一種直角坐標方式的機器人位姿誤差測量系統及方法
2023-07-06 06:22:31 1
專利名稱：一種直角坐標方式的機器人位姿誤差測量系統及方法
技術領域：
本發明涉及機器人位姿誤差測量系統，特別涉及一種利用幾何測量法進行直角坐標方式的機器人位姿誤差測量系統及方法。
背景技術：
工業機器人產品出廠時需要通過位姿誤差的測量來判定其是否合格，常用的測量方法有經緯儀測量、雷射測量、隨動接觸式位姿測量等。經緯儀測量是工業機器人末端操作器上目標點的坐標可以通過2個經緯儀測量出來，2個經緯儀之間的變換關係也可以通過經緯儀的讀數計算出來，此系統的測量精度非常高，在Im的距離內精度可以達到0. 02mm，但測量的成本也是非常高。雷射測量系統具有精度高，測量範圍大等優點。雷射測量方法可分為2種類型角度剖分型雷射跟蹤測量和球坐標型雷射跟蹤測量。雷射動態跟蹤儀在Im的測量距離時的精度為0.1mm,但是雷射測量系統的成本極為昂貴。隨動接觸式位姿測量機相當於一臺在每個關節都裝有高精度編碼器的無動力機器人。此種測量方式的優點是人的幹預少，測量效率高，易於實現自動化。缺點是測量機器人的製造精度要求較高，且測量機器人的自由度要求儘可能的多，否則有可能出現待測機器人與測量機器人運動之間的幹涉。上述各測量技術方案在精度、使用的難易和成本方面各不相同，它們與理想的測量方法都還存在差距，歸納起來，共同的缺點主要有(I)數據收集煩瑣、工作量大；(2)大多數設備價格昂貴。
發明內容
本發明的目的是提供一種直角坐標方式的機器人位姿誤差測量系統，旨在解決現有測量技術的數據收集煩瑣、工作量大，設備昂貴的問題。本發明的另一目的是提供一種直角坐標方式的機器人位姿誤差測量方法，也旨在解決上述問題。本發明的目的通過下述技術方案來實現直角坐標方式的機器人位姿誤差測量系統，包括機架、導向單元、驅動單元、測量單元、機器人及工件，導向單元設置在機架上並受驅動單元的驅動，測量單元設置在導向單元上，工件被夾持在機器人的末端；驅動單元驅動導向單元運動，從而帶動測量單元移動以完成機器人位姿參數的測量。所述導向單元包括第一套直線導軌、第二套直線導軌、第三套直線導軌及第四套直線導軌，每套直線導軌均包括滾珠絲槓和滑塊；所述驅動單元包括帶傳動裝置、減速器及交流伺服電機；第一、第二套直線導軌水平安裝在機架上，並在遠離機器人的末端通過帶傳動裝置將第一、第二套直線導軌內部的滾珠絲杆連接；第三套直線導軌水平放置，其兩端分別安裝在第一、第二套直線導軌的滑塊上，並通過減速器與交流伺服電機連接；第四套直線導軌豎直安裝，其滑塊通過一連接件與第三套直線導軌固定連接。本發明的另一目的採用如下技術方案實現基於上述機器人位姿誤差測量系統的機器人位姿誤差測量方法，包括如下步驟S1、當機器人夾持工件運動至某一空間位置，第一、二、三套直線導軌上的滑塊保持零位不動，第四套直線導軌上的滑塊移動，測量直角坐標末端的某個固定點，得到第一軸直線方程；S2、第一、二、四套直線導軌上的滑塊保持零位不動，第三套直線導軌上的滑塊移動，測量直角坐標末端的某個固定點，得到第二軸方程；S3、第三、四套直線導軌上的滑塊保持零位不動，第一、第二套直線導軌上的滑塊移動，測量直角坐標末端的某個固定點，得到第三軸直線方程；S4、構造基坐標系，測量第二軸與Y軸的夾角為0，第三軸與xOz平面的夾角為a，第三軸與yOz平面的夾角為3 ；S5、根據步驟S4測量到的夾角，計算直角坐標機器人正解T的姿態，再測量測量單元的觸板三個接觸面相對T的姿態，得到安裝末端執行器時產生的姿態偏差，再反解0 e、a 6及3 6三個參數，從而得到機器人位姿誤差。