一種工業(yè)機器人運動學參數(shù)標定裝置及標定方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人領域，尤其是一種工業(yè)機器人運動學參數(shù)標定裝置及標定方法。
【背景技術】
[0002]隨著工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中應用范圍及其任務復雜程度的不斷擴大，對工業(yè)機器人的位置和姿態(tài)精度要求也越來越高。目前工業(yè)機器人具有很高的重復定位精度，達到0.1mm量級。然而絕對定位精度卻很低，只有Icm量級，這嚴重限制了工業(yè)機器人的應用范圍。眾多原因?qū)е鹿I(yè)機器人定位精度低，其中最重要的是運動學模型中幾何結構的參數(shù)偏差。標定技術是補償這些參數(shù)偏差的有效方法，因此成為研究熱點。標定就是應用先進的測量手段和基于模型的參數(shù)識別方法辨識出機器人模型的準確參數(shù)，從而提高機器人定位精度。
[0003]三十余年來，機器人標定領域已經(jīng)取得了一些令人矚目的成果。測量方法主要有兩類方法，其中一類方法需要高精度的測量設備來精確測量機器人末端的位置，比如三坐標測量機和激光跟蹤儀等，這些設備昂貴，限制了其應用場合；另一類方法是在機器人末端施加一些約束形成運動學閉鏈，主要是平面約束和球約束，這種方法需要復雜精確的手工操作和效率不高。隨著圖像測量技術的發(fā)展，成本下降和精度不斷提高，開發(fā)一種適合機器人工作現(xiàn)場，便于攜帶，低成本機器人運動學參數(shù)標定設備成為可能。
[0004]傳統(tǒng)的基于絕對位置誤差的標定模型，涉及到測量坐標系和機器人基礎坐標系的轉(zhuǎn)換，這一過程很難精確標定，而且操作復雜，引入的誤差會大大降低標定精度，很難滿足實際應用的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提供一種工業(yè)機器人運動學參數(shù)標定裝置及標定方法，結構簡單，價格便宜，安裝與操作簡單，標定精度不受坐標轉(zhuǎn)換影響，精度高。
[0006]為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0007]—種工業(yè)機器人運動學參數(shù)標定裝置，包括標定桿、標定平臺和圖像測量系統(tǒng)，所述標定桿安裝在工業(yè)機器人末端，所述標定平臺放置在工業(yè)機器人工作空間內(nèi)，所述圖像測量系統(tǒng)固定在標定平臺上，所述圖像測量系統(tǒng)包括遠心鏡頭、高分辨率CCD和光源所組成的相機、透明的標定平板，遠心鏡頭的光軸與標定平板垂直，標定桿末端沿軸線安裝千分表。
[0008]優(yōu)選的，相機的位置分辨率通過亞像素插值為50?lOOum，視場為50cm。
[0009]優(yōu)選的，所述千分表位置分辨率為20?30um，行程為5cm，千分表運動方向與標定桿軸線同軸，千分表的測頭為小球。
[0010]進一步的，所述標定平臺包括移動導軌，標定平臺沿移動導軌來改變圖像測量系統(tǒng)的位置。
[0011]進一步的，標定平臺底部設有錐體和輪子，所述椎體的高度比輪子的直徑大，所述椎體數(shù)量為3。
[0012]一種工業(yè)機器人運動學參數(shù)的標定方法，包括以下步驟:
[0013]I)、圖像測量系統(tǒng)的自標定，采用相機對透明的高精度標定平板進行成像，利用標定平板上的圖案進行CCD像素標定，獲得圖像空間和平板空間距離轉(zhuǎn)換關系。放置標定裝置在工業(yè)機器人的可達工作空間，該位置是任意的；
[0014]2)、工業(yè)機器人通過標定桿將小球與標定平板接觸后，繼續(xù)壓迫小球使之移動一定距離，千分表測出小球相對位移dl，圖像測量系統(tǒng)測量此時小球中心位置SI，同時記錄此時的工業(yè)機器人所有關節(jié)角度值ΘI向量，然后控制工業(yè)機器人沿標定平板移動，指定小球運動到某位置停止，小球與標定平板接觸，同樣千分表記錄小球相對位移d2、工業(yè)機器人所有關節(jié)角度值Θ 2向量和圖像測量系統(tǒng)測得的小球中心位置S2，這樣獲得小球兩點位置，小球移動距離Da = I S2 -SI I，得到一個距離方程，移動工業(yè)機器人使小球與標定平板分離；
