一種工業(yè)機(jī)器人桿長(zhǎng)參數(shù)的校正工具及校正方法與流程

本發(fā)明屬于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種工業(yè)機(jī)器人桿長(zhǎng)的校正方法以及校正工具，該方法可應(yīng)用于六軸工業(yè)機(jī)器人研發(fā)、測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)使用等多個(gè)過(guò)程中。

背景技術(shù)：

在工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)過(guò)程中，由于其各部件的材料、制造工藝、安裝等原因，會(huì)導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的桿長(zhǎng)發(fā)生變化。但是，機(jī)器人在進(jìn)行軌跡控制時(shí)卻一直以工業(yè)機(jī)器人理論上的建模的桿長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)際桿長(zhǎng)的變化會(huì)導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人在定位精度與重復(fù)精度上產(chǎn)生較大誤差。

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，桿長(zhǎng)的變化，輕則導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量一致性不好，產(chǎn)品不合格率提高，重則導(dǎo)致生產(chǎn)線上的工件發(fā)生嚴(yán)重干涉，造成設(shè)備甚至人員損傷。

通過(guò)對(duì)桿長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，對(duì)控制系統(tǒng)中桿長(zhǎng)參數(shù)的定時(shí)檢測(cè)及修正，可以使工業(yè)機(jī)器人控制軌跡得到補(bǔ)償，提高產(chǎn)品一致性要求，也能定時(shí)地了解工業(yè)機(jī)器人的本體情況，及早通知維護(hù)人員介入，避免工廠事故的發(fā)生。

目前工業(yè)機(jī)器人廠家較少會(huì)對(duì)桿長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行校正，少部分廠家會(huì)在產(chǎn)品出廠時(shí)使用三坐標(biāo)儀、激光測(cè)量?jī)x等工具進(jìn)行外部桿長(zhǎng)參數(shù)測(cè)量并修正。一方面，此方式采用第三方測(cè)量工具是從機(jī)器人外部得到機(jī)器人桿長(zhǎng)參數(shù)，對(duì)機(jī)器人本體測(cè)量點(diǎn)的選定及檢測(cè)人員的操作技術(shù)有著較高要求；另一方面，第三方的測(cè)量工具其價(jià)格昂貴，采購(gòu)周期長(zhǎng)，對(duì)于處于初級(jí)研發(fā)階段的或中小型的機(jī)器人公司不易實(shí)現(xiàn)。

本申請(qǐng)基于工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、矩陣運(yùn)算、病態(tài)矩陣處理、矩陣降階處理和最小二乘法計(jì)算等原理解決了工業(yè)機(jī)器人桿長(zhǎng)參數(shù)的校正問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種工業(yè)機(jī)器人桿長(zhǎng)參數(shù)的校正方法，可用于六軸工業(yè)機(jī)器人桿長(zhǎng)參數(shù)的計(jì)算與修正，其解決了六軸工業(yè)機(jī)器人各部件在生產(chǎn)、制造、安裝及使用過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)器人桿長(zhǎng)變化而導(dǎo)致的定位精度及重復(fù)精度誤差的問(wèn)題。

此外，本發(fā)明的另一目的是提供一種工業(yè)機(jī)器人桿長(zhǎng)參數(shù)的校正工具。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案是提供一種工業(yè)機(jī)器人桿長(zhǎng)參數(shù)的校正工具，包括有臺(tái)階板和釘盤，所述臺(tái)階板上設(shè)有多個(gè)同高度的臺(tái)階，在每個(gè)臺(tái)階上設(shè)有若干個(gè)圓孔，所有的圓孔構(gòu)成矩陣排布設(shè)置；所述釘盤包括法蘭部和桿部，在桿部的末端加工成與圓孔相配合的細(xì)桿部。

在該技術(shù)方案的一個(gè)實(shí)施例中，所述臺(tái)階板的臺(tái)階數(shù)為四層，每層臺(tái)階上設(shè)有四個(gè)圓孔，所有的圓孔構(gòu)成4×4矩陣排布設(shè)置。

在該技術(shù)方案的一個(gè)實(shí)施例中，所述釘盤的桿部的軸線與法蘭的軸線重合，所述法蘭上設(shè)有若干個(gè)用以安裝在工業(yè)機(jī)器人的末端法蘭的螺孔。

