一种多点激光测距分布式机器人校准系统的制作方法

1.本实用新型涉及的是一种机器人校准系统，具体是一种多点激光测距分布式机器人校准系统。


背景技术：

2.工业机器人的运动精度对于它在生产中的应用可靠性起着至关重要的作用。在工业机器人的制造生产中需要对组装好的机器人进行重复度和准确度检测，在工业机器人的使用过程之中也需要经常性地对机器人末端的位置精度进行测试与校准。而机器人末端执行器位置参数（tcp）是机器人离线编程及机器人末端工具误差校正的基础，研究快速、准确的tcp校准方法对保证工业现场环境下机器人系统顺利正常工作至关重要。
3.目前工业机器人校准方法主要有以下几种：
4.（1）激光跟踪法：这是目前大部分的工业机器人生产商与应用商所采用的校准方法，在机器人末端安装反射镜，讲激光跟踪仪置于机器人附近并对转反射镜，利用激光跟踪仪实时测量机器人末端的三维空间坐标,由此实现机器人末端三维坐标的校准。该方法的优势在于非接触、精度高、测量范围大、通用性强。但是，这种方法也存在着操作复杂、校准效率低、调试检测速度慢、生产线停机时间长、容易因遮光而产生中断等问题，而且对检测人员专业技能要求也很高，特别是整套成本高昂（百万以上），并不适合工业机器人大批量生产与应用的校准需求。
5.（2）拉绳法：这种方法采用3～4个拉绳传感器置于机器人附近，由机器人末端拉动所有绳的公共端并移动，由此实现对机器人末端空间三维坐标进行实时测量与校准。采用拉绳传感器组成的校准系统具有成本低（约30万）、适用性广的优点。但是，该方法术语接触时测量，组装调试费时费力、效能差、停机时间长，而且校准精度较低，因此使用也受到限制。
6.（3）双目立体视觉法：部分学者和厂商提出了基于双目立体视觉的校准方法，将双目立体视觉探头安装于机器人末端，在机器人附近某个位置安装特殊形状的检测器（例如球形），通过对检测器进行检测来实现机器人末端三维坐标的在线校准。该方法具有非接触、成本低、通用性强的特点，而且可以实现在线校准等优势。但是，该方法只能对某个固定点进行校准，而且存在精度较低、机器人末端由带动电子器件移动而产生电缆拖曳等弊端。
7.（4）激光测距法：部分学者提出了基于激光三角测距原理的校准方法，利用三个或六个激光位移传感器形成一体式校准器，安装于机器人附近某个位置，将特制的反射体安装于机器人末端并随机器人一同移动，从而可以实现机器人末端三维坐标及姿态的在线校准。该方法具有非接触、精度高、成本低、通用性强的特点，而且可以实现在线校准等优势。为了克服该方法只能对某个固定点进行校准的缺陷与不足，部分学者提出了多点分布式校准的技术方案，利用三个或六个激光位移传感器安装于机器人末端并形成校准头，采用多组反射体分布于机器人附近多个补贴位置，从而可以实现多点分布式校准。但是，该技术方案仍然存在机器人末端由带动电子器件移动、产生电缆拖曳的弊端。
8.因此，市场需要一种新的精度高、成本低、多点分布式且无电缆拖曳的工业机器人校准系统。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于针对现有工业机器人校准系统存在的问题与不足，提出一种新的多点激光测距分布式机器人校准系统与方法。该系统采用多组基于激光测距原理形成的一体式校准器分布于机器人附近空间内的不同位置，将特制的反射体安置于机器人末端并随机器人一同移动，从而可以实现机器人末端在空间多个不同位置的位置与姿态在线校准。该技术方案具有非接触、高精度、在线校准的特点，而且系统组成简单、成本低、组装调试方便、无电缆拖曳现象、长期工作稳定可靠的优点。
10.本实用新型是通过以下技术方案实现的：
11.本实用新型的多点激光测距分布式机器人校准系统由校准器、反射体和控制器三个部分组成。校准器有多个，内置多个激光测距传感器，分布安装于机器人工作空间内的多个不同位置；反射体安置于机器人末端并随机器人一同移动到达每个校准器的检测范围内；控制器通过电缆与所有的校准器相连，对每个校准器进行控制并采集相应的反射体中心的三维坐标，通过电缆提供给机器人控制器或控制机器人的上位机。该校准系统采用激光测距原理进行校准，具有精度高、非接触、成本低、操作简单的优势。该校准系统采用多个校准器分布于机器人工作空间，通过一根电缆串联在一起，可实现多点校准，灵活多变、通用性强。该校准系统采用的传感器均内置于校准器之中，所有校准器均通过电缆互连，并最终与控制器相连，而安置于机器人末端的反射体没有任何电子器件，不会产生电缆拖曳现象。此外，本实用新型提出一种基于上述校准系统的坐标系对齐方法，仅需机器人带动反射体沿着机器人坐标系内一条直线方向移动一段距离，即可实现校准系统于机器人的坐标系对齐，简单、方便、迅捷、高效。
