一种机器人轨迹误差的测量方法技术

本发明专利技术涉及一种机器人轨迹误差的循迹测量方法，本发明专利技术可以测量机器人全程或局部最大运动误差：若需要测量机器人某一段时间内或全程最大运动误差，在机器人运动过程中，通过视觉成像系统全程实时采集机器人末端实际运动轨迹与轨迹发生器产生的理论轨迹，通过比较两种轨迹，可得到机器人某一段时间内或全程最大运动误差。本发明专利技术可以测量机器人运动过程中关键离散点运动误差：在机器人运动过程中，控制机器人在某一关键点处停止运动，通过视觉成像系统实时采集此时机器人末端实际空间点坐标与轨迹发生器产生的理论空间点坐标，计算两点之间距离，可得到关键离散点处的机器人运动误差。本发明专利技术采用循迹测量的方法，在机器人运动过程中，对机器人末端的运动轨迹进行实时误差测量。

Method for measuring error of robot trajectory

Tracking measuring method of the invention relates to a robot trajectory error, the invention can measure the whole or local maximum robot motion error: if the need for a certain period of time or full maximum measuring robot motion error in the motion process, through the theoretical trajectory visual imaging system in real time throughout the collection at the end of the robot trajectory and actual trajectory generator which, by comparing the two kinds of trajectory can be obtained within a certain period of time or full maximum motion error of robot. The invention can be key to discrete point motion error motion measurement process: robot in robot motion control, robot stop at a key point, through the visual imaging acquisition system at the robot actual spatial coordinates and trajectory generator generating theory of spatial coordinates, calculate the distance, can get the robot motion the key point of the discrete error. The invention adopts the method of tracking measurement, when the robot moves, the trajectory of the robot real-time measurement error.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人运动轨迹误差测量方法，具体涉及一种轨迹发生器和视觉测量系统相结合的机器人轨迹误差的测量方法。
技术介绍
在先技术(机械科学与技术，2011年2期，20卷，第252页，钱瑞明《挠性机器人动态误差集成激光测量与补偿研究》)提出一种基于3个激光发生器和3个激光位置检测器(PSD)的挠性构件动态误差测量方法,该法可以测量除杆长方向外的5个变形分量,且光路和测量模型简单；建立了PSD上光点位置与构件各误差分量及机器人末端执行器动态误差之间的关系，并给出其补偿控制方法。但其控制过程复杂，计算繁琐，容易出现因控制误差而导致测量结果不准确的问题。在先技术(机械传动，2013年5期，6卷，第50页，王良文《用于物体捕捉的四足步行机器人的运动误差模型》)提出在四足机器人的机体上，安装图像捕捉系统，用于引导机器人完成对目标物的抓取。并在对抓取状态逆运动学分析的基础上，建立精确的图像捕捉系统误差与机器人的工作臂参数误差之间的关系，给出了详细的计算公式，得到机器人运动过程中的运动误差并进行补偿。此机器人运动误差的获取是通过采集外界环境的改变的图像来逆向计算出机器人工作臂运动误差，测量精度受后期图像处理精度限制。