本發(fā)明的另一技術(shù)方案是提供一種工業(yè)機(jī)器人桿長(zhǎng)參數(shù)的校正方法，該方法是基于上述技術(shù)方案的校正工具的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，該方法包括如下步驟：

s1、安裝臺(tái)階板和釘盤，并對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行建模原點(diǎn)對(duì)位；

s2、控制工業(yè)機(jī)器人使末端的釘盤移動(dòng)到臺(tái)階板其中一個(gè)圓孔附近；

s3、控制釘盤的細(xì)桿部完全進(jìn)入圓孔，并記錄在當(dāng)前圓孔位置時(shí)的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)；

s4、重復(fù)上述s2與s3的步驟，依次完成其它圓孔位置的校正，并記錄在每個(gè)圓孔位置時(shí)相應(yīng)的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)；

s5、軟件計(jì)算得出實(shí)際測(cè)量桿長(zhǎng)的數(shù)值，并修正到機(jī)器人的桿長(zhǎng)參數(shù)上。

在一種實(shí)施例中，所述s1步驟中安裝臺(tái)階板和釘盤，具體包括步驟：

s11、安裝時(shí)將臺(tái)階板外沿其中的一邊垂直于工業(yè)機(jī)器人的世界坐標(biāo)系的x軸，并與y軸成30度角。

s12、將釘盤安裝于工業(yè)機(jī)器人的末端法蘭上。

在一種實(shí)施例中，所述s3步驟中的記錄在當(dāng)前圓孔位置時(shí)的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，圓孔是以孔的底面的圓心作為圓孔的測(cè)量點(diǎn)，并以測(cè)量點(diǎn)為基礎(chǔ)測(cè)量關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)。

在一種實(shí)施例中，所述s3步驟中的記錄在當(dāng)前圓孔位置時(shí)的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，所述關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)包括工業(yè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的夾角，該夾角是通過(guò)設(shè)置于關(guān)節(jié)處的角度傳感器進(jìn)行測(cè)量的。

在一種實(shí)施例中，在軟件計(jì)算得出實(shí)際測(cè)量桿長(zhǎng)的數(shù)值時(shí)采用以下的公式：

px＝l6sθ5sθ4sθ1+cθ1(l2+l3cθ2+c(θ2+θ3)(l4+l6cθ4sθ5)+(l5+l6cθ5)s(θ2+θ3))(公式1)

py＝-l6cθ1sθ5sθ4+sθ1(l2+l3cθ2+c(θ2+θ3)(l4+l6cθ4sθ5)+(l5+l6cθ5)s(θ2+θ3))(公式2)

pz＝l1-(l5+l6cθ5)c(θ2+θ3)+l3sθ2+(l4+l6cθ4sθ5)s(θ2+θ3))(公式3)

其中：px是指臺(tái)階板上圓孔位置的測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的世界坐標(biāo)系的沿x軸的數(shù)值，py是指圓孔位置的測(cè)量點(diǎn)沿y軸的數(shù)值，pz是指圓孔位置的測(cè)量點(diǎn)沿z軸的數(shù)值；

s是正弦sin的縮寫；c是余弦cos的縮寫；θ是指工業(yè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的夾角，l是指工業(yè)機(jī)器人的各個(gè)桿長(zhǎng)的數(shù)值。

在一種實(shí)施例中，在軟件計(jì)算桿長(zhǎng)的數(shù)值需要至少三個(gè)不同圓孔位置的測(cè)量點(diǎn)的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)公式1-3采用矩陣運(yùn)算桿長(zhǎng)的數(shù)值。

該技術(shù)方案的校正方法采用特制的校正工具，指定所需的圓孔測(cè)量點(diǎn)序列，使所生成的求解機(jī)器人的關(guān)節(jié)與桿長(zhǎng)的相關(guān)矩陣的列向量或行向量線性無(wú)關(guān)，以保證各關(guān)節(jié)桿長(zhǎng)解的唯一性和準(zhǔn)確性；采用廣義最小二乘法處理測(cè)量值序列，可消除測(cè)量過(guò)程可能引入的各關(guān)節(jié)桿長(zhǎng)的離散誤差，提高算法的精確度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的校正工具的整體結(jié)構(gòu)視圖。

圖2是本發(fā)明的校正工具的分解視圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員能清楚完整的理解本發(fā)明中的技術(shù)內(nèi)容。

