一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置及方法制造方法及图纸

一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置及方法，涉及机器人校准领域，为了解决现有技术存在的问题，该装置包括三维校准器、数据传输线缆、零位快速定位夹具、四球校准台、三维角度调整器和控制电脑；三维校准器由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器组成，每个高精度光栅位移传感器通过数据传输线缆与控制电脑相连；三维校准器安装在被校准工业机器人的末端，对四球校准台上的四个标准球进行测量，通过标准球对机器人的TCP点进行高精度定位；零位快速定位夹具，用于对三维校准器的校准；四球校准台下面安装有三维角度调整器。该装置可在保证校准精度的同时，使整个装置的购置成本大为降低，使用方式快捷简便，可在各使用单位大范围推广。

【技术实现步骤摘要】
一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置及方法
本专利技术涉及机器人校准领域，特别是涉及一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置及方法。
技术介绍
早期的机器人需要工程师手动将机器人定位在所需位置的。由于机器人重复性的提升，其位姿精确度得到了很大的提升。近些年来，工业机器人的编程已经发生了很大的进步。如今，几乎所有的机器人制造商都提供定制的3D仿真软件，允许工业机器人完全离线编程。离线编程可以极大的提升产线上的工作效率，同时也可以完成很多复杂的动作。但是，对于很多对机器人位姿和轨迹要求较高的项目，现有的离线编程方式还存在很多问题。这个问题产生的原因在于，机器人的离线编程是基于理想的数学模型，而实际的机器人的位姿和轨迹绝对定位精度相比于重复性是有很大偏差的。为了解决上述问题，各机器人制造商会不断努力缩小重复性和绝对定位精度之间的差距，很多研究机构和大学已经在机器人建模、位姿轨迹测量、参数辨识和D-H参数校准方面取得了很多研究成果。机器人D-H参数的校准步骤如下：第一步，需要建立机器人的运动数学模型，现在已经有很多种方法来建立相应的模型，但最主要的还是基于D-H参数的方法。第二步，对机器人的位姿进行测量。现有机器人的测量方法主要有接触和非接触方式。接触式方式有时受到自身测量空间的束缚，不能完全满足客户的需求；而非接触方式可以避免空间束缚给测量带来的不便。但接触式测量方式的成本较低而精度更高，测量方法主要有坐标测量机(CMM)、关节臂坐标机、伸缩球杆等设备，因此很多设备厂商更倾向于选用接触式测量方式。非接触式测量方式主要有激光跟踪仪、光学坐标机和视觉测量系统等。第三步，机器人的参数识别。主要是利用机器人位姿测量设备所采集的数据并应用相应最小二乘算法进行参数识别。第四步，对相应的计算参数进行补偿。但上述成果很难在校准成本和校准精度之间找到很好的平衡，从而限制了设备的推广应用。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术存在的问题，提出一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置及方法。其测头部分安装于机器人末端位置(TCP)，采用三个互相正交的高精度位移传感器，并配套研制一种专用四球标准器校准台，通过针对工业机器人的特定校准算法，可实现对工业机器人D-H参数的快速高精度在线校准。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置，其特征是，其包括三维校准器、数据传输线缆、零位快速定位夹具、四球校准台、三维角度调整器和控制电脑；三维校准器由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器组成，每个高精度光栅位移传感器通过数据传输线缆与控制电脑相连；三维校准器安装在被校准工业机器人的末端，对四球校准台上的四个标准球进行测量，通过标准球对机器人的TCP点进行高精度定位；零位快速定位夹具，用于对三维校准器的校准；四球校准台下面安装有三维角度调整器。所述零位快速定位夹具由定位标准球和与其连接的定位销组成，定位销可与三维校准器的定位孔进行精确匹配，用于将三维校准器中心与其自身的三个高精度光栅位移传感器的中心进行高精度定位；定位标准球用于将三个高精度光栅位移传感器对零。一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置的校准方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一、将三维校准器、四球校准台、控制电脑和工业机器人调整至初始工作状态，使整个装置满足工业机器人的校准要求；步骤二、设置高精度光栅位移传感器测量范围为0～12mm，设置高精度光栅位移传感器的触发模式为上升沿触发，等待高精度光栅位移传感器数据发生变化，并将测量值传递至控制电脑，数据经过控制电脑处理后，通过专用总线将其传递给工业机器人；步骤三、通过零位快速定位夹具对三维校准器的三个高精度光栅位移传感器进行精确对零；步骤四、通过手操器反复调整工业机器人位姿，使三个高精度光栅位移传感器的数值再次调整至零点，这时记录工业机器人的当前位姿P1，以此类推，分别解算出P2、P3和P4，从而得到三维校准器的中心坐标值；步骤五、建立世界坐标系，使工业机器人在同一位姿下分别定位于四球校准台的四个球心，以四个球的球心坐标拟合的平面作为Z平面，以球一和球二建立的直线为X轴方向，以球一和球三建立的直线和球二与球四建立的直线交点为圆心，建立笛卡尔坐标系；步骤六、准备工作完成后，使用工业机器人对四球校准台进行检测；根据运动学误差和非运动学误差分析，通过获得的球心坐标和四个标准球之间的距离，建立方程组，在校准时需测量至少50个点，应用最小二乘法，解算出结构参数误差；步骤七、将步骤六中解算出的结构参数误差导入工业机器人D-H模型中，并对其进行位姿精度检测以验证校准结果是否满意，如果不满意需在此基础上继续调整D-H参数。本专利技术的有益效果：1、本专利技术提供的一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置及方法，采用的三维校准器安装于机器人执行器末端，每只传感器的精度优于5μm，可实时将采集数据反馈至上位机，并通过零位快速定位夹具对三维校准器进行零位标定。通过以上措施，可在保证校准精度的同时，使整个装置的购置成本大为降低，使用方式快捷简便，可在各使用单位大范围推广。2.本专利技术采用的四球校准台，通过高精度坐标测量系统对其球心间距和球心坐标进行高精度赋值，其四个支点的工作高度和距离可进行现场调整，以适应不同机器人的测量范围，并利用四球中心误差冗余效应，提升了校准台坐标系建立精度，可使得工业机器人在特定工作范围内保证较高的校准精度和操作的便利性。3.本专利技术所述的四球校准台支撑部分采用三维角度调整器，可在保证机器人在不同工作姿态下进行校准，避免了现场空间局限性和操作复杂性对设备校准的限制。4.本专利技术研制了适用于该装置的校准算法，可实现对工业机器的位姿测量、参数识别和数据补偿。附图说明图1为本专利技术一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置结构示意图；图中：1-包括三维校准器、2-传感器数据传输线缆、3-零位快速定位夹具、4-四球校准台、5-三维角度调整器、6-控制电脑、7-被校准工业机器人。图2为本专利技术一种工业机器人D-H参数三维自标定校准方法流程图。图3为本专利技术所述零位快速定位夹具结构示意图。图中：3-1、定位标准球，3-2、定位销。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。如图1所示，一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置，其包括三维校准器1、数据传输线缆2、零位快速定位夹具3、四球校准台4、三维角度调整器5和控制电脑6。三维校准器1由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器组成，每个高精度光栅位移传感器通过数据传输线缆2与控制电脑6相连；三维校准器1安装在被校准工业机器人7的末端，对四球校准台4上的四个标准球进行测量。可通过标准球对机器人的TCP点进行高精度定位。零位快速定位夹具3，用于对三维校准器1的校准。四球校准台4上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置，其特征是，其包括三维校准器(1)、数据传输线缆(2)、零位快速定位夹具(3)、四球校准台(4)、三维角度调整器(5)和控制电脑(6)；/n三维校准器(1)由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器(1-1)组成，每个高精度光栅位移传感器通过数据传输线缆(2)与控制电脑(6)相连；/n三维校准器(1)安装在被校准工业机器人(7)的末端，对四球校准台(4)上的四个标准球进行测量，通过标准球对机器人的TCP点进行高精度定位；/n零位快速定位夹具(3)，用于对三维校准器(1)的校准；/n四球校准台(4)下面安装有三维角度调整器(5)。/n

