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2021年8月MachineryDesign&Manufacture291
基于位姿约束的工业机器人快速标定系统研究
张新星I,王辉2,张元祥彳
(;2,华南理工大学自动化科学与工程学院,广东广州
510640;,浙江衢州324000)
摘要:工业机器人在使用过程中,实际参数与理论参数之间的偏差在一定程度上影响其本体的绝对定位精度。若能精
确地标定出机器人本体的零位参数,在很大程度上就能提高机器人的定位精度。虽然依靠常规的激光跟踪仪和轴销方
法对工业机器人进行零位标定具有一定的成熟度,但是两种标定方法具有时间较长和步骤繁琐等缺点难以普及。鉴于
此,针对传统机器人模型进行研究,提出了一种基于位姿约束的工业机器人快速标定算法。依靠其相应的零位模型能够
较为精确的标定机器人的零位参数,分别对轴销和快速零位标定设备标定出的零位结果进行分析与比较。实验结果表
明,采用快速零位标定设备进行标定在精度上与采用轴销接近,在标定时间和设备成本远低于激光跟踪仪。该方法在普
及使用和市场推广上较有重大的意义。
关键词:工业机器人;标定设备;零位标定;零位模型;
中图分类号:TH16文献标识码:A文章编号:1001-3997(2021)08-0291-04
ResearchontheRapidCalibrationSystemofIndustrialRobot
BasedonPoseConstraint
ZHANGXin-xing1,WANGHui2,ZHANGYuan-xiang3
(,ZhangzhouVocationalandTechnicalCollege,Zhangzhou,Quzhou
324000,China;,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou
510640,China;,ZhangzhouUniversity,Zhangzhou,ZhejiangQuzhou324000,China)
Abstract:Tntheprocessofusingindustrialrobots,thedeviationofactualandtheoreticalparameterspartlyaffectstheabsolute
^­
thoughthecojwentionalmethodsofzerocalibrationforindustrialrobotsbasedonlasertrackerandshaftpinarerelativelyma­
ture,itisdifficulttobewidelyusedbecauseoftheshortcomingssuchaslongtime,,a
­
cordingtoitscorrespondingzeromodel,thezeropositionparametersoftherobotcanbeaccuratelycalibrated,andtheresultscali­
­
tionwithfastzerocalibrationequipmentisclosetothemethodusingtheshaftpinincalibrationaccuracy,,andthecostofcalibra­
tiontimeandequipmentismuchlowerthanthelasertracker.
KeyWords:IndustrialRobot;CalibrationEquipment;ZeroCalibration;ZeroModel
1引言国内外对机器人零位标定做了很多研究,文献m针对机器人
零位进行了深入的研究,跟踪机器人工作空间中的激光线,在跟
工业机器人应用领域越来越广泛,为了满足更多较高精度
工作任务的需要,准确地标定出机器人的零位参数就显得尤其重踪期间记录机器人关节角度,可以估计机器人零点偏移,最后使
要。机器人定位精度误差问题来自于多个方面,其中主要来源是用估计值来确定机器人零位参数,通过比较测量结果和运动学模
机器人的制造加工误差和关节零位误差,利用常规的标定误差模型确定了最小二乘意义上的零偏移量叫但该算法主要缺点是耗
型,能够较好地解决误差问题。机器人零位参数作为机器人参数时过长,方法复杂一旦其中一个环节有问题需要重新标定。文
标定中的一种重参数,可以提升机器人的性能参数,满足高精度献⑷提出了一种标定算法,可以通过补偿运动学模型相关本体参
作业的需求。数来增强其零位精度。但是主要标定效果好坏完全依赖于运动
来稿日期:2020-06-17
基金项目:浙江省自然科学基金(Y406234)—直接甲醇燃料电池纳米钛网基阳极的研究;国家自然科学基(50975259)7粒增强涂层材料损
伤与破坏的多尺度模拟与实验研究
作者简介:张新星,(1982-),男,浙江衢州人,副教授,硕士研究生,主要研究方向:柔性制造技术、控制技术
292张新星等:基于位姿约束的工业机器人快速标定系统研究第8期
学模型,不具备容错性叫文献⑸提出了一种在机器人上的传感灵T可以经过推导求解得到、钦为已知参数,最终得到的
器(特别是相机)的标记方法,计算机械手速度对相机图像中标记:T为标定值的结果o
