有1轴、2轴、3轴、4轴、5轴及6轴的六自由度机器人，利用安装在六自由度机器人末端的靶座、与测量靶座坐标的测量设备，对机器人工具TCP进行标定，六自由度机器人5轴、6轴的杆长小于其他各轴的杆长，所述测量设备为可测量空间坐标的仪器。本发明中TCP标定方法，减小了对机器人绝对定位精度的依赖，在机器人绝对定位精度较低时，也可以标定出具有较高精度的机器人工具TCP。

Description

一种高精度工业机器人工具TCP标定方法

技术领域

本发明涉及工业机器人工具TCP标定技术技术领域，具体为一种高精度工业机器TCP的标定方法。

背景技术

机器人工具TCP是机器人工具坐标系相对于机器人末端法兰坐标系的位置关系。在机器人作业时，需要将机器人工具坐标系下的工作点位通过工具TCP及机器人各轴的姿态计算出工作点位相对于机器人基坐标系或世界坐标系下的位姿。传统的TCP标定方法依赖于机器人各个轴的绝对定位精度，因此，当机器人的绝对定位精度较低时，传统方法标定出的TCP将含有较大的误差，难以应用于有较高精度要求的场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度工业机器人工具TCP标定方法，操作简单，便于达到高精度工具TCP标定。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高精度工业机器人工具TCP标定方法，包括设有1轴、2轴、3轴、4轴、5轴及6轴的六自由度机器人，利用安装在六自由度机器人末端的靶座、与测量靶座坐标的测量设备，对机器人工具TCP进行标定，包括以下步骤：

步骤1，将六自由度机器人的5轴旋转至零位，其他各轴保持静止，只转动六自由度机器人的6轴，使用测量设备测出六自由度机器人的6轴转动过程中m个位置的坐标数据，并记录为P_1,1、P_1,2、…、P_1,m；

步骤2，只转动六自由度机器人的5轴，并保持其他各轴静止，测量设备测出六自由度机器人的5轴转动过程中m个位置的坐标数据，并记录为P_2,1、P_2,2、…、P_2,m；

步骤3，通过步骤1中的坐标数据拟合一个空间圆，并过该空间圆的圆心、方向为该空间圆所在平面的法线方向作一条直线；

步骤4，通过步骤2中的坐标数据再次拟合一个空间圆，并过该空间圆的圆心、方向为该空间圆所在平面的法线方向作另外一条直线；

步骤5，计算步骤3和步骤4中所得两条直线的交点，以该交点P_b(x_b,y_b,z_b)为坐标原点、六自由度机器人的5轴方向(a_x,a_y,a_z)为z轴、六自由度机器人的6轴方向(o_x,o_y,o_z)为x轴，并按照右手法则确定y轴方向(n_x,n_y,n_z)，建立坐标系，得出该坐标系相对于测量设备的位姿矩阵T_b为：

步骤6，建立六自由度机器人5轴及六自由度机器人6轴的位姿变换矩阵T₅、T₆，得出六自由度机器人的正运动学方程：

T_bT₅T₆P_tool＝P

式中，P为测量设备所测的坐标值，P_tool为工具TCP；

步骤7，将步骤1中的和步骤2中的测得的坐标数据利用最小二乘法计算工具TCP的值P_tool：

式中，P_i为第i次测量设备测得的坐标，T_5i为第i次测量时六自由度机器人5轴的位姿矩阵，T_6i为第i次测量时六自由度机器人6轴的位姿矩阵，n为总共测量的坐标数。

进一步的，步骤2、步骤3中空间圆拟合方法步骤如下：

根据同一组的坐标数据点拟合出平面方程，

设平面方程为

Z＝aX+bY+c

式中，X、Y、Z为平面中任一点的坐标，方程中的a、b、c为待定系数，使用最小二乘法拟合，得出目标函数：

式中，X_i、Y_i、Z_i为平面中第i点的坐标；

根据目标函数取得极小值的必要条件，进一步得出：

解关于a、b、c的线性方程组即可得到平面方程；

通过将同一组的坐标数据点投影至上述所得平面上，利用投影点拟合该平面上的圆，设圆方程为：

x²+y²+Ax+By+C＝0

式中，x、y为圆上任一点的坐标，A、B、C为待定系数，使用最小二乘法拟合，得出目标函数：

式中，x_i、y_i为圆上第i点的坐标；

根据该目标函数取得极小值的必要条件，进一步可得：

解上述关于A、B、C的线性方程组即可得到空间圆的方程。

进一步的，步骤1中“零位”指六自由度机器人5轴对应的0刻度角度值。

进一步的，六自由度机器人5轴、6轴的杆长小于其他各轴的杆长。

进一步的，所述测量设备为可测量空间坐标的仪器。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、通过测量设备分别测量5轴和6轴转动过程中的多个坐标数据，同时根据两组数据坐标点利用最小二乘法计算工具TCP的值；

