机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法技术

本发明专利技术提出了一种机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法，包括：建立力传感器测量力模型及力矩模型；对所述工业机器人的辨识运动进行标定，设计标定运动，使得所述工业机器人处于多种特定位形下，获得的相应世界坐标系到传感器坐标系的转换矩阵，使得传感器零偏和负载重力或重力矩解耦；根据工业机器人处于多种特定位形下的力传感器测量值与负载重力项存在关系，通过采集运动过程力传感器测量数据，同步得到要辨识的力传感器零偏和工具负载重量参数。本发明专利技术利用机器人特定位形获得使力传感器零偏和负载重力参数解耦的转换矩阵，不仅适用于机器人地面安装，也适用于墙装、吊装和斜装情形。

Simultaneous calibration method for bias and load parameters of robot end force sensor

The invention provides a method for synchronous calibration of zero offset and load parameters of a robot end force sensor, which includes: establishing a force sensor measuring force model and a torque model; calibrating the identified motion of the industrial robot and designing the calibrated motion so as to make the industrial robot in a variety of specific configurations and obtain the phase. The zero deviation of the sensor and the load gravity or gravity moment are decoupled according to the transformation matrix from the world coordinate system to the sensor coordinate system. Sensor bias and tool load weight parameters. The invention obtains the transformation matrix which decouples the zero deviation of the force sensor and the load gravity parameters by using the specific configuration of the robot, and is suitable not only for the robot ground installation, but also for the wall installation, hoisting and skew installation.