本發明的工作原理是機器人距離機架一定的距離，固定在靠近測量單元的方向，工件由機器人末端的夾持器固定。故當工件被機器人夾持住並移至空間某位置時，伺服電機驅動直線導軌的滾珠絲槓轉動，使得測量單元實現三個方向上的移動，並逐漸實現其上的三個觸板與工件的逼近動作，以完成機器人位置誤差的測量。即，當機器人夾持工件至空間某一位置，觸板在三個方向上移動，通過雷射位移傳感器分別實現了工件對逼近觸板上三個接觸面，從而通過測量的0、a、P、0 a e及P e六個參數計算出其所產生的姿態偏差。本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果(I)本發明通過雷射位移傳感器獲取位姿數據，並通過工業級計算機計算、處理，系統維護方便，裝置結構簡單，通過計算機實現數據的自動採集，設備研製成本低，能有效提聞數據處理的效率；(2)本發明實現的位姿誤差檢測可以有效的適用於精度較高的機器人，為機器人位姿誤差補償提供原始數據。
圖1是本發明機器人位姿誤差測量系統的結構示意圖；圖2是機器人位姿誤差測量坐標系示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步的詳細描述，但本發明的實施方式不限於此。實施例本發明包括機架1、導向單元、驅動單元、測量單元、機器人9及工件10。如圖1所示，本實施例中導向單元指的是四套直線導軌，分別為第一套直線導軌2-1、第二套直線導軌2-2、第三套直線導軌2-3及第四套直線導軌2-4，每套直線導軌均包括滾珠絲槓、滑塊、擋板及緩衝膠套等；驅動單元包括帶傳動裝置3、減速器5及四臺交流伺服電機4 ;測量單兀由六套雷射位移傳感器8和一塊觸板7構成。本實施例中，第一、第二套直線導軌水平安裝在機架I上，並在遠離機器人9的末端通過帶傳動裝置3將第一、第二套直線導軌內部的滾珠絲杆連接，實現其同步運動。第三套直線導軌水平放置，其兩端分別安裝在第一、二套直線導軌的滑塊上，該套導軌的驅動裝置採用交流伺服電機3接減速器5，再接滾珠絲槓的方式，以保證該軸上的運動能順利實現。第四套直線導軌豎直安裝，通過圖1中所示的連接件6將其滑塊與第三套直線導軌固定在一起，故該軸能相對於第三套直線導軌實現上下的往復運動。所述觸板7安裝在第四套直線導軌的上端面，故能實現如圖2所示的X、Y、Z三個方向上的自由移動，滿足誤差測量的運動需求。觸板7共有三個接觸面；本實施例採用六套雷射位移傳感器8作為測量單元，六套雷射位移傳感器8安裝在該三個接觸面上A面裝有三套雷射位移傳感器，B面裝有兩套雷射位移傳感器，C面裝有一套雷射位移傳感器。所述測量的工件10安裝在機器人9末端的夾持器上，該機器人9安裝在靠近測量用觸板7的一面。本發明基於直角坐標機器人的標定方法採用幾何測量法，又稱為軸線法，標定步驟如下S1、當機器人9夾持工件10運動至指定的一個空間位置，第一、二、三套直線導軌上的滑塊保持零位不動，第四套直線導軌上的滑塊移動，測量直角坐標末端的一個固定點(即工件表面上的一個固定具體點，記為點A)，得到第一軸直線方程；S2、第一、二、四套直線導軌上的滑塊保持零位不動，第三套直線導軌上的滑塊移動，測量直角坐標末端的固定點A，得到第二軸方程；S3、第三、四套直線導軌上的滑塊保持零位不動，第一、第二套直線導軌上的滑塊移動，測量直角坐標末端的固定點A，得到第三軸直線方程；S4、構造基坐標系，測量第二軸與Y軸的夾角為0，第三軸與xOz平面的夾角為a，第三軸與yOz平面的夾角為3 ；S5、根據步驟S4測量到的夾角，計算T (即直角坐標機器人的正解)的姿態，再測量末端執行器(即觸板)三個面相對T的姿態，即得到安裝末端執行器時產生的姿態偏差e Te，再反解第二軸與Y軸的夾角0 e、第三軸與xOz平面的夾角a e及第三軸與yOz平面的夾角@6三個參數，從而得到機器人位姿誤差。