2、六自由度机器人的5轴、6轴两轴的杆设置较短，因此5轴、6轴两轴两轴对TCP的误差影响很小，从而达到高精度工具TCP标定；

3、该方法操作过程及后续数据处理过程简单，便于快速完成TCP的标定。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明六自由度机器人、测量设备的结构示意图；

图2是本发明步骤5中的坐标系建立示意图；

图中：1、六自由度机器人；101、1轴；102、2轴；103、3轴；104、4轴；105、5轴；106、6轴；2、靶座；3、测量设备。

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。

请参阅图1-2，本发明提供技术方案：一种高精度工业机器人工具TCP标定方法，包括设有1轴101、2轴102、3轴103、4轴104、5轴105及6轴106的六自由度机器人1，利用安装在六自由度机器人末端的靶座2、与测量靶座2坐标的测量设备3，对机器人工具TCP进行标定，包括以下步骤：

步骤1，将六自由度机器人1的5轴105旋转至零位，同时其他各轴保持静止，只转动六自由度机器人1的6轴106，测量设备3测出六自由度机器人1的6轴106转动过程中m个位置的坐标数据，并记录为P_1,1、P_1,2、…、P_1,m。此步骤中的“将六自由度机器人1的5轴105旋转至零位”，是指将5轴105旋转至其所对应0刻度角度值。

步骤2，只转动六自由度机器人1的5轴105，并保持其他各轴静止，测量设备3测出六自由度机器人1的5轴105转动过程中m个位置的坐标数据，并记录为P_2,1、P_2,2、…、P_2,m；

步骤3，通过步骤1中的坐标数据拟合一个空间圆，并过该空间圆的圆心、方向为该空间圆所在平面的法线方向作一条直线；

步骤4，通过步骤2中的坐标数据再次拟合一个空间圆，并过该空间圆的圆心、方向为该空间圆所在平面的法线方向作另外一条直线；

步骤5，计算步骤3和步骤4所得两条直线的交点，以该交点P_b(x_b,y_b,z_b)为坐标原点、六自由度机器人1的5轴方向(a_x,a_y,a_z)为z轴、6轴方向(o_x,o_y,o_z)为x轴，并按照右手法则确定y轴方向(n_x,n_y,n_z)，建立坐标系base5(如图2中所示坐标系)，可得base5相对于测量设备3的位姿矩阵T_b为：

步骤6，建立六自由度机器人1的5轴105及六自由度机器人1的6轴106的位姿变换矩阵T₅、T₆，得出六自由度机器人1的正运动学方程：

T_bT₅T₆P_tool＝P

式中，P为测量设备3所测的坐标值，P_tool为待求得工具TCP；

步骤7，将步骤1中的和步骤2中的测得的坐标数据利用最小二乘法计算工具TCP的值P_tool:

式中，P_i为第i次测量设备3测得的坐标，T_5i为第i次测量时六自由度机器人1的5轴的位姿矩阵，T_6i为第i次测量时六自由度机器人1的6轴的位姿矩阵，n为总共测量的坐标数。

同时，步骤2、步骤3中空间圆拟合方法步骤如下：

根据同一组的坐标数据点拟合出平面方程，

设平面方程为：

Z＝aX+bY+c

方程中的X、Y、Z为平面中任一点的坐标，方程中的a、b、c为待定系数，使用最小二乘法拟合，得出目标函数：

式中，X_i、Y_i、Z_i为平面中第i点的坐标；

根据目标函数取得极小值的必要条件，进一步得出：

即

解关于a、b、c的线性方程组即可得到平面方程；

通过将同一组的坐标数据点投影至上述所得平面上，利用投影点拟合该平面上的圆，设圆方程为：

x²+y²+Ax+By+C＝0

式中，x、y为圆上任一点的坐标，A、B、C为待定系数，使用最小二乘法拟合，得出目标函数：

式中，x_i、y_i为圆上第i点的坐标；

根据该目标函数取得极小值的必要条件，进一步可得：

即

解上述关于A、B、C的线性方程组即可得到圆的方程，从而可得到步骤2和步骤3中的拟合空间圆。

所述测量设备3为可测量空间坐标的仪器，用于测量靶座2在各位置的空间坐标数据，架设该测量设备3后，需要将六自由度机器人1的六个轴转动到合适位置，以保证步骤2和步骤3中外部测量设备3能够方便地测量出点位坐标数据。

