CN113916200B - 用于机器人与外部轴耦合的标定***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于机器人与外部轴耦合的标定***，包括：用于耦合到机器人的末端轴法兰盘的钢针型标定器；可折叠环形安装板，可折叠环形安装板具有与钢针型标定器适配安装的中心孔，并且在标定过程中，可折叠环形安装板套设在钢针型标定器上，并位于光束发射口的位置；反射镜面，反射镜面的表面设置有正交十字线标记；L形支架，所述L形支架的一端连接反射镜面，另一端耦合到外部轴；L型支架的关节部位采用可旋转调节设计，L形支架的两端采用可伸缩调节结构。通过本发明的标定***，可显著提高检测效率和精度，而且标定精度和效率不再依赖于作业人员的经验，本发明的标定***可操作性好，标定流程直观且易于执行。

Description

用于机器人与外部轴耦合的标定***与方法

技术领域

本发明属于机器人与外部轴耦合标定技术领域，具体而言涉及一种基于垂直反射的机器人与外部轴耦合快速标定装置。

背景技术

TCP为“Tool Central Point”的简称，中文名为工具坐标点，机器人初始状态的TCP是末端轴法兰中心点，当我们用手动或者编程的方式让机器人去接近坐标系的某一点时，其实就是让TCP去靠近这一点。而实际工作时都会在末端法兰上固定一个工具，比如：胶枪，吸盘，焊枪，铣削刀具，激光头等等，此时就需要知道这些工具的作用点与机器人末端轴法兰中心点之间的相对位置关系，以便控制该作用点的运行轨迹，这一找寻相对位置关系的过程就叫做TCP标定。

机器人与外部轴耦合标定是指机器人在作完TCP后，机器人找寻与外部轴间相对位置的过程叫做机器人与外部轴耦合标定，传统的标定过程是通过在外部轴平面找一个离平面中心点较远位置处打个小孔标记，当我们用手动或者编程的方式让机器人去接近该孔并以不同角度去观测使机器人钢针末端与小孔重合且不接触，再旋转或翻转外部轴一定角度，重复上述操作多次，从而实现标定，这种标定方式不宜观测钢针与孔位是否较好重合，并且容易发生碰撞，使得测量结果误差很大而作废，效率很低。

发明内容

本发明第一方面的目的在于提供一种用于机器人与外部轴耦合的标定***，包括：

用于耦合到机器人的末端轴法兰盘的钢针型标定器，所述钢针型标定器被设置用于发射光束、接收反射光束以及根据接收反射光束进行测距；

可折叠环形安装板，所述可折叠环形安装板具有与所述钢针型标定器适配安装的中心孔，并且在标定过程中，所述可折叠环形安装板套设在所述钢针型标定器上，并位于光束发射口的位置；

反射镜面，所述反射镜面的表面设置有正交十字线标记，并且在标定过程中，所述反射镜面的表面朝向钢针型标定器的光束发射口方向；

L形支架，所述L形支架的一端连接反射镜面，另一端耦合到外部轴；

其中，所述L型支架的关节部位采用可旋转调节设计，并且L形支架的两端均采用可伸缩调节结构。

优选地，所述L形支架耦合到外部轴的另一端的端部设置有第一磁吸部，通过第一磁吸部吸附到所述外部轴的表面。

优选地，所述钢针型标定器具有纵长型的主体部，所述主体部定义了与机器人的末端轴法兰盘耦合的第一端以及作为光束发射口的第二端，所述第一端的端部设置有第二磁吸部，通过第二磁吸部吸附到所述机器人的末端轴法兰盘上。

优选地，所述可折叠环形安装板具有围绕中心孔并且在圆周方向上呈连续且均匀分布的扇形折叠板，每个扇形折叠板被设置成在径向成多级折叠。

优选地，每个所述扇形折叠板可独立地***作折叠或者展开。

优选地，所述反射镜面与所述外部轴的平面齐平。

优选地，发射的光束为红光激光束，采用红光激光器进行驱动和激发。

本发明第二方面的目的在于提供一种用于机器人与外部轴耦合的标定方法，包括以下步骤：

步骤1、将L型支架的两端部分别与反射镜面、外部轴耦合连接；

步骤2、通过调节L型支架使反射镜面与外部轴的平面齐平；

步骤3、将可折叠环形安装板与钢针型标定器组合，即：将可折叠环形安装板通过其中心孔套在钢针型标定器的光束发射口的一端上，二者之间成正交状态，并将钢针型标定器的另一端耦合连接到机器人的末端轴法兰盘上；