【技术实现步骤摘要】
机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法
本专利技术涉及工业机器人
，特别涉及一种机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法。
技术介绍
在工业制造领域，有很多零件需要在焊接、铸造、成型或加工后进行后处理，包括打磨，抛光及去毛刺。例如汽车行业的发动机缸体、缸盖、变速箱壳体、汽车轮毂；一般行业的卫浴五金；3C行业的笔记本电脑、平板电脑、手机等。与手持打磨相比，机器人打磨能有效提高生产效率，降低成本，提高产品良率，但是由于机械臂刚性，定位误差等其他因素，采用机器人夹持电动，气动产品打磨针对不规则表面处理时容易出现断刀或者对工件造成损坏等情况发生。传统的机器人打磨清理技术采用位置控制原理，需要尽可能精确地确定机器人运行路径，编程工作复杂而耗时。随着机器人力控技术的发展，机器人已可以实现压力控制和变速控制，从而如同人手一般的柔顺打磨。目前工业机器人实现力控制的一般做法是在法兰盘末端安装力传感器，通过力传感器实时测量外部力，并通过相应的力控制算法将外部力信息转换为关节运动控制指令，从而实现对外部力的准确跟踪输出。由于机器人末端装配了工具负载，为估计外部力，需要已知负载的重量和质心，以计算不同姿态下的负载重力和重力矩，将力传感器测量到的总外力和力矩减去此信息才能得到准确的外部力和力矩。标准的工具负载可以通过CAD建模获取，但由于加工误差的存在和应用场景的多样化，构型复杂的工具负载的重力参数往往难以准确获得，因此负载重力参数的辨识是实现外力估计和力控制的重要环节。另外，目前大多数力传感器因其物理原理限制，存在一定的零偏和温度漂移，为获取准确的外力信息同样需要估计此值。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法。为了实现上述目的，本专利技术的实施例提供一种机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法，包括如下步骤：步骤S1，建立力传感器测量力模型及力矩模型，其中，力传感器测量力和力矩的数学模型如下其中，为力传感器力和力矩零偏，为负载的重力和重力矩，和为外部力和力矩；步骤S2，对所述工业机器人的辨识运动进行标定，设计标定运动，使得所述工业机器人处于多种特定位形下，获得的相应世界坐标系到传感器坐标系的转换矩阵使得传感器零偏和负载重力或重力矩解耦；步骤S3，根据步骤S2中工业机器人处于多种特定位形下的力传感器测量值与负载重力项存在关系，通过采集运动过程力传感器测量数据，同步得到要辨识的力传感器零偏和工具负载重量参数。进一步，在所述步骤S1中，设法兰坐标系原点到负载质心的矢量为则d则在力传感器测量坐标系中的详细表达式为：其中，SF为力传感器测量力在力传感器坐标系下的表达式，ST为力传感器测量力矩在力传感器坐标系下的表达式，为从世界坐标系到传感器坐标系的转换矩阵，由传感器安装和机器人姿态共同决定，需要辨识的参数为力传感器零偏F0和T0、负载质量mload及负载质心位置xc,yc,zc。进一步，在所述步骤S2中，所述工业机器人处于三种预设位形下的力传，感器测量值与负载重力项存在关系，如下：进一步，在所述步骤S3中，结合步骤S2中多种特定位形下的辨识运动，通过采集运动过程力传感器测量数据，可同步得到要辨识的力传感器零偏和工具负载重量参数：根据本专利技术实施例的机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法，具有以下特点1)辨识时间短，且只需采集力传感器自身传感数据，无需额外测量设备，代价小便于应用；2)利用机器人特定位形获得使力传感器零偏和负载重力参数解耦的转换矩阵，不仅适用于机器人地面安装，也适用于墙装、吊装和斜装情形。3)辨识运动简单、安全，空间范围小，任务现场适用性强。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术实施例的机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法的流程图；图2a至图2d为根据本专利技术实施例的工业机器人的四种位置示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。本专利技术提供一种机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法，该方法包括标定设计和力传感器零偏和负载重力参数处理两部分，其中标定运动设计，通过调整机器人位形使末端力传感器处于特定姿态，从而获得使力传感器零偏和负载重力参数解耦的转换矩阵；力传感器零偏和负载重力参数处理方法，由特定标定运动得到的传感数据计算出力传感器6轴零偏、负载质量和质心位置。本专利技术适用于地面及斜面安装条件下的通用工业机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定。如图1所示，本专利技术实施例的机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法，包括如下步骤：步骤S1，建立力传感器测量力模型及力矩模型，其中，力传感器测量力和力矩的数学模型如下其中，为力传感器力和力矩零偏，为负载的重力和重力矩，和为外部力和力矩。具体的，设法兰坐标系原点到负载质心的矢量为则则在力传感器测量坐标系中的详细表达式为：其中，SF为力传感器测量力在力传感器坐标系下的表达式，ST为力传感器测量力矩在力传感器坐标系下的表达式，为从世界坐标系到传感器坐标系的转换矩阵，由传感器安装和机器人姿态共同决定，需要辨识的参数为力传感器零偏F0和T0、负载质量mload及负载质心位置xc,yc,zc。步骤S2，对工业机器人的辨识运动进行标定，设计标定运动，使得工业机器人处于多种特定位形下，获得的相应世界坐标系到传感器坐标系的转换矩阵使得传感器零偏和负载重力或重力矩解耦。在步骤S2中，设计标定运动，使得工业机器人处于特定位形，获得的相应转换矩阵使得传感器零偏和负载重力或重力矩解耦。挂工具负载但无外力作用时，设计的机器人辨识运动下力传感器测量值与待标定参数间的关系如下：(1)工业机器人处于图2a所示位置时，力传感器测量值与负载重力项存在关系：(2)工业机器人处于图2b所示位置时，力传感器测量值与负载重力项存在关系：(3)工业机器人处于图2c所示位置时，力传感器测量值与负载重力项存在关系：其中，f和τ是函数符号。如图2d所示，若工业机器人为斜面安装，同理，可调整工业机器人位形使末端法兰位姿与图2a至2c相同。步骤S3，采集数据病进行处理：根据步骤S2中工业机器人处于多种特定位形下的力传感器测量值与负载重力项存在关系，通过采集运动过程力传感器测量数据，同步得到要辨识的力传感器零偏和工具负载重量参数。对于式(3)～(5)，结合图2a至2c所示的辨识运动，通过采集运动过程力传感器测量数据，可同步得到要辨识的力传感器零偏和工具负载重量参数：根据本专利技术实施例的机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法，具有以下特点1)辨识时间短，且只需采集力传感器自身传感数据，无需额外测量设备，代价小便于应用；2)利用机器人特定位形获得使力传感器零偏和负载重力参数解耦的转换矩阵，不仅适用于机器人地面安装，也适用于墙装、吊装和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，建立力传感器测量力模型及力矩模型，其中，力传感器测量力和力矩的数学模型如下

【技术特征摘要】
1.一种机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，建立力传感器测量力模型及力矩模型，其中，力传感器测量力和力矩的数学模型如下其中，为力传感器力和力矩零偏，为负载的重力和重力矩，和为外部力和力矩；步骤S2，对所述工业机器人的辨识运动进行标定，设计标定运动，使得所述工业机器人处于多种特定位形下，获得的相应世界坐标系到传感器坐标系的转换矩阵使得传感器零偏和负载重力或重力矩解耦；步骤S3，根据步骤S2中工业机器人处于多种特定位形下的力传感器测量值与负载重力项存在关系，通过采集运动过程力传感器测量数据，同步得到要辨识的力传感器零偏和工具负载重量参数。2.如权利要求1所述的机器人末端力传感器零偏和负载参数同步标定方法，其特征在于，在所述步骤S1中，设法兰坐标系原点到负载质心的...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂章杰，于文进，常锋，曹华，汤中华，
申请(专利权)人：珞石山东智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37