在先技术(浙江大学，专利号：201010552545.5)提到一种基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统：通过总分光镜将来自扫频激光器的光信号分成X向光信号和Y向光信号，并打到安装在机床导轨的靶镜上。最后，通过X向检测机构和Y向检测机获取机床导轨的圆轨迹运动误差。此专利技术装置只能检测平面上机器人轨迹运动误差，应用领域较窄。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种机器人轨迹误差的测量方法，本专利技术可以实现机器人全程或局部最大运动误差测量：在机器人运动过程中，通过视觉成像系统全程实时采集机器人末端实际运动轨迹，同时轨迹发生器产生机器人运动的理论轨迹，通过比较两种轨迹，可得到机器人某一段时间内或全程最大运动误差。本专利技术提出的机器人轨迹误差的测量方法，所述方法通过用于轨迹发生器的旋转双棱镜系统和用于轨迹图像采集的双目视觉测量系统实现，所述方法用于对机器人全程或局部最大运动误差进行测量，其中：所述旋转双棱镜系统包括第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2，第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2同轴布置；所述双目视觉测量系统包括第一相机3、第二相机4、第一支杆5、第二支杆6和底板7，第一相机3与第一支杆5一端相连，第一支杆5另一端固定于底板7上；第二相机4与第二支杆6一端相连，第二支杆6另一端固定于底板7上。第一相机3和第二相机4同时对机器人末端9进行拍摄，并设置同样的拍摄间隔；对拍摄的照片进行特征匹配，匹配的内容为机器人末端标记点10和激光点11；具体步骤如下：(1)在关节机器人末端粘贴一个标记点10。(2)根据关节机器人各关节的运动角度以及角速度，计算出标记点10随时间变化的理论运动位置曲线T1(X,Y,Z)；(3)基于旋转双棱镜逆向方法，根据步骤(2)所述的理论运动位置曲线T1(X,Y,Z)可以计算出旋转双棱镜1和旋转双棱2的旋转角度(θ1(t),θ2(t))和旋转速度(v1(t),v2(t))；其中：(4)控制机器人和旋转双棱镜系统同时动作，入射激光从第一旋转双棱镜1入射面中心垂直入射，并根据已知的旋转角度(θ1(t),θ2(t))和旋转速度(v1(t),v2(t))，控制第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2旋转；使得出射激光打在机器人末端9上标记点10的理论运动位置曲线T1(X,Y,Z)上，作为机器人的理论轨迹发生器；(5)第一相机3和第二相机4对机器人末端9进行拍照；(6)对同一时刻第一相机3和第二相机4拍摄的照片，进行机器人末端标记点的图像匹配，得到机器人末端标记点在第一相机3内的图像坐标系坐标(x1,y1)，在第二相机4内的图像坐标系坐标(x2,y2)；(7)对同一时刻第一相机3和第二相机4拍摄的照片，进行机器人末端上激光点的图像匹配，得到激光点在第一相机3内的图像坐标系坐标(x3,y3)，在第二相机4内的图像坐标系坐标(x4,y4)；(8)基于双目视觉测量方法，通过步骤(6)得到的标记点10在第一相机3内的图像坐标系坐标(x1,y1)，与在第二相机4内的图像坐标系坐标(x2,y2)，可计算出机器人运动时末端上标记点10的三维坐标(X1,Y1,Z2)；由步骤(7)得到的激光点11在第一相机3内的图像坐标系坐标(x3,y3)，与在第二相机4内的图像坐标系坐标(x4,y4)，可计算出机器人运动时末端上激光点11的三维坐标(X2,Y2,Z2)；(9)根据得到的一系列激光点11的三维坐标，进行机器人实际运动轨迹拟合，得到机器人实际运动轨迹曲线为T2(X,Y,Z)；(10)通过比较实际运动轨迹和理论运动轨迹两条曲线间距离，可得到机器人全程或局部最大运动误差。本专利技术中，步骤(3)中所述旋转双棱镜逆向方法，具体步骤如下：(1)第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2的楔角为α，入射光从第一旋转双棱镜1垂直入射，并打在第一旋转双棱镜1入射面中心。已知目标点P(Xp,Yp,Zp)，并设置出射点位置精度为Δ0；(2)假设出射光在第二旋转双棱镜2上的出射点为第二旋转双棱镜2出射面中心N0(0,0)，以为出射光向量，得到此时出射光俯仰角ρ1和方位角ρ1＝arccos(zP)，(3)令第一旋转双棱镜1旋转角度θ1＝0°且静止不动，仅第二旋转双棱镜2旋转。基于旋转双棱镜矢量折射定理可得：ρ＝arccos(cosδ1cosδ2-sinδ1sinδ2cos△θr)；式中：△θr＝θ1-θ2为两棱镜夹角，δ1为棱镜1的偏向角，即光束通过棱镜1后出射光偏离入射光的角度。可求得δ1＝arcsin(n·sinα)-α。δ2为棱镜2的偏向角，即光束通过棱镜2后出射光偏离入射光的角度。