步骤4、将钢针型标定器连接上位机，通过上位机控制发射光束以及根据返回的光束进行测距处理，并可通过钢针型标定器表面的显示器实时显示测距结果的距离数值；

步骤5、通过移动和调节机器人的末端轴，使钢针型标定器发出的细小明亮的光斑与反射镜面的正交十字线标记的中心对齐；

步骤6、当光斑与反射镜面的正交十字线标记的中心对齐后，通过微调机器人的末端轴使得由反射镜面反射光束的光斑照射在可折叠环形安装板上，并且反射光束的光斑位于可折叠环形安装板的中心，即反射光束的光斑沿可折叠环形安装板的中心孔以及与发射光路相反的方向返回钢针型标定器；

步骤7、当下述三个条件都达成时，完成一次测量：1)发射光束产生的光斑位于反射镜面的正交十字线标记的中心；2)反射光束的光斑沿可折叠环形安装板的中心孔以及与发射光路相反的方向返回钢针型标定器；3)钢针型标定器接收到返回的反射光束；

步骤8、通过旋转或者翻转外部轴一定角度，重复上述过程2-7，完成第二次测量；

步骤9、在步骤8调整后的角度的基础上，重复上述过程6、7，完成第三次和第四次，实现最终的标定。

其中，所述步骤6中，进一步包括以下步骤：

根据机器人的姿态判断可折叠环形安装板是否与机器人的末端轴/外部轴发生机械上的干涉，如果不发生机械干涉，则将各扇形折叠板全部打开，如果机器人的末端轴/外部轴与可折叠环形安装板之间存在干涉位置，则将干涉位置的扇形折叠板折叠。

其中，所述步骤7中，进一步包括以下步骤：

当所述的条件1)-3)均满足时，在钢针型标定器上予以可视性表征。

由以上本发明的技术方案可见，本发明提出的用于机器人与外部轴耦合的标定***通过***的优化设计，包括两端可伸缩的L型支架、钢针型标定装置(集成红光发射、反射光采集、目标点测距、反馈信号显示、可支持通信)以及可伸缩折叠的环形安装板的配合。标定过程中，在机器人的末端轴法兰盘上安装钢针型标定装置，在标定装置上安装环形安装板，在外部轴上安装可伸缩的L型支架，其关节可旋转以利于调节，使用标定装置发射红光，通过手动操作机器人，使得该钢针型标定装置尖端处发射的红光在空间三维坐标系与带正交十字刻线标记的反射镜面正交垂直，实现外部轴的耦合标定。

在以往的现有的标定方式中，需要先在外部轴上较远距离平面上开个针形小孔，再手动移动机器人上固定的钢针与外部轴上针形小孔对齐，通过移动机器人和外部轴来回进行四次对齐操作才能实现标定，这样既容易发生碰撞，又难于观测是否对齐，会导致测量精度降低，误差范围较高，而重新标定，本发明提出的标定方式中，通过基于垂直反射的机器人与外部轴耦合手动快速标定装置标定，因为L型支架可调节可使平面镜与外部轴表面齐平避免在外部轴平面上开孔，测量不需要直接接触，通过发送红光激光光束及反射光的采集便于观测，对标定精度和效率都会有较大提升。

与现有技术相比，本发明的机器人与外部轴耦合的标定***，具有如下显著的有益效果与优点：

1)钢针型标定装置，通过磁性底座的设计可快速拆装标定用钢针型标定装置；

2)L型支架的设计，用于耦合到反射镜面和外部轴，其两端可伸缩，关节处可调节的设计，可使用于多种形状尺寸的外部轴；支架的末端采用磁性底座的设计可快速进行耦合连接；

3)可折叠的环形安装板，每个扇形面可伸缩折叠的设计，适用于机器人多种角度且避免与机器人干涉，标定过程不会发生碰撞；而且全部折叠后，折叠缩小后为较小的环形物，每一块扇面可单独打开，当全部打开后为一个较大的环形平面，既方便于存储和使用，在使用过程中大尺寸的展开的状态也保证能够接收到光斑，利于观测和调节，避免刚开始就找不到反射光斑的问题，同时采用红光激光束，醒目易于观察；

4)通过设计第一指示模块，例如绿光指示模块，能清晰显示标定动作的完成，利于直观观察到标定结果和完成状态，以进行下一步的标定处理；

5)通过设计第一指示模块，例如距离数显装置，能清晰显示标定装置与外部轴标定点位置；

6)通过本发明的标定***，可显著提高检测效率和精度，而且标定精度和效率不再依赖于作业人员的经验，本发明的标定***可操作性好，标定流程直观且易于执行，即使新人也能够很快熟练掌握和使用，利于实现。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是根据本发明实施例的用于机器人与外部轴耦合的标定***的示意图。

