专利名称：一种基于激光跟踪测量的机器人工具坐标系自动标定装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于激光跟踪测量的机器人工具坐标系自动标定装置及方法。
背景技术：
现代制造业中大量使用工业机器人实现自动化生产，主要通过工具快换法兰快速 抓放大量模块化工装来实现。机器人以其极高的重复定位精度、较高的绝对定位精度、高度 的柔性、较小的安装空间需求和可编程控制等特点，保证其具有比较大的灵活作业空间的 同时，保证了总体布局设计上的结构紧凑性和作业空间开敞性，在现代制造业中得到广泛 应用。工具快换法兰是保证机器人“一机多能”的重要部件。工具快换法兰通过气动控制 实现快换法兰两部分的自动锁紧和分离，它通过球面副实现容错锁闭，可自动适配，并可以 传送电、气和控制信号。工具快换法兰多个母端分别装上精确制孔高速电主轴、激光跟踪仪 六自由度反射器T-Mac或T-Probe、位移传感器、打号装置等执行器，可以使工业机器人从 事高速精确制孔、测量与检测、打制记号等各种工作。通过机器人发出的气动控制信号，工 业机器人可以在不同作业工序，利用工具快换法兰公端迅速准确地吸合不同工具快换法兰 母端进行工作。为了实现系统的各种功能和精度，必须构建不同工具与机器人的位姿转换关系。 各工具坐标系的创建与标定是系统初始化必须完成的重要工作之一，其创建与标定将直接 影响到机器人的工作和精度。构建和标定机器人坐标系可以精确地确定工具在机器人末端手腕坐标系下的位 姿，机器人便可准确使用工具。构建和标定机器人工具坐标系的传统方法仅仅提出了对尖法，操作复杂而且效 率、精度较低，大多数没有给出标定后具体精度的数值指标。机器人工具坐标系的构建与标定过程是一个极其繁琐而复杂的过程，本发明提出 了一种快速简单精准的方法来构建与标定机器人工具坐标系。采用激光跟踪仪来测量一系 列点并进行位姿匹配计算，可以实现前述坐标系的构建与标定。该方法具有操作简单、精度 高、可靠性强等优点。
发明内容
本发明的目的是针对机器人工具坐标系的构建与标定，提供一种基于激光跟踪测 量的机器人工具坐标系自动标定装置及方法。基于激光跟踪测量的机器人工具坐标系自动化标定装置包括机器人、靶标法兰、 靶标安装孔、激光跟踪仪、工具、上位机；机器人上安装有靶标法兰、工具，靶标法兰上有6 个靶标安装孔，机器人外侧设有激光跟踪仪、上位机。所述的机器人的标定误差减少到0. 103657mm。所述的上位机、机器人、激光跟踪仪之间通过RS485以太网连接实现Socket通讯，以字符串的形式发送数据、命令、请求，通过上位机完成测量数据和计算数据的备份和保存。标定机器人工具坐标系的步骤如下1)机器人回机械原点，通过机器人记下当前的位置，使机器人绕机器人末端手腕 坐标系旋转和沿机器人末端手腕坐标系移动时以该姿态为同一起点；2)机器人回机械原点，绕机器人末端手腕坐标系的X、Y、Z轴各旋转若干点，测量 靶标在激光跟踪仪坐标系下的位置，记为ΡχΗ、Ρ_、Ρ&， = 1,2...；3)机器人回机械原点，沿机器人末端手腕坐标系的X、Y、Z轴各移动若干点，测量 靶标在激光跟踪仪坐标系下的位置，记为Pxli、Pyli、Pzli，i = 1,2...；4)机器人回机械原点，测量靶标在激光跟踪仪坐标系下的位置，记为(Xto，yP0, Ζpo)‘5)通过坐标测量得出靶标在机器人末端手腕坐标系下的位置。