實(shí)施例一

參照?qǐng)D1與圖2所示，本實(shí)施例是一種工業(yè)機(jī)器人桿長(zhǎng)參數(shù)的校正工具，包括有臺(tái)階板和釘盤，臺(tái)階板上設(shè)有四層相同高度的臺(tái)階，每層高度為10mm，最下層的長(zhǎng)寬都為200mm，在每個(gè)臺(tái)階上設(shè)有四個(gè)圓孔，共有16個(gè)，所有圓孔構(gòu)成4×4矩陣排布設(shè)置，圓孔之間距離為40mm，圓孔的直徑為8mm+0.1mm，深度為10mm，圓孔的設(shè)計(jì)以便與釘盤的細(xì)桿部相配合，在最下層的四角還設(shè)有四個(gè)安裝用螺孔。

釘盤包括法蘭部、桿部和細(xì)桿部，釘盤桿部的軸線與法蘭的軸線重合，桿部長(zhǎng)為100mm，直徑為10mm，法蘭上設(shè)有螺孔，用以將釘盤安裝在工業(yè)機(jī)器人的末端法蘭。在桿部的末端加工成與圓孔相配合的細(xì)桿部，細(xì)桿部長(zhǎng)為10mm，直徑為8mm-0.1mm，并在末端作圓角處理，同樣的在圓孔的入口也做圓角處理，方便配合。

實(shí)施例二

本實(shí)施例是一種工業(yè)機(jī)器人桿長(zhǎng)參數(shù)的校正方法，該方法是基于實(shí)施例一中的校正工具的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，是對(duì)具有六軸工業(yè)機(jī)器人的桿長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，其具備六個(gè)桿長(zhǎng)和六個(gè)關(guān)節(jié)，本實(shí)施例中桿和關(guān)節(jié)的編號(hào)從靠近基座一側(cè)開(kāi)始。

該校正方法包括如下步驟：

s1、安裝臺(tái)階板和釘盤，并對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行建模原點(diǎn)對(duì)位，安裝時(shí)將臺(tái)階板外沿其中的一邊垂直于工業(yè)機(jī)器人的世界坐標(biāo)系的x軸，并與y軸成30度角，將釘盤的法蘭部固定安裝到工業(yè)機(jī)器人的末端法蘭上。

s2、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，包括控制驅(qū)動(dòng)器開(kāi)啟軟浮動(dòng)功能，限制電流幅值，允許跟蹤位置誤差超限；控制工業(yè)機(jī)器人使末端的釘盤移動(dòng)到臺(tái)階板上第一層的左側(cè)的圓孔附近；

s3、控制釘盤的細(xì)桿部完全進(jìn)入圓孔，并記錄在當(dāng)前圓孔位置時(shí)的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)；

s4、重復(fù)上述s2與s3的步驟，依次完成其它圓孔位置的校正，并記錄在每個(gè)圓孔位置時(shí)相應(yīng)的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)；

s5、軟件計(jì)算得出實(shí)際測(cè)量桿長(zhǎng)的數(shù)值，并修正到機(jī)器人的桿長(zhǎng)參數(shù)上。

其中，圓孔是以孔的底面的圓心作為圓孔的測(cè)量點(diǎn)，并以測(cè)量點(diǎn)為基礎(chǔ)測(cè)量關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)包括工業(yè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的夾角，該夾角是通過(guò)設(shè)置于關(guān)節(jié)處的角度傳感器進(jìn)行測(cè)量的。

以下根據(jù)測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)對(duì)桿長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程是：

由運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程可知，在軟件計(jì)算得出實(shí)際測(cè)量桿長(zhǎng)的數(shù)值時(shí)采用以下的公式：

px＝l6sθ5sθ4sθ1+cθ1(l2+l3cθ2+c(θ2+θ3)(l4+l6cθ4sθ5)+(l5+l6cθ5)s(θ2+θ3))(公式1)

py＝-l6cθ1sθ5sθ4+sθ1(l2+l3cθ2+c(θ2+θ3)(l4+l6cθ4sθ5)+(l5+l6cθ5)s(θ2+θ3))(公式2)

pz＝l1-(l5+l6cθ5)c(θ2+θ3)+l3sθ2+(l4+l6cθ4sθ5)s(θ2+θ3))(公式3)

其中：px是指臺(tái)階板上圓孔位置的測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的世界坐標(biāo)系的沿x軸的數(shù)值，py是指圓孔位置的測(cè)量點(diǎn)沿y軸的數(shù)值，pz是指圓孔位置的測(cè)量點(diǎn)沿z軸的數(shù)值；

s是正弦sin的縮寫；c是余弦cos的縮寫；θ是指工業(yè)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的夾角，l是指工業(yè)機(jī)器人的各個(gè)桿長(zhǎng)的數(shù)值。