定位误差的方法叫文献⑷提出了基于POE的串行机器人运动参3快速标定算法
数标定方法,该方法标定速度快,但是精度不够叫
快速标定算法为:在对机器人本体进行快速零位标定时,首
首先总结了以上方法的优缺点,针对传统轴工业机器人的
6先需要一个待标准标定的机器人本体,然后记录下机器人各个关
零位参数标定方法进行了深入的研究。其次分析机器人零位模
节的角度值。
型,构建了零位标定模型。再次,依靠快速零位标定设备,摆脱依
最后对于待标定机器人持测试块到待测位姿,使用快速零
靠昂贵的激光跟踪仪过程复杂的传统标定方法,为新型零位标定
位标定算法,使得标定块在0rxryrzr中的表全部接触,点击标
方法提供了新思路。最后,通过对比实验,快速零位标定设备在
定按钮,完成对机器人本体的标定。
标定精度上与轴销的标定结果近似,设备造价低廉,可以广泛向
机器人企业推广。
要想获取机器人本体的零位参数,必须对标定设备进行建
2机械模型结构模,如图2所示,为标定设备的坐标系。机器人标定块的位姿传
;&
快速零位标定平台可以在原有机器人本体上稍微加工,即机器人测量块的位姿传递关系为紘=餵紐=:R歎,其中
可快速的进行安装。如图1所示,为机器人、测量块及快速标定紘为未知量,需要计算。
测试台组成示意图。
求解:R、R(Max)”表示千分表孑L的位置坐标,其中"代表第
n个孔;
R(Max)3R(Max)〔xR(Max)3R(Max)2
Z@)R=|,「
^R(Max)3R(Max)〔xR(Max)3R(Max)21
R(Max)5R(Max)4xZ(a)«
=|------:----------[(1)
|l?(Ma%)57?(Ma%)4xZ(a)R|
Pt、Z@)rXX(71)r
Y(o)r=|,—一
|z@)rXX@)r|
可以求得:仪二[x(zi)r,Y(o)r,Z@)J。
图]测量块及快速标定测试台组成示意图
,MeasuringBlockand求解;R、R(E”表示千分表的绝对读数,其中n代表第n个
QuickCalibrationTestBench孔;
机器人:为6轴PUMA结构型号机器人,该机器人拥有6个
自由度,是现在市场应用最为广泛的一款通用型机器人。因此,(、/?(%)3«(兀)1X(光)3_R(兀)2
Z(a)T—「,|
本文选择以该机器人为研究对象进行深入的研究。|1?(%)37?(%)1x/?(%)3/?(%)21
测量块:测量块安装在机器人6轴法兰上,用于接触快速标_R(x)5R(x)4xZ(a)R
T=,I
定设备中的千分表。接触千分表时,要保证千分表与测量块充分⑵
|人(兀)5人(光)4XZ(a)j
接触,以满足千分表能够t十算出测量块的位置数据。
Z@)rxX(?z)r
快速标定测试台:快速标定测试台_端安装有6块千分表,Y(o)
用于测量机器人零位的值。另外一端安装在机器人底座,用于固
可以求得紘=区@)拜(。)/@)订。将上面的结论赋值给
定测试设备的固定。
=KR即为机器人的姿态矩阵,由此机器人的姿态矩阵求
机械手部夹持一测量块,在测量块的坐标系为OtXtYtZto得。
标定块的坐标系为OrXrYrZro矢量7?
位置在坐标系的方向余弦表示机器人手
^
部姿态。
已知一个平面上的三个点为(Rlx,Rly,Rl^(R2x,R2y,R2^
机器人本体姿态矩阵和工具矩阵钦,所以机器人的位姿
传递关系为幼烈(1?3/3菸3)由三点式可以得到平面方程:
人=(R3厂Rly)(R2,-Rlj-(R2y-Rly)(R32-Rl2)式中:cosa、co咱、cos—平面法矢量的方向余弦,一原点到平面
Bi=g-R1J(◎-7?1J+(R3X-R1X)(R2Z-Z?lz)的距离。终上所述已知:
'Ci=(7?3X-/?lx)(7?2y-7?ly)-(R2X-7?lx)(l?3y-AlJ
AA-R6+B-R6+C^R6XJ*
出&-7?1J+/(y-7?ly)+C](z-7?1J=0A
A2+B2+C2
已知标定块的各个方向的单位向量“表示千分表的绝A-R6x+B-R6y+C-R6_
°7ayB
对读数,其中仏代表第卩个孔,由点法式确定三个平面方程。A2+B2+C2(6)
再求三个相互垂直的平面相交的交点,可以求得交点为:A-R6+B-R6+C'R6xyz2
.C--------------------------------------------------------------------
A2+B2+C2
0001
(B1C3-B3C1)(C2D1-C1D2)
x—-----------------------------------------
(4&2-A2C1')(B1C3-B3C^~
o_oTrt
T1~~R1T1
(4jC3-A3C1)(B1C2—B2C^)
~rX(u)x
级(必紘(近rP:
迟
{⑶=紘冋级(叭紅他
^1C3-A3C1)(C2jD1-C1D2)级(必紘(讥
-紘(必rP2
y~~(A1C2-A2Cl)(B1C3-B3C1)~
0001_
A-R6X+
-Arx-Bxy_D]B・R6”+C・R6
z=Q紘(必级(。)”念(臥A-------J----------
A2+
B2+C2
A-R6r+
B-R6+C-R6Z
tY(o\-B-------L-----------