本發明所述的各零部件可選型如下，但選型不限於此機器人9 :可選用其他同類型的機器人；工件10 :可選用形狀規則的同類型工件。上述實施例為本方面較佳的實施方式，但本方明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種直角坐標方式的機器人位姿誤差測量系統，其特徵在於，包括機架、導向單元、驅動單元、測量單元、機器人及工件，導向單元設置在機架上並受驅動單元的驅動，測量單元設置在導向單元上，工件被夾持在機器人的末端；驅動單元驅動導向單元運動，從而帶動測量單元移動以完成機器人位姿參數的測量。
2.根據權利要求1所述的機器人位姿誤差測量系統，其特徵在於，所述導向單元包括第一套直線導軌、第二套直線導軌、第三套直線導軌及第四套直線導軌，每套直線導軌均包括滾珠絲槓和滑塊；所述驅動單元包括帶傳動裝置、減速器及交流伺服電機； 第一、第二套直線導軌水平安裝在機架上，並在遠離機器人的末端通過帶傳動裝置將第一、第二套直線導軌內部的滾珠絲杆連接；第三套直線導軌水平放置，其兩端分別安裝在第一、第二套直線導軌的滑塊上，並通過減速器與交流伺服電機連接；第四套直線導軌豎直安裝，其滑塊通過一連接件與第三套直線導軌固定連接。
3.根據權利要求2所述的機器人位姿誤差測量系統，其特徵在於，所述測量單元包括設有三個接觸面的觸板，以及安裝在所述接觸面上的雷射位移傳感器。
4.根據權利要求3所述的機器人位姿誤差測量系統，其特徵在於，所述觸板安裝在第四套直線導軌的上端面。
5.根據權利要求3或4所述的機器人位姿誤差測量系統，其特徵在於，所述雷射位移傳感器共有六套；所述觸板的第一接觸面裝有三套雷射位移傳感器，第二接觸面裝有兩套雷射位移傳感器，第三接觸面裝有一套雷射位移傳感器。
6.基於權利要求2所述機器人位姿誤差測量系統的機器人位姿誤差測量方法，其特徵在於，包括如下步驟 S1、當機器人夾持工件運動至某一空間位置，第一、二、三套直線導軌上的滑塊保持零位不動，第四套直線導軌上的滑塊移動，測量直角坐標末端的某個固定點，得到第一軸直線方程； S2、第一、二、四套直線導軌上的滑塊保持零位不動，第三套直線導軌上的滑塊移動，測量直角坐標末端的某個固定點，得到第二軸方程； S3、第三、四套直線導軌上的滑塊保持零位不動，第一、第二套直線導軌上的滑塊移動，測量直角坐標末端的某個固定點，得到第三軸直線方程； S4、構造基坐標系，測量第二軸與Y軸的夾角為Θ，第三軸與χΟζ平面的夾角為α，第三軸與yOz平面的夾角為β ； S5、根據步驟S4測量到的夾角，計算直角坐標機器人正解T的姿態，再測量測量單元的觸板三個接觸面相對T的姿態，得到安裝末端執行器時產生的姿態偏差，再反解Θ e、a e及β e三個參數，從而得到機器人位姿誤差。
全文摘要
本發明公開了一種直角坐標方式的機器人位姿誤差測量系統及方法，其中系統包括機架、導向單元、驅動單元、測量單元、機器人及工件，導向單元設置在機架上並受驅動單元的驅動，測量單元設置在導向單元上，工件被夾持在機器人的末端；驅動單元驅動導向單元運動，從而帶動測量單元移動以完成機器人位姿參數的測量。解決了現有測量技術的數據收集煩瑣、工作量大，設備昂貴的問題。
文檔編號G01C1/00GK103017726SQ20121055508
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者張鐵, 鄒焱飈, 梅雪川, 李波 申請人:華南理工大學