12.本实用新型的多点激光测距分布式机器人校准系统的特殊之处在于，所述的校准系统由校准器、反射体、控制器和电缆组成，其中：
13.所述的校准器有多个，分布安装于机器人工作空间内的多个不同位置，各校准器之间通过电缆串联在一起；每个校准器内置多个激光测距传感器，可以快速测量反射体中心点的三维坐标及姿态角度；
14.所述的反射体只有一个，安置于机器人的末端，可随机器人的末端一同移动；当反射体到达任何校准器的检测范围之中时，其中心点的三维坐标及姿态可由校准器检测获得；
15.所述的控制器安置于机器人附件某个位置，通过电缆与一个校准器相连，进而与所有的校准器相连；控制器对每个校准器进行控制并采集相应的反射体中心点的三维坐标，通过电缆提供给机器人控制器或控制机器人的上位机。
16.本实用新型的多点激光测距分布式机器人校准系统的特殊之处还在于，所述的校准器内置三个测距传感器组，三个测距传感器组互相正交于同一点；每个测距传感器组内包含有一个或多个平行并列布置的测距传感器。
17.本实用新型的多点激光测距分布式机器人校准系统的特殊之处在于，所述的测距传感器为非接触式绝对位移传感器，与反射体没有接触，不影响机器人末端移动的动态特
性，而且校准速度快。
18.本实用新型的多点激光测距分布式机器人校准系统特殊之处在于，所述的控制器与校准器之间、校准器与校准器之间是通过串行总线相连的，而且控制器和每个校准器都具有两个功能完全相同的通讯接口，便于控制器与校准器、校准器与校准器之间的串行连接和级联。
19.本实用新型提出一种基于上述校准系统的坐标系对齐方法，具体过程如下：
20.（1）首先，将校准器安置于机器人工作区域内的某个校准点位置处，保证校准仪的坐标轴方向与机器人的坐标轴方向基本一致；
21.（2）机器人带动反射体移动到该校准器的检测范围之内，停稳之后，此位置称之为初始点位置；
22.（3）机器人带动反射体沿着机器人坐标系内一个具有约定矢量的直线方向移动一段距离，校准器自动连续测量反射体中心的三维坐标，并将坐标检测结果传送至控制器；
23.（4）控制器对上述坐标测量结果进行处理，通过直线拟合得到一条空间直线，并计算其在校准器坐标系内的矢量；
24.（5）控制器将约定的机器人坐标系矢量与计算得到的校准器坐标系中的矢量相除，得到三个坐标轴方向的矢量修正因子，即为三个坐标轴方向的修正系数；
25.（6）控制器利用上述三个修正系数对后续的反射体中心点的三维坐标值进行修正，从而可以得到相对于机器人坐标系的坐标值，从而实现了校准器坐标系与机器人坐标系的对齐。
附图说明
26.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
27.图1为本实用新型的机器人校准系统组成原理示意图；
28.图2为本实用新型的校准器组成原理示意图；
29.图3为本实用新型的控制器与校准器的链接原理示意图。
30.图中，1为校准器，2为反射体，3为控制器，4为电缆，5为机器人，6为测距传感器组，7为测距传感器，8为通讯接口。
具体实施方式
31.下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
32.本实用新型的多点激光测距分布式机器人校准系统的特殊之处在于，所述的校准系统由校准器1、反射体2、控制器3、电缆4组成，如图1所示，其中：
33.所述的校准器1有多个，例如图1中有4个校准器，分布是1a、1b、1c和1d；所有的校准器1分布安装于机器人5的工作空间内的多个不同位置，例如图1中4个校准器1a、1b、1c和1d分布位于反射体2的四周；各校准器1之间通过电缆4串联在一起，例如图1中校准器1a与1b相连、1b与1c相连、1c与1d相连；每个校准器1内置多个测距传感器6，可以快速测量反射体2中心点的三维坐标及姿态角度；