图2是根据本发明实施例的钢针型标定器的原理示意图。

图3是根据本发明实施例的可折叠环形安装板的扇面打开与折叠状态的示意图。

图4是根据本发明实施例的可折叠环形安装板的扇面打开与折叠状态的俯视图

图5是根据本发明实施例的发射光束的光斑在反射镜面上的位置示意图，其中左侧为机器人末端轴调节前的示意，右侧为调整后使得光斑与反射镜面的正交十字线标记的中心对齐的示意。

图6是根据本发明实施例的反射光束的光斑在可折叠环形安装板上的位置示意图，其中左侧为机器人末端轴调节前的示意，右侧为调整后使得反射光束的光斑位于可折叠环形安装板的中心的示意。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

机器人与外部轴耦合的标定***

结合图1所示，根据本发明示例性实施例的用于机器人与外部轴耦合的标定***，包括钢针型标定器10、可折叠环形安装板20、反射镜面30以及L形支架40。

在标定***中，可折叠环形安装板20正交地安装在钢针型标定器10的激光光束发射端口，反射镜面30安装在L形支架40的一端，L形支架40的另一端耦合到外部轴100。标定过程中，调整反射镜面30与外部轴100的平面齐平，通过钢针型标定器10发射红光激光光束，通过操作机器人，使得钢针型标定器10尖端处发射的红光激光光束在空间三维坐标系与带十字刻线的反射镜面正交垂直，实现外部轴耦合标定。

其中L形支架40设计有旋转关节和可伸缩的两端，标定过程中，通过L形支架40的旋转或者翻转，可实现与外部轴的位置关系的变化，进行多次标定。

由此，可避免以往现有技术中需要在外部轴平面找一个离平面中心点较远位置处打个小孔标记进行标记带来的问题，通过本发明的基于垂直反射的机器人与外部轴耦合手动快速标定装置标定，因为L型支架可调节可使反射镜面与外部轴表面齐平，避免在外部轴平面上开孔，测量不需要直接接触，通过发送红光激光光束及反射光束的采集便于观测，对标定精度和效率都有较大提升。

钢针型标定器

用于耦合到机器人的末端轴法兰盘的钢针型标定器10，被设置用于发射光束、接收反射光束以及根据接收反射光束进行测距。

如图1所示的示例中，钢针型标定器10具有纵长型的主体部，所述主体部定义了与机器人的末端轴法兰盘耦合的第一端10A以及作为光束发射口的第二端10B，第一端10A的端部设置有磁吸部，如此，钢针型标定器10可通过磁吸部吸附到机器人的末端轴法兰盘上，实现快速吸附与配合。

如图1、2所示的示例中，主体部设置有多个功能模块设计，包括微处理器14、第一指示模块11、第二指示模块12、通信接口、激光发射模块15A、接收模块15B、激光测距模块15C以及电源模块19。

应当理解，前述的通信接口，例如232通信接口13A、485通信接口13B、RJ45网络接口13C等，其旨在实现钢针型标定器10与上位机之间的通信。

前述的第一指示模块11、第二指示模块12可采用例如LED显示屏、LCD显示屏、LED指示灯等提供人眼可视反馈的指示模块。

激光发射模块15A，用于发射光束，例如优选采用红光激光发射模块，可受控地发射红光激光光束，其在反射镜面30上形成的红色光斑醒目且易于观察到，便于进行调整和对齐。

接收模块15B，用于接收发射的激光光束到达反射镜面30后的由其反射形成的反射光束。

激光测距模块15C，用于根据接收到的反射光束进行激光测距。

在可选的实施例中，激光测距模块15C可采用基于TOF方式的测距处理，获得距离数据。

优选的实施例中，第一指示模块11设置在主体部的表面，用于表征钢针型标定器接收到反射光束，其优选采用绿光LED指示灯，例如当收到反射光束时，点亮绿光LED指示灯1s、绿光LED指示灯快速闪烁2次等方式，或采用其他方式提示收到反射光束。

优选的实施例中，第二指示模块12设置在主体部表面，用于表征测距结果的距离数值，其优选采用可显示数字信息的指示模块，例如LED显示屏等。

可折叠环形安装板

可折叠环形安装板20，具有与钢针型标定器10适配安装的中心孔21，在标定过程中，可折叠环形安装板20通过其中心孔21套设在所述钢针型标定器上，并位于光束发射口的位置。