上述公式將關(guān)節(jié)參數(shù)的系數(shù)分離得到：

px＝(0)l1+(cθ1)l2+(cθ1cθ2)l3+(cθ1c(θ2+θ3))l4+(cθ1s(θ2+θ3))l5+(sθ5sθ4sθ1+cθ1(c(θ2+θ3)cθ4sθ5+s(θ2+θ3)cθ5))l6

(公式4)

py＝(0)l1+(sθ1)l2+(sθ1cθ2)l3+(sθ1c(θ2+θ3))l4+(sθ1s(θ2+θ3))l5+(-cθ1sθ5sθ4+sθ1(c(θ2+θ3)cθ4sθ5+s(θ2+θ3)cθ5))l6

(公式5)

pz＝(1)l1+(0)l2+(sθ2)l3+(s(θ2+θ3))l4+(-c(θ2+θ3))l5+(-c(θ2+θ3)cθ5+s(θ2+θ3)cθ4sθ5)l6

(公式6)

以兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)為例，分別標(biāo)為測(cè)量點(diǎn)j和測(cè)量點(diǎn)k，根據(jù)上述公式4-6轉(zhuǎn)為矩陣可得：

其中，j與k是排列組合中線性無(wú)關(guān)的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)序號(hào)，pjx是指測(cè)量點(diǎn)j相對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的世界坐標(biāo)系的沿x軸的數(shù)值，pjy是指測(cè)量點(diǎn)j沿y軸的數(shù)值，pjz是指測(cè)量點(diǎn)j沿z軸的數(shù)值，其它測(cè)量點(diǎn)以此類推。

gj表示公式4-6中關(guān)節(jié)參數(shù)系數(shù)的計(jì)算，使用測(cè)量第j個(gè)測(cè)量點(diǎn)時(shí)的機(jī)器人關(guān)節(jié)值(θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6)。

定下如下關(guān)節(jié)參數(shù)系統(tǒng)另外：

gx，1＝0

gx，2＝cθ1

gx，3＝cθ1cθ2

gx，4＝cθ1c(θ2+θ3)

gx，5＝cθ1s(θ2+θ3)

gx，6＝sθ5sθ4sθ1+cθ1(cθ23cθ4sθ5+s(θ2+θ3)cθ5)

gy，1＝0

gy，2＝sθ1

gy，3＝sθ1cθ2

gy，4＝sθ1c(θ2+θ3)

gy，5＝sθ1s(θ2+θ3)

gy，6＝-cθ1sθ5sθ4+sθ1(c(θ2+θ3)cθ4sθ5+s(θ2+θ3)cθ5)

gz，1＝1

gz，2＝0

gz，3＝sθ2

gz，4＝s(θ2+θ3)

gz，5＝-c(θ2+θ3)

gz，6＝-c(θ2+θ3)cθ5+s(θ2+θ3)cθ4sθ5

當(dāng)?shù)弥獌蓚€(gè)測(cè)量點(diǎn)位置及相應(yīng)系數(shù)矩陣時(shí)，即機(jī)器人關(guān)節(jié)值(θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6)。則公式7可簡(jiǎn)化為各桿長(zhǎng)的公式如下：

對(duì)于多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如果只取測(cè)量點(diǎn)的x與z軸位置坐標(biāo)的p值時(shí)，根據(jù)公式8推導(dǎo)可得各桿長(zhǎng)的公式為：

更進(jìn)一步地，對(duì)于一個(gè)測(cè)量點(diǎn)形成的2行6列系數(shù)矩陣如下：

如果存在m個(gè)測(cè)量點(diǎn)，則可形成2m行6列系數(shù)矩陣如下：

對(duì)矩陣方程公式10進(jìn)行處理得：

對(duì)其關(guān)節(jié)參數(shù)求解，可得：

在得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的關(guān)節(jié)值后，通過(guò)計(jì)算軟件進(jìn)行編程計(jì)算即可得到各桿長(zhǎng)的數(shù)值。

以上實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明技術(shù)原理的基礎(chǔ)上所做的任何顯而易見(jiàn)的改動(dòng)，都屬于本發(fā)明的構(gòu)思和所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。