一種基於電磁編碼器的機器人零位標定方法與流程
2023-11-05 19:00:32 2
本發明屬於工業機器人的標定方法，特別是一種基於電磁編碼器的機器人零位標定方法。
背景技術：
由於機器人在加工製造和裝配過程中，不可避免地帶來結構參數的誤差，使得末端執行器位姿產生誤差。同時，在實際應用機器人作業過程中，會由於碰撞、磨損、拆裝維護等諸多原因而影響機器人精度。因此，對機器人的結構參數進行標定，以獲得更加精確的結構參數值，對於提高機器人的位姿精度是非常重要的。
在影響機器人絕對定位精度的因素中，零位誤差所佔比重高達97％，成為首要解決的機器人誤差因素。機器人零位誤差是指機器人各活動關節在初始位置(即機器人零位值)時的相對誤差值。機器人零位標定的目標則是對零位誤差值進行辨識和補償。當前的機器人零位標定方法主要可分為兩類，一類是通過算法辨識的方法，即首先建立零位誤差的誤差模型，再藉助外界測量設備或幾何約束關係對誤差進行離線或在線辨識；另一類零位標定方法是通過機器人處於零位值時的幾何關係(水平或垂直)確定零位值，採用的軸銷定位方法，這種方法需要事先在機器人本體上加工出各軸對應的對準孔(或輔助工裝)，機器人零位校準時依次移動機器人的1～6個關節，靠插入定位銷的方式實現機器人零位的校準。以上兩種方法中，前一種方法雖然精度較高，但操作過程繁複、測量設備昂貴等方面的原因一般用於科研活動中，後一種方法則原理簡單、方法實用。
雖然後一種方法操作簡便，但需要事先對機器人的定位孔或定位面進行加工，校準時需要不斷調整機器人關節，整個過程十分耗時且精度遠不及前一種方法。
技術實現要素：
發明目的：為解決現有技術的不足，提出一種精確、省時的機器人零位標定方法。
技術方案：一種基於電磁編碼器的機器人零位標定方法，包括以下步驟：
(1)調整機器人1軸至初始零位置，在機器人1～6軸的相應位置分別安裝電磁編碼器，安裝時使各電磁編碼器的X軸及Y軸分別與機器人建模坐標系的X軸和Y軸平行；
(2)調整機器人的2軸使其坐標系的X軸至水平狀態，即使第二電磁編碼器的X軸θ角讀數顯示為0，並記錄Y軸的γ角讀數R；
(3)鎖定機器人2～6軸，將機器人1軸從初始位置轉動180°，記錄第一電磁編碼器X軸的讀數λ；
(4)將機器人1軸返回至初始零位置，2軸移動至λ/2角位置，將此位置設為第二電磁編碼器的參考零位，並將此位置確定為2軸的零位；
(5)保證機器人6軸法蘭上的第六電磁編碼器的X軸及Y軸與機器人建模坐標系的X軸和Y軸之間的平行關係，通過參數辨識的方法獲得3～6軸的零位偏差；
(6)利用步驟(1)～(5)獲得的機器人零位偏差，對機器人進行零位補償，完成標定。
進一步的，步驟(1)所述的機器人2軸建模坐標系的Z軸與機器人2軸關節軸線到3軸關節軸線的公垂線方向平行，Y軸與機器人2軸關節軸線平行，X軸參考右手定則確定。
進一步的，步驟(2)所述的機器人初始位置傾角θ角和γ角為沿X軸和Y軸的底面傾斜角。
進一步的，步驟(5)所述的機器人6軸建模坐標系的X軸及Y軸或Y軸及X軸分別與6軸關節軸線及5軸關節軸線平行，Z軸參考右手定則確定。
進一步的，步驟(1)至步驟(6)所述機器人1～6軸分別為實現機器人1～6個自由度的底座關節、肩關節、大臂關節、肘關節、小臂關節和手腕關節。
該機器人零位標定方法採用電磁編碼器，並且每個軸上都設置有該電磁編碼器，這樣可以更精確的採集各個軸的位姿狀態，進而使得機器人零位標定更為精確；採用該方法進行零位標定後，採集的機器人各軸的數據經控制器處理，可以更精準控制機器人的狀態。
有益效果:由於磁力線可以穿透汙染，因而編碼器內部不受灰塵、油汙和水汽的影響，傳感器與碼盤的距離最大可達3mm，碼盤及其堅固，所有電子部件灌膠密封，因而不怕振動衝擊，適合於機器人苛刻工況下的應用；且僅需進行幾步操作即可實現整個機器人的零位標定，並可提高機器人的零位對準精度，節省了零位標定的操作時間。