可折叠环形安装板20采用可折叠伸缩设计，折叠缩小后为较小的环形形状，每一块扇面可单独打开，当全部打开后为一个较大的环形平面。

其中，可折叠环形安装板20与钢针型标定器10之间成正交状态(即中心轴线垂直)。

结合图3、4所示，可折叠环形安装板20还具有围绕中心孔21设置并且在圆周方向上呈连续且均匀分布的扇形折叠板22，每个扇形折叠板22被设置成在径向成多级折叠。

其中，每个扇形折叠板22可独立地***作折叠或者展开。

应当理解，在标定过程中，可折叠环形安装板20***作成打开状态，具有较大的环形平面，便于接收和观察、调整反射光束的光斑。

由此，在标定过程中，当发生某个角度情况下，可折叠环形安装板20与机器人/外部轴发生机械干涉时，可将发生干涉的扇形折叠板22折叠。

反射镜面

反射镜面30，与L形支架40连接。其中，L形支架40的一端连接到反射镜面30的底部。反射镜面30的朝向钢针型标定器的光束发射口方向的表面设有正交十字线标记，如图1所示。

L形支架

L形支架40，结合图示的示例，其一端连接反射镜面30的底部，另一端耦合到外部轴。

优选的实施例中，L形支架40耦合到外部轴的另一端的端部设置有磁吸部，通过磁吸部吸附到外部轴100的表面。

优选的实施例中，L型支架40的关节部位采用可旋转调节设计，例如360°全向调节，L形支架的两端均采用可伸缩调节结构。如此，可实现多个角度和位置的调节。

标定方法

结合图1、图5、图6所示，利用本发明实施例提出的标定***进行机器人与外部轴耦合的标定过程，包括以下步骤：

步骤1、将L型支架40的两个端部分别与反射镜面30、外部轴100耦合连接；

步骤2、通过调节L型支架40使反射镜面30与外部轴100的平面齐平；

步骤3、将可折叠环形安装板20与钢针型标定器10组合，即：将可折叠环形安装板20通过其中心孔21套在钢针型标定器10的光束发射口的一端上，二者之间成正交状态，并将钢针型标定器10的另一端耦合连接到机器人的末端轴法兰盘上，例如通过磁吸部进行快速耦合连接；

步骤4、将钢针型标定器10连接上位机，通过上位机控制发射光束以及根据返回的反射光束进行测距处理，并可通过钢针型标定器10表面的显示器(例如第二指示模块12)实时显示测距结果的距离数值；

步骤5、通过移动和调节机器人的末端轴，使钢针型标定器10发出的光束16形成的细小明亮的光斑(即发射光斑)与反射镜面的正交十字线标记的中心对齐，如图5所示；其中细小明亮的光斑尤其是指光斑尺寸特别细小且明亮尺寸低于1mm的光斑；尤其是如前述的利于观察的红光光斑；

步骤6、当光斑与反射镜面30的正交十字线标记的中心对齐后，通过微调机器人的末端轴使得由反射镜面30反射后的反射光束18形成的光斑(即反射光斑)照射在可折叠环形安装板20上，并且反射光束形成的光斑位于可折叠环形安装板20的中心，如图6所示，即反射光束形成的光斑沿可折叠环形安装板的中心孔21以及与发射光路相反的方向返回钢针型标定器10；

步骤7、当下述三个条件都达成时，完成一次测量标定：1)发射光束产生的光斑位于反射镜面的正交十字线标记的中心；2)反射光束的光斑沿可折叠环形安装板的中心孔以及与发射光路相反的方向返回钢针型标定器；3)钢针型标定器接收到返回的反射光束；

步骤8、通过旋转或者翻转外部轴一定角度，重复上述过程2-7，完成第二次测量标定；

步骤9、在步骤8调整后的角度的基础上，重复上述过程6、7，完成第三次和第四次，实现最终的标定。

在可选的实施例中，前述步骤6中，进一步包括以下步骤：

根据机器人的姿态判断可折叠环形安装板20是否与机器人的末端轴/外部轴发生机械上的干涉，如果不发生机械干涉，则将各扇形折叠板全部打开，如果机器人的末端轴/外部轴与可折叠环形安装板之间存在干涉位置，则将干涉位置的扇形折叠板折叠。

在可选的实施例中，所述步骤7中，进一步包括以下步骤：

当所述的条件1)-3)均满足时，在钢针型标定器上予以可视性表征，例如通过前述第一指示模块11进行表征。

在本实施例中，通过绿光LED指示灯快速闪烁2次进行提示完成一次测量标定。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种用于机器人与外部轴耦合的标定***，其特征在于，包括：