可求得其中，为棱镜2的等效折射率，其值为γr＝arctan(tanδ1·cos△θr)，βr＝arccos(sinδ1sin△θr)。将步骤(2)得到的出射光俯仰角ρ1带入公式，求出双棱镜夹角为Δθr，即第二旋转双棱镜2旋转角度为θ2＝-Δθr。此时，基于矢量折射定理，根据第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2的旋转角度(0°,-Δθr)，计算此时出射光的方位角为(4)根据步骤(2)得到的方位角和步骤三得到方位角将棱镜1和棱镜2的旋转角度同时增大后，即可求得第一旋转双棱镜1和第二旋转双棱镜2旋转角度(θ1,θ2)为(5)根据步骤(4)得到的两棱镜转角(θ1,θ2)，基于旋转双棱镜矢量折射定理，求解实际打在机器人末端点P1(X1p,Y1p,Z1p)和棱镜2出射点位置N1(x1n,y1n)；(6)计算偏差判断是否满足精度要求，即是否满足Δ﹤Δ0，Δ0为给定的目标点精度；(7)若Δ≥δ，回到步骤(2)中，计算以为出射光向量时的俯仰角ρ1和方位角重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)和(6)，若Δ﹤Δ0，则结束，得出旋转双棱镜转角解(θ1,θ2)。本专利技术中，步骤(10)中所述全程或局部最大运动误差计算方法，具体步骤如下：(1)根据得到的理论运动轨迹曲线T1(X,Y,Z)和实际运动轨迹曲线T2(X,Y,Z)。将两条运动轨迹曲线放置在同一空间坐标下。(2)将理论运动轨迹曲线T1(X,本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机器人轨迹误差的测量方法，其特征在于所述方法通过用于轨迹发生器的旋转双棱镜系统和用于轨迹图像采集的双目视觉测量系统实现，所述方法用于对机器人全程或局部最大运动误差进行测量，其中：所述旋转双棱镜系统包括第一旋转双棱镜(1)和第二旋转双棱镜(2)，第一旋转双棱镜(1)和第二旋转双棱镜(2)同轴布置；所述双目视觉测量系统包括第一相机(3)、第二相机(4)、第一支杆(5)、第二支杆(6)和底板(7)，第一相机(3)与第一支杆(5)一端相连，第一支杆(5)另一端固定于底板(7)上；第二相机(4)与第二支杆(6)一端相连，第二支杆(6)另一端固定于底板(7)上；第一相机(3)和第二相机(4)同时对机器人末端(9)进行拍摄，并设置同样的拍摄间隔；对拍摄的照片进行特征匹配，匹配的内容为机器人末端标记点(10)和激光点(11)；具体步骤如下：(1)在关节机器人末端粘贴一个标记点(10)；(2)根据关节机器人各关节的运动角度以及角速度，计算出标记点(10)随时间变化的理论运动位置曲线T1(X,Y,Z)；(3)基于旋转双棱镜逆向方法，根据步骤(2)所述的理论运动位置曲线T1(X,Y,Z)可以计算出旋转双棱镜(1)和旋转双棱(2)的旋转角度(θ1(t),θ(2)(t))和旋转速度(v1(t),v(2)(t))；其中：(4)控制机器人和旋转双棱镜系统同时动作，入射激光从第一旋转双棱镜(1)入射面中心垂直入射，并根据已知的旋转角度(θ1(t),θ(2)(t))和旋转速度(v1(t),v(2)(t))，控制第一旋转双棱镜(1)和第二旋转双棱镜(2)旋转；使得出射激光打在机器人末端(9)上标记点(10)的理论运动位置曲线T1(X,Y,Z)上，作为机器人的理论轨迹发生器；(5)第一相机(3)和第二相机(4)对机器人末端(9)进行拍照；(6)对同一时刻第一相机(3)和第二相机(4)拍摄的照片，进行机器人末端标记点的图像匹配，得到机器人末端标记点在第一相机(3)内的图像坐标系坐标(x1,y1)，在第二相机(4)内的图像坐标系坐标(x(2),y(2))；(7)对同一时刻第一相机(3)和第二相机(4)拍摄的照片，进行机器人末端上激光点的图像匹配，得到激光点在第一相机(3)内的图像坐标系坐标(x(3),y(3))，在第二相机(4)内的图像坐标系坐标(x(4),y(4))；(8)基于双目视觉测量方法，通过步骤(6)得到的标记点(10)在第一相机(3)内的图像坐标系坐标(x1,y1)，与在第二相机(4)内的图像坐标系坐标(x(2),y(2))，可计算出机器人运动时末端上标记点(10)的三维坐标(X1,Y1,Z(2))；由步骤(7)得到的激光点(11)在第一相机(3)内的图像坐标系坐标(x(3),y(3))，与在第二相机(4)内的图像坐标系坐标(x(4),y(4))，可计算出机器人运动时末端上激光点(11)的三维坐标(X(2),Y(2),Z(2))；(9)根据得到的一系列激光点(11)的三维坐标，进行机器人实际运动轨迹拟合，得到机器人实际运动轨迹曲线为T2(X,Y,Z)；(10)通过比较实际运动轨迹和理论运动轨迹两条曲线间距离，可得到机器人全程或局部最大运动误差。...