6)激光跟踪仪测量并拟合圆柱类工具在激光跟踪仪坐标系下的位姿用轴线矢量 (a, b，c)和工具原点( (1)，Y0 (1)，zQ (1))，其中1为工具长度表示；7)激光跟踪仪测量3 6个靶标在激光跟踪仪坐标系下的坐标，记为PKi，i = 1， 2,. . . m ；8)获取3 6个靶标在机器人工具坐标系下的位置关系；9)将3 6个靶标在机器人末端手腕坐标系下和机器人工具坐标系下的位置关系 进行匹配分析计算，获取机器人末端手腕坐标系到机器人工具坐标系的位姿转换矩阵，标 定机器人工具坐标系。所述的将3 6个靶标在机器人末端手腕坐标系下和机器人工具坐标系下的位置 关系进行匹配分析计算，获取机器人末端手腕坐标系到机器人工具坐标系的位姿转换矩阵 的步骤为记测量3 9个靶标的实际坐标为Pa、理论坐标为PB，PAi，i = 1,2,... ,m为空间 固定靶标的实际坐标，PBi, i = 1,2,... ,m为空间固定靶标的理论坐标；姿态计算是实际测量坐标值到理论坐标值一个刚性转换aTb Pb = aTbXPa (1)该刚性变换aTb可表达为一个旋转变化R和一个平移变换t的组合，即Pb = aTbXPa = RX PA+t (2)由于测量误差的存在，变换后的结果不能完全等于理论的坐标值，即ζ = PBi-(RXPAi+t), ζ 为误差矩阵。(3)式中，{xAi’，yAi’，zAi’ }为PAi经旋转变化和一个平移变换后的坐标值，{xAi，yAi， ZaJ为PBi的坐标值。令Di;i = 1，2，...，m为靶标对应测量点转换后与理论点之间的距离，即
权利要求
1.一种基于激光跟踪测量的机器人工具坐标系自动化标定装置，其特征在于包括机器 人(1)、靶标法兰(2)、靶标安装孔(3)、激光跟踪仪(4)、工具(5)、上位机(6)；机器人(1) 上安装有靶标法兰O)、工具(5)，靶标法兰⑵上有6个靶标安装孔(3)，机器人⑴外侧 设有激光跟踪仪(4)、上位机(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光跟踪测量的机器人工具坐标系自动化标定装 置，其特征在于所述的机器人(1)的标定误差减少到0. 103657mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光跟踪测量的机器人工具坐标系自动化标定装 置，其特征在于上位机(6)、机器人(1)、激光跟踪仪(4)之间通过RS485以太网连接实现 Socket通讯，以字符串的形式发送数据、命令、请求，通过上位机(6)完成测量数据和计算 数据的备份和保存。
4.一种使用如权利要求1所述装置的基于激光跟踪测量的机器人工具坐标系自动化 标定方法，其特征在于包括标定机器人工具坐标系(9)，它的步骤如下1)机器人(1)回机械原点，通过机器人(1)记下当前的位置，使机器人(1)绕机器人末 端手腕坐标系(7)旋转和沿机器人末端手腕坐标系(7)移动时以该姿态为同一起点；2)机器人(1)回机械原点，绕机器人末端手腕坐标系(7)的X、Y、Z轴各旋转若干点， 测量靶标⑶在激光跟踪仪坐标系⑶下的位置，记为ΡχΗ、Ρ_、Ρ&，i = 1,2...；3)机器人(1)回机械原点，沿机器人末端手腕坐标系(7)的X、Y、Z轴各移动若干点， 测量靶标⑶在激光跟踪仪坐标系⑶下的位置，记为Pxli、Pyli、Pzli，i = 1,2,...；4)机器人(1)回机械原点，测量靶标C3)在激光跟踪仪坐标系(8)下的位置，记为(Xto，ypo，zPO)；5)通过坐标测量得出靶标( 在机器人末端手腕坐标系(7)下的位置。