[0015]3)，通過標定平臺的輪子和移動導軌來改變圖像測量系統(tǒng)的空間位置，其他過程同第二步，得到另一距離方程；
[0016]4)，重復步驟3)，獲得一系列距離方程。
[0017]5)，采用距離誤差模型，通過最小二乘法獲得工業(yè)機器人運動學參數(shù)的標定結果。
[0018]進一步的，距離誤差模型如下:
[0019]小球中心位置在工業(yè)機器人的基座標中表示為:Pa= Pn+Jw，其中Pa為小球中心的實際位置向量，Pni為采用工業(yè)機器人名義運動學參數(shù)采用正運動學計算出的名義位置向量，J是工業(yè)機器人標定雅可比矩陣，w是工業(yè)機器人運動學參數(shù)補償值向量，在步驟2)中測量兩個位置，對應方程為:
[0020]Pal= Pni+JiW
[0021]Pa2= Pn2+J2W
[0022]兩式相減得:Pa2-Pal=P m2_Pml+J2lW，其中 J21= J 2_Jl；
[0023]方程取范數(shù)，并去除二階小量，得到距離誤差模型:
[0024]AD= (Pn2-Pnl) ’ J21w/Dn= J dw
[0025]其中Dm為名義距離Dn= PP n2_PnlP，A D為實際距離與名義距離之差AD = Da-Dn,Da為第二步測出的小球移動距離，Jd為距離雅可比矩陣，根據(jù)測得的一系列數(shù)據(jù)，帶入上述方程，采用最小二乘法求得工業(yè)機器人運動學參數(shù)補償值向量W。
[0026]本發(fā)明的有益效果是:
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下顯著優(yōu)點:
[0028](I)相比于激光跟蹤儀，本裝置主要部件是基于相機的圖像測量系統(tǒng)，成本低，易于安裝和操作，且圖像測量精度易于保證。
[0029](2)相比于激光跟蹤儀，由于標定裝置可自由移動，能放置于工業(yè)機器人可達空間任意位置，因此可對機器人全空間進行標定。
[0030](3)采用距離誤差模型進行標定，標定精度不受坐標轉(zhuǎn)換影響，精度高。
【附圖說明】
[0031]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0032]圖1為本發(fā)明工業(yè)機器人運動學參數(shù)標定裝置示意圖。
[0033]其中，1-工業(yè)機器人；2_標定桿；3_圖像測量系統(tǒng)；4_標定平臺；21_小球；23_千分表；31_相機；32_標定平板；41_移動導軌；42_錐體；43_輪子。
【具體實施方式】
[0034]以下結合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明，但是本發(fā)明可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。
[0035]圖1為本發(fā)明的采用距離誤差模型的基于圖像測量的工業(yè)機器人運動學參數(shù)標定裝置的結構示意圖，包括:工業(yè)機器人I ;安裝在工業(yè)機器人末端的標定桿2 ;放置在工業(yè)機器人I可達工作空間內(nèi)的標定平臺4 ;放置在標定平臺4上的圖像測量系統(tǒng)3 ;所述圖像測量系統(tǒng)3包括遠心鏡頭、高分辨率CXD和光源所組成的相機31、透明的標定平板32，遠心鏡頭的光軸與標定平板32垂直，標定桿2末端沿軸線安裝千分表23 ;標定平臺4底部設有錐體42和輪子43，所述錐體42的高度比輪子43的直徑大，所述椎體42數(shù)量為3，傾斜標定平臺4，使標定平臺4底部的錐體42與地面脫離，通過輪子43任意移動標定平臺4到指定位置，然后把標定平臺4扶正，此時標定平臺