【技术特征摘要】
1.一种机器人轨迹误差的测量方法，其特征在于所述方法通过用于轨迹发生器的旋转双棱镜系统和用于轨迹图像采集的双目视觉测量系统实现，所述方法用于对机器人全程或局部最大运动误差进行测量，其中：所述旋转双棱镜系统包括第一旋转双棱镜(1)和第二旋转双棱镜(2)，第一旋转双棱镜(1)和第二旋转双棱镜(2)同轴布置；所述双目视觉测量系统包括第一相机(3)、第二相机(4)、第一支杆(5)、第二支杆(6)和底板(7)，第一相机(3)与第一支杆(5)一端相连，第一支杆(5)另一端固定于底板(7)上；第二相机(4)与第二支杆(6)一端相连，第二支杆(6)另一端固定于底板(7)上；第一相机(3)和第二相机(4)同时对机器人末端(9)进行拍摄，并设置同样的拍摄间隔；对拍摄的照片进行特征匹配，匹配的内容为机器人末端标记点(10)和激光点(11)；具体步骤如下：(1)在关节机器人末端粘贴一个标记点(10)；(2)根据关节机器人各关节的运动角度以及角速度，计算出标记点(10)随时间变化的理论运动位置曲线T1(X,Y,Z)；(3)基于旋转双棱镜逆向方法，根据步骤(2)所述的理论运动位置曲线T1(X,Y,Z)可以计算出旋转双棱镜(1)和旋转双棱(2)的旋转角度(θ1(t),θ(2)(t))和旋转速度(v1(t),v(2)(t))；其中：(4)控制机器人和旋转双棱镜系统同时动作，入射激光从第一旋转双棱镜(1)入射面中心垂直入射，并根据已知的旋转角度(θ1(t),θ(2)(t))和旋转速度(v1(t),v(2)(t))，控制第一旋转双棱镜(1)和第二旋转双棱镜(2)旋转；使得出射激光打在机器人末端(9)上标记点(10)的理论运动位置曲线T1(X,Y,Z)上，作为机器人的理论轨迹发生器；(5)第一相机(3)和第二相机(4)对机器人末端(9)进行拍照；(6)对同一时刻第一相机(3)和第二相机(4)拍摄的照片，进行机器人末端标记点的图像匹配，得到机器人末端标记点在第一相机(3)内的图像坐标系坐标(x1,y1)，在第二相机(4)内的图像坐标系坐标(x(2),y(2))；(7)对同一时刻第一相机(3)和第二相机(4)拍摄的照片，进行机器人末端上激光点的图像匹配，得到激光点在第一相机(3)内的图像坐标系坐标(x(3),y(3))，在第二相机(4)内的图像坐标系坐标(x(4),y(4))；(8)基于双目视觉测量方法，通过步骤(6)得到的标记点(10)在第一相机(3)内的图像坐标系坐标(x1,y1)，与在第二相机(4)内的图像坐标系坐标(x(2),y(2))，可计算出机器人运动时末端上标记点(10)的三维坐标(X1,Y1,Z(2))；由步骤(7)得到的激光点(11)在第一相机(3)内的图像坐标系坐标(x(3),y(3))，与在第二相机(4)内的图像坐标系坐标(x(4),y(4))，可计算出机器人运动时末端上激光点(11)的三维坐标(X(2),Y(2),Z(2))；(9)根据得到的一系列激光点(11)的三维坐标，进行机器人实际运动轨迹拟合，得到机器人实际运动轨迹曲线为T2(X,Y,Z)；(10)通过比较实际运动轨迹和理论运动轨迹两条曲线间距离，可得到机器人全程或局部最大运动误差。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中所述旋转双棱镜逆向方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李安虎，左其友，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31