本发明TCP标定方法不依赖于六自由度机器人1前四个轴的精度，而六自由度机器人5轴105、6轴106的杆长远小于其他各轴的杆长，将5轴105、6轴106两轴的杆长设置为较短，因此5轴105、6轴106对TCP的误差影响很小，从而达到高精度工具TCP标定。此外，该方法操作及后续数据处理都较为简单，TCP精度可达±0.2mm以内，本发明TCP标定方法减小了对机器人绝对定位精度的依赖，在机器人绝对定位精度较低时，也可以标定出具有较高精度的机器人工具TCP。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高精度工业机器人工具TCP标定方法：包括设有1轴、2轴、3轴、4轴、5轴及6轴的六自由度机器人，利用安装在六自由度机器人末端的靶座、与测量靶座坐标的测量设备，对机器人工具TCP进行标定，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将六自由度机器人的5轴旋转至零位，其他各轴保持静止，只转动六自由度机器人的6轴，使用测量设备测出六自由度机器人的6轴转动过程中m个位置的坐标数据，并记录为P_1,1、P_1,2、…、P_1,m；

步骤2，只转动六自由度机器人的5轴，并保持其他各轴静止，测量设备测出六自由度机器人的5轴转动过程中m个位置的坐标数据，并记录为P_2,1、P_2,2、…、P_2,m；

步骤3，通过步骤1中的坐标数据拟合一个空间圆，并过该空间圆的圆心、方向为该空间圆所在平面的法线方向作一条直线；

步骤4，通过步骤2中的坐标数据再次拟合一个空间圆，并过该空间圆的圆心、方向为该空间圆所在平面的法线方向作另外一条直线；

步骤5，计算步骤3和步骤4中所得两条直线的交点，以该交点P_b(x_b,y_b,z_b)为坐标原点、六自由度机器人的5轴方向(a_x,a_y,a_z)为z轴、六自由度机器人的6轴方向(o_x,o_y,o_z)为x轴，并按照右手法则确定y轴方向(n_x,n_y,n_z)，建立坐标系，得出该坐标系相对于测量设备的位姿矩阵T_b为：

步骤6，建立六自由度机器人5轴及六自由度机器人6轴的位姿变换矩阵T₅、T₆，得出六自由度机器人的正运动学方程：

T_bT₅T₆P_tool＝P

式中，P为测量设备所测的坐标值，P_tool为工具TCP；

步骤7，将步骤1中的和步骤2中的测得的坐标数据利用最小二乘法计算工具TCP的值P_tool：

式中，P_i为第i次测量设备测得的坐标，T_5i为第i次测量时六自由度机器人5轴的位姿矩阵，T_6i为第i次测量时六自由度机器人6轴的位姿矩阵，n为总共测量的坐标数；

六自由度机器人5轴、6轴的杆长小于其他各轴的杆长。

2.根据权利要求1所述的一种高精度工业机器人工具TCP标定方法其特征在于：步骤2、步骤3中空间圆拟合方法步骤如下，

根据将同一组的坐标数据点拟合平面方程，

设平面方程为：

Z＝aX+bY+c

式中，X、Y、Z为平面中任一点的坐标，方程中的a、b、c为待定系数，使用最小二乘法拟合，得出目标函数：

式中，X_i、Y_i、Z_i为平面中第i点的坐标；

根据目标函数取得极小值的必要条件，进一步得出：

解关于a、b、c的线性方程组即可得到平面方程；

通过将同一组的坐标数据点投影至上述所得平面上，利用投影点拟合该平面上的圆，设圆方程为：

x²+y²+Ax+By+C＝0

式中，x、y为圆上任一点的坐标，A、B、C为待定系数，使用最小二乘法拟合，得出目标函数：

式中，x_i、y_i为圆上第i点的坐标；

根据该目标函数取得极小值的必要条件，进一步可得：

解上述关于A、B、C的线性方程组即可得到空间圆的方程。

3.根据权利要求1所述的一种高精度工业机器人工具TCP标定方法其特征在于：步骤1中“零位”指六自由度机器人5轴对应的0刻度角度值。

4.根据权利要求1所述的一种高精度工业机器人工具TCP标定方法其特征在于：所述测量设备为可测量空间坐标的仪器。

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