附圖說明
圖1為本發明方法所用的機器人及電磁編碼器的安裝示意圖。
圖2為本發明的電磁編碼器磁極發射原理示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
如圖1所示，為典型的工業機器人結構示意圖，機器人本體通過底座安裝在工作檯上(圖中未示出)，底座以上依次串聯著機器人的1～6軸，即機器人的底座關節1、肩關節2、大臂關節3、肘關節4、小臂關節5和手腕關節6，各軸之間通過旋轉關節聯接。同時，1～6軸上分別安裝有第一電磁編碼器7、第二電磁編碼器8、第三電磁編碼器9、第四電磁編碼器10、第五電磁編碼器11和第六電磁編碼器12。
使用電磁編碼器工作原理進行零位標定首先必須保證編碼器的正確安裝。圖1給出了第一至第六電磁編碼器分別在機器人1至6軸上的安裝位置。
標定時，調整機器人1軸至初始零位置，在機器人1～6軸的相應位置分別安裝電磁編碼器，安裝時使各電磁編碼器的X軸及Y軸分別與機器人建模坐標系的X軸和Y軸平行；調整機器人的2軸使其坐標系的X軸至水平狀態，即使第二電磁編碼器的X軸θ角讀數顯示為0，並記錄Y軸的γ角讀數R；鎖定機器人2～6軸，將機器人1軸從初始位置轉動180°，記錄第一電磁編碼器X軸的讀數λ；將機器人1軸返回至初始零位置，2軸移動至λ/2角位置，將此位置設為第二電磁編碼器的參考零位，並將此位置確定為2軸的零位；保證機器人6軸法蘭上的第六電磁編碼器的X軸及Y軸與機器人建模坐標系的X軸和Y軸之間的平行關係，通過參數辨識的方法獲得3～6軸的零位偏差；利用前面步驟獲得的機器人零位偏差，對機器人進行零位補償，完成標定。
本發明僅需進行幾步操作即可實現整個機器人的零位標定，並可提高機器人的零位對準精度，節省了零位標定的操作時間，且不怕振動衝擊，適合於機器人苛刻工況下的應用。
如圖2所示，為電磁編碼器磁極發射原理示意圖，電磁編碼器由磁性轉子1、磁阻編碼器2和磁極對3組成。電磁編碼器採用磁阻檢測原理，掃描系統由磁環及傳感器組成，磁環有多個磁極緊密排列而成，N-S極有磁力線，磁環旁傳感器可以檢測到磁力線的變化，當磁環旋轉時，磁力線發生變化，傳感器根據磁力線變化(磁力線角度方向)輸出信號，而寬距技術科使轉子與傳感器間的距離是通常編碼器的2～4倍大，避免了因對中不準、電機軸跳和軸承移動等原因對傳感器造成的損壞，電磁式編碼器的磁性碼盤是用磁化方法製成的，按編碼圖形製作成磁化區(磁導率高)和非磁化區(磁導率低)的圓盤。它採用了小型磁環或微型馬蹄形磁芯作磁頭，磁頭靠近時但不接觸碼盤表面。每個磁頭(環)上繞有兩個繞組，原邊繞組是用恆幅、恆頻的正弦波激勵，該線圈被稱為詢問繞組，輸出繞組(或讀出繞組)通過感應碼盤時將磁化信號轉換為電信號。當詢問繞組被激勵以後，輸出繞組產生同頻信號，但其幅值和兩繞組匝數比有關，也與磁頭附近有無磁場有關。當磁頭對準磁化區時，磁路飽和，輸出電壓很低。若磁頭對準非磁化區，輸出電壓會很高。輸出電壓經邏輯狀態的調製，就得到用「1」、「0」表示的方波榆出，幾個磁頭同時輸出就形成了數碼。
電磁式編碼器採用磁電式設計，通過磁感應器件、利用磁場的變化來產生和提供轉子的絕對位置，利用磁器件代替了傳統的碼盤，彌補了傳統編碼器的這一些缺陷，更具抗震、耐腐蝕、耐汙染、性能可靠高、結構更簡單。
以上所述僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效變換，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。