[00120289]一种工业机器人运动学参数简易标定装置及其标定方法

课题来源与背景 该课题来源于安徽工业大学自立项目,研究背景是,随着工业机器人在工业生产中应用范围及其任务复杂程度的不断扩大,对工业机器人的位置和姿态精度要求也越来越高。目前工业机器人具有很高的重复定位精度,达到0.1mm量级。然而绝对定位精度却很低,只有1cm量级,这严重限制了工业机器人的应用范围。众多原因导致工业机器人定位精度低,其中最重要的是运动学模型中几何结构的参数偏差。标定技术是补偿这些参数偏差的有效方法,因此成为研究热点。标定就是应用先进的测量手段和基于模型的参数识别方法辨识出机器人模型的准确参数,从而提高机器人定位精度。 三十余年来,机器人标定领域已经取得了一些令人瞩目的成果。测量方法主要有两类方法,其中一类方法需要高精度的测量设备来精确测量机器人末端的位置,比如三坐标测量机和激光跟踪仪等。这些设备昂贵,限制了其应用场合。另一类方法是在机器人末端施加一些约束形成运动学闭链,主要是平面约束和球约束,这需要复杂精确的手工操作和效率不高。 技术原理及性能指标 本发明提供一种装置结构简单,成本低,安装与操作简单,能够标定工业机器人的所有连杆参数,主要包括连杆长度、连杆扭角、连杆偏置和关节转角的装置及方法。 为实现上述目的,本发明的工业机器人运动学参数标定装置包括：标定块和标定杆。标定块具有两个互相垂直的标定平面,标定平面具有较高的平面度和粗糙度,及垂直度要求,以保证标定精度。标定杆固定偏置安装在机器人本体末端,标定杆末端沿轴线安装千分表。 优选的,所述千分表位置分辨率为20～30um,行程为5cm,千分表运动方向与标定杆轴线同轴,千分表的测头为小球。 本发明还提供一种基于上述标定装置的标定方法,该方法包括： 第一步,放置标定块在工业机器人的可达工作空间,该位置是任意的,具体位置是不需要知道的。 第二步,工业机器人本体通过标定杆将千分表测头小球与一标定平面接触,由于千分表测头可自由移动,接触有柔性,使操作容易,千分表测出小球相对位移,记录工业机器人所有关节角度值。操作工业机器人在多个位置（大于等于3个）使千分表测头小球与这一标定平面接触,千分表记录每个接触位置的小球相对位移、对应记录每个接触位置的工业机器人所有关节角度值。工业机器人本体通过标定杆将千分表测头小球与另一标定平面在多个位置（大于等于3个）接触,千分表记录每个接触位置的小球相对位移、对应记录每个接触位置的工业机器人所有关节角度值。 第三步,改变标定块的空间位姿,其他过程同第二步。 第四步,重复第三步多次。 第五步,利用千分表测头小球三点与标定平面接触,可计算出标定平面的法向。获得两个标定平面法向后,根据这两个法向垂直约束,列出含有标定参数的位置坐标矩阵方程,整理成Ax=B的形式;其中A为矩阵形式,w为含有标定参数的列向量,B为列向量。通过最小二乘法求解该矩阵方程,获得工业机器人运动学参数的标定结果。 技术的创造性与先进性 本发明与现有技术相比,其显著优点：（1）相比于激光跟踪仪,本装置主要部件是高精度千分表和标定块,成本低。（2）相比于激光跟踪仪,由于标定装置可自由移动,能放置于工业机器人可达空间任意位置,因此可对机器人全空间进行标定。（3）标定过程不需绝对位置,标定精度不受坐标转换影响,精度高。（4）相对于传统平面约束法,不需复杂的最优化算法,计算简单可靠。（5）千分表测头小球可自由移动,使接触操作十分简易可行。 技术的成熟程度,适用范围和安全性 该技术在理论上是完全成熟的,困难主要在于该装置的几个核心零部件,如标定块和标定杆,要求比较高,如标定块要具有两个互相垂直的标定平面,标定平面具有较高的平面度和粗糙度,及垂直度要求,以保证标定精度。标定杆固定偏置安装在机器人本体末端,标定杆末端沿轴线安装千分表,千分表位置分辨率为20～30um,行程为5cm,千分表运动方向与标定杆轴线同轴,千分表的测头为小球。如果这两个零部件能加工出来,则该技术完全可以实用。 适用范围：各个机器人公司用于标定机器人精度和高校用于机器人研究。 安全性：不存在任何安全风险 应用情况及存在的问题 目前还没有开展应用,主要问题是开发这个产品存在一定风险,同时国内机器人公司都是中低端产品,对精度要求不高,开发标定装置的动力不足。