6)激光跟踪仪(4)测量并拟合圆柱类工具( 在激光跟踪仪坐标系(8)下的位姿用轴 线矢量(a, b，c)和工具原点(x0(l)，y0(l)，ζοα))，其中1为工具长度表示；7)激光跟踪仪(4)测量3 6个靶标C3)在激光跟踪仪坐标系(8)下的坐标，记为PKi， i = 1，2，…m ；8)获取3 6个靶标在机器人工具坐标系(9)下的位置关系；9)将3 6个靶标在机器人末端手腕坐标系(7)下和机器人工具坐标系(9)下的位置 关系进行匹配分析计算，获取机器人末端手腕坐标系(7)到机器人工具坐标系(9)的位姿 转换矩阵，即可标定机器人工具坐标系(9)。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定方法，其 特征在于所述的将3 6个靶标在机器人末端手腕坐标系(7)下和机器人工具坐标系(9) 下的位置关系进行匹配分析计算，获取机器人末端手腕坐标系(7)到机器人工具坐标系 (9)的位姿转换矩阵的步骤为记测量3 9个靶标的实际坐标为Pa、理论坐标为PB，PAi，i = 1，2，. . .，m为空间固定 靶标的实际坐标，PBi, i = 1,2,... ,m为空间固定靶标的理论坐标；姿态计算是实际测量坐标值到理论坐标值一个刚性转换aTb Pb = aTbXPa (1)该刚性变换aTb可表达为一个旋转变化R和一个平移变换t的组合，即Pb = aTbXPA = RXPA+t (2)由于测量误差的存在，变换后的结果不能完全等于理论的坐标值，即 ζ = PBi-(RXPAi+t), ζ 为误差矩阵。(3)式中，{xAi’，yAi’，zAi’ }为PAi经旋转变化和一个平移变换后的坐标值，lxAi，yAi，zAi}为 PBi的坐标值。令Di, i = 1，2，...，m为靶标对应测量点转换后与理论点之间的距离，即
6.根据权利要求4所述的一种基于激光跟踪测量的附加外轴机器人自动标定方法，其 特征在于所述的获取3 6个靶标在机器人工具坐标系(9)下的位置关系的步骤为设激光跟踪仪坐标系(4)拟合圆柱类工具( 在激光跟踪仪坐标系(8)下的位姿用轴 线矢量(a，b，c)和工具原点UQ(1)，yQ(l)，、⑴)(其中1为工具长度)表示，PKi(i = 1， 2，. . .，m)为靶标( 在激光跟踪仪坐标系⑴)下的坐标；令轴线矢量(a，b，c)为机器人工具坐标系(9) Z向坐标轴，记为Z = (a, b，c) ；4个靶 标点所在拟合平面的法向方向与机器人工具坐标系(9)X向坐标轴大致一致，记为Xl ；机器 人工具坐标系(9)Y向坐标轴为Z与Xl的叉乘，记为Y ；机器人工具坐标系(9)Χ向坐标轴 为Y与Z的叉乘，记为X，于是，得到刀具坐标系在激光测量坐标系下的旋转矩阵，记为T ； 得到3 6个靶标(3)在机器人工具坐标系(9)下的位置关系为PKTi = T1XPlii0
全文摘要
本发明公开了一种基于激光跟踪测量的机器人工具坐标系自动标定装置及方法。装置包括机器人、靶标法兰、靶标安装孔、激光跟踪仪、工具、上位机；机器人上安装有靶标法兰、工具，靶标法兰上有6个靶标安装孔，机器人外侧设有激光跟踪仪、上位机。该方法将3～6个靶标在机器人末端手腕坐标系下和机器人工具坐标系下的位置关系进行匹配分析计算，标定机器人工具坐标系。本发明的优点在于(1)能够自动化标定机器人工具坐标系；(2)标定操作精度高、标定结果可靠；(3)标定操作简单、效率高；(4)实现了数字化建模和数字化标定，工具更换时具有通用性。
文档编号G01B11/00GK102087096SQ201010545419
公开日2011年6月8日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者俞慈君, 曲巍崴, 柯映林, 董辉跃, 谢坤, 郭英杰 申请人:浙江大学