34.所述的反射体2只有一个，安置于机器人5的末端，可随机器人5的末端一同移动，当反射体2到达任何一个校准器1的检测范围之中时，其中心点的三维坐标及姿态可由校准器1检测获得；
35.所述的控制器3安置于机器人5附近的某个位置，通过电缆4与一个校准器1相连（图中，控制器4与校准器1a直接相连），进而与所有的校准器1相连；控制器3对每个校准器1进行控制并采集相应的反射体2中心点的三维坐标，通过电缆4提供给机器人5的控制器或控制机器人5的上位机。
36.本实用新型的多点激光测距分布式机器人校准系统的特殊之处还在于，所述的校准器1内置三个测距传感器组6，例如图2所示的6a、6b和6c；三个测距传感器组6互相正交于同一点；每个测距传感器组6内部包含有一个或多个平行并列布置的测距传感器7，例如，图2所示的测距传感器组6内部包含有两个测距传感器7a和7b。
37.本实用新型的多点激光测距分布式机器人校准系统的特殊之处在于，所述的测距传感器7为非接触式绝对位移传感器，与反射体2没有接触，不影响机器人5的末端移动的动态特性，而且校准速度快；例如，可以采用激光三角测距原理工作的激光位移传感器。
38.本实用新型的多点激光测距分布式机器人校准系统特殊之处在于，所述的校准器1与校准器1之间、校准器1与控制器3之间均是通过串行总线相连的，例如rs-485总线；而且每个校准器1和控制器3均具有两个功能完全相同的通讯接口8a与8b，便于校准器1与校准器1之间、校准器1与控制器1之间的串行连接和级联，如图3所示。
39.本实用新型提出一种基于上述校准系统的坐标系对齐方法，具体过程如下：
40.（1）首先，将校准器1安置于机器人5的工作区域内的某个校准点位置处，保证校准仪的坐标轴（x
´y´z´
）方向与机器人的坐标轴（xyz）方向基本一致；
41.（2）机器人5带动反射体2移动到该校准器1的检测范围之内，停稳之后，此位置称之为初始点位置；
42.（3）机器人5带动反射体2沿着机器人5坐标系（xyz）内一个具有约定矢量的直线方向移动一段距离，例如约定的xyz三个坐标轴方向的矢量分布为m、n、p，即反射体2移动的直线方程为x/m = y/n = z/p；校准器1自动连续测量反射体2中心点的三维坐标(x
´
i,y
´
i,z
´
i) (i=1,2,
…
,n)，并将此检测结果传送至控制器3；
43.（4）控制器3对上述坐标测量结果(x
´
i,y
´
i,z
´
i) (i=1,2,
…
,n)进行处理，通过直线拟合得到一条空间直线，其直线方程为x
´
/m
´ꢀ
= y
´
/n
´ꢀ
= z
´
/p
´
，则该直线在校准器坐标系（x
´y´z´
）内的矢量即为m
´
、n
´
、p
´
；
44.（5）控制器3将约定的机器人5坐标系（xyz）的矢量（m、n、p）与计算得到的校准器1坐标系（x
´y´z´
）中的矢量（m
´
、n
´
、p
´
）相除，可以得到三个坐标轴（x
´y´z´
）方向的矢量修正因子，即为三个坐标轴方向的修正系数，即：kx = m/m
´
，ky = n/n
´
，kz = p/p
´
；
45.（6）控制器3对后续的反射体2中心点的三维坐标值(x
´
,y
´
,z
´
)进行修正，从而可以得到相对于机器人5坐标系（xyz）的坐标值，从而实现了校准器1坐标系（x
´y´z´
）与机器人5坐标系（xyz）的对齐。
46.与现有技术相比，本实用新型的点激光测距分布式机器人校准系统及坐标系对齐方法的有益效果是：
47.（1）本实用新型的校准系统采用激光测距原理进行校准，具有精度高、非接触、成
本低、操作简单的优势。
48.（2）本实用新型的校准系统采用多个校准器分布于机器人工作空间，通过一根电缆串联在一起，可实现多点校准，灵活多变、通用性强。
49.（3）本实用新型的校准系统采用的传感器均内置于校准器之中，所有校准器均通过电缆互连，并最终与控制器相连，而安置于机器人末端的反射体没有任何电子器件，不会产生电缆拖曳现象。
50.（4）此本实用新型的坐标系对齐方法仅需机器人带动反射体沿着机器人坐标系内一条直线方向移动一段距离，即可实现校准系统与机器人的坐标系对齐，简单、方便、迅捷、高效。