A2+B2+C2
A-R6X+
・・
R、BR6y+CR6z
Y(o)z:Z@)c
TJ"A2+B2+C2
0001
°xaxP:
ayPy
tT=eTtT=Oy为未知量,需要计算。将计
°za2Pz
001_
算结果更新至机器人控制器即可。
图2六块千分表的标定模块示意图
,但是在标定时间和设备成本太
设千分表读数为零时,R(Q”=L为千分表相对7?(町”伸出高,不具备广泛的推广性,所以本文不以激光跟踪仪的数据作为
的长度。已知三个位置点:7?6(人,人3)6厶)、尼(_/3局虫(可3)、比较参考。下面文章分别对轴销和快速零位标定设备标定出的
零位参数结果进行比较分析,以此来判断该方法是否可以在广泛
龟(R(%)5,%5丿5)。
的向机器人企业进行推广。
式中:人、心3、爲、他仏一机械提供的参数;1?(可6、人(司3、人3)5—千
分表的读数。由平面三点式方程得到平面方程:
A(x-R6X)+B(y-R6y)+C(z-R6Z)=0(4)先用轴销对机器人进行标定,采集机器人的码盘值和角度
值。与理论的机器人的码盘值和角度值进行比较。
A=(R3厂R6r)(R5z-R6j-(7?5厂R6y)(R3z-R6j
其中B=-(Z?3X-R6x)(R52-R6Z)+(R5X-R6X)(R3Z-R6Z)表1理论计算值与轴销标定值对比
C=(R3*-R6x)(R5y-R6y)~(R5X-R6x)(R3y-R6y)
withtheCalibrationValueoftheShaftPin
Ax+By+Cz=A-R6X+B'R6y+C-R6^
1轴2轴3轴
D=A-R6X+B・R6y+C-R6^Ax+By+Cz=D可以得到:
°-°-°
cosa=A/y/A2+B2+C2
°-°-°
袒=
coB/VA2+B2+C24轴5轴6轴
7____________(5)
cosy=C/VA2+B2+C2理论计算值0°°°
p=(A・R6”+B・R6y+C・R6J/VA2+B2+°-°-°
从表1可以看出,机械计算角度数值和机器人实际角度值差可识别参数的最大数量是6n+6o
距很大。由于其机器人加工技术和装配技术,导致机器人实际的5结束语
零位值与理论值差异较大,误差较为明显。
对机器人的零位参姻行准确的标定是机器人定位精度提
,如何能够快速、方便、经济获得机器人零位模型是
首先,机器人快速零位标定算法采用先调整姿态、再调整位本文的核心思想。现有企业机器人的零位参数主要依靠激光跟
置的计算方案。由于机器人的姿态与标定块的姿态如果不一致,踪仪和轴销进行常规的零位标定。鉴于此,本文针对机器人零位
则机器人末端执行器原点相对与标定块的位置是不好确定的,所参施型,提出一种基于位姿约束的工业机器人快速标定算法,
以要采用调整姿态后,再调整机器人的位置的设计思路来确定机阐述了计算零位的方法和原理。依靠其相应的零位模型能够较
器人整体的变换矩阵。其次针对快速零位标定方法进行分析,再为精确的标定机器人的零位参数,分别对轴销和快速零位标定出
次与轴销零位参数进行对比分析。如表2所示,从表中可以看到的零位结果进行分析与比较。实验结果表明,校正后的绝对精度
两者相差不大,相差最多的关节为第三轴。得到了提高,而且仅仅需要简单的配置即可进行工作。快速零位
表2比较零位码标定算法不仅以传统工业机器人零位模型为模板,同时具备轴销
标定的标定效果,具有更好的误差模型。下一步将研究基于位姿
1轴2轴3轴
约束的工业机器人快速标定算法是否也可以应用在7轴机器人
°-°-°
上进行研究,以满足算法的普遍性。
--
参考文献
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°-°-°
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标定效果,采用均方差和均方根误差来评估机器人的标定度。相
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术难点较低,企业可以很快的掌握。当机器人关节增加测量数据
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需要修改,这是本算法的一个缺点,但是轴机器人是最广泛的
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一种构型,所以后期需要加入轴和轴即可满足需求。
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对基于位姿约束的工业机器人快速标定算法进行以下约[10],-loop
束:1)所有关节刚接触千分表时候,各个关节依靠其理论计算⑵closedkinematicchainsformedbymanipulatorswithpassiveendpoint
千分表只能替代轴销和其他标定粗略的标定设备,不能替代激光constraints[j],IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,
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