用于耦合到机器人的末端轴法兰盘的钢针型标定器，所述钢针型标定器被设置用于发射光束、接收反射光束以及根据接收反射光束进行测距；

可折叠环形安装板，所述可折叠环形安装板具有与所述钢针型标定器适配安装的中心孔，并且在标定过程中，所述可折叠环形安装板套设在所述钢针型标定器上，并位于光束发射口的位置；

反射镜面，所述反射镜面的表面设置有正交十字线标记，并且在标定过程中，所述反射镜面的表面朝向钢针型标定器的光束发射口方向；

L形支架，所述L形支架的一端连接反射镜面，另一端耦合到外部轴；

其中，所述L形支架的关节部位采用可旋转调节设计，并且L形支架的两端均采用可伸缩调节结构；

所述可折叠环形安装板具有围绕中心孔并且在圆周方向上呈连续且均匀分布的扇形折叠板，每个扇形折叠板被设置成在径向成多级折叠；每个扇形折叠板能独立地***作折叠或者展开；

所述反射镜面与所述外部轴的平面齐平；

其中，所述L形支架耦合到外部轴的另一端的端部设置有第一磁吸部，通过第一磁吸部吸附到所述外部轴的表面；

所述钢针型标定器具有纵长型的主体部，所述主体部定义了与机器人的末端轴法兰盘耦合的第一端以及作为光束发射口的第二端，所述第一端的端部设置有第二磁吸部，通过第二磁吸部吸附到所述机器人的末端轴法兰盘上。

2.根据权利要求1所述的用于机器人与外部轴耦合的标定***，其特征在于，所述主体部内设置有用于发射光束的激光发射模块、用于接收反射光束的接收模块以及用于根据接收到的反射光束进行距离检测的激光测距模块。

3.根据权利要求1所述的用于机器人与外部轴耦合的标定***，其特征在于，所述主体部表面设置有用于表征钢针型标定器接收到反射光束的第一指示模块。

4.根据权利要求1所述的用于机器人与外部轴耦合的标定***，其特征在于，所述主体部表面设置有用于表征测距结果的距离数值的第二指示模块。

5.根据权利要求1所述的用于机器人与外部轴耦合的标定***，其特征在于，所述主体部还设置有通信接口。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的用于机器人与外部轴耦合的标定***的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将L型支架的两端部分别与反射镜面、外部轴耦合连接；

步骤2、通过调节L型支架使反射镜面与外部轴的平面齐平；

步骤3、将可折叠环形安装板与钢针型标定器组合，即：将可折叠环形安装板通过其中心孔套在钢针型标定器的光束发射口的一端上，二者之间成正交状态，并将钢针型标定器的另一端耦合连接到机器人的末端轴法兰盘上；

步骤4、将钢针型标定器连接上位机，通过上位机控制发射光束以及根据返回的光束进行测距处理，并可通过钢针型标定器表面的显示器实时显示测距结果的距离数值；

步骤5、通过移动和调节机器人的末端轴，使钢针型标定器发出的细小明亮的光斑与反射镜面的正交十字线标记的中心对齐；

步骤6、当光斑与反射镜面的正交十字线标记的中心对齐后，通过微调机器人的末端轴使得由反射镜面反射光束的光斑照射在可折叠环形安装板上，并且反射光束的光斑位于可折叠环形安装板的中心，即反射光束的光斑沿可折叠环形安装板的中心孔以及与发射光路相反的方向返回钢针型标定器；

步骤7、当下述三个条件都达成时，完成一次测量：1）发射光束产生的光斑位于反射镜面的正交十字线标记的中心；2）反射光束的光斑沿可折叠环形安装板的中心孔以及与发射光路相反的方向返回钢针型标定器；3）钢针型标定器接收到返回的反射光束；

步骤8、通过旋转或者翻转外部轴一定角度，重复上述过程2-7，完成第二次测量；

步骤9、在步骤8调整后的角度的基础上，重复上述过程6、7，完成第三次和第四次，实现最终的标定。

7.根据权利要求6所述的用于机器人与外部轴耦合的标定***的标定方法，其特征在于，所述步骤6中，进一步包括以下步骤：

根据机器人的姿态判断可折叠环形安装板是否与机器人的末端轴/外部轴发生机械上的干涉，如果不发生机械干涉，则将各扇形折叠板全部打开，如果机器人的末端轴/外部轴与可折叠环形安装板之间存在干涉位置，则将干涉位置的扇形折叠板折叠。

8.根据权利要求6所述的用于机器人与外部轴耦合的标定***的标定方法，其特征在于，所述步骤7中，进一步包括以下步骤：

当所述的条件1）-3）均满足时，在钢针型标定器上予以可视性表征。