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置，其特征是，其包括三维校准器(1)、数据传输线缆(2)、零位快速定位夹具(3)、四球校准台(4)、三维角度调整器(5)和控制电脑(6)；
三维校准器(1)由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器(1-1)组成，每个高精度光栅位移传感器通过数据传输线缆(2)与控制电脑(6)相连；
三维校准器(1)安装在被校准工业机器人(7)的末端，对四球校准台(4)上的四个标准球进行测量，通过标准球对机器人的TCP点进行高精度定位；
零位快速定位夹具(3)，用于对三维校准器(1)的校准；
四球校准台(4)下面安装有三维角度调整器(5)。


2.根据权利要求1所述的一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置，其特征在于，所述高精度光栅位移传感器(1-1)的精度小于5μm。


3.根据权利要求1所述的一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置，其特征在于，所述零位快速定位夹具(3)由定位标准球(3-1)和与其连接的定位销(3-2)组成，定位销(3-2)可与三维校准器(1)的定位孔进行精确匹配，用于将三维校准器(1)的中心与其自身的三个高精度光栅位移传感器(1-1)的中心进行高精度定位；定位标准球(3-1)用于将三个高精度光栅位移传感器(1-1)对零。


4.基于权利要求1所述的一种工业机器人D-H参数三维自标定校准装置的校准方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一、将三维校准器(1)、四球校准台(4)、控制电脑(6)和工业机器人(7)调整至初始工作状态，使整个装置满足工业机器人的校准要求；
步骤二、设置高精度光栅位移传感器(1-1)测量范围为0～12mm，设置高精度光栅位移传感器(1-1)的触发模式为上升沿触发，等待高精度光栅位移传感器(1-1)数据发生变化，并将测量值传递至控制电脑(6)，数据经过控制电脑(6)处理后，通过专用总线将其传递给工业机器人(7)；
步骤三、通过零位快速定位夹具(3)对三维校准器(1)的三个高精度光栅位移传感器(1-1)进行精确对零，
步骤四、通过手操器反复调整工业机器人(7)位姿，使三个高精度光栅位移传感器(1-1)的数值再次调整至零点，这时记录工业机器人(7)的当前位姿P1，以此类推，分别解算出P2、P3和P4，从而得到三维校准器(1)的中心坐标值；
步骤五、建立世界坐标系，使工业机器人(7)在同一位姿下分别定位于四球校准台(4)的四个球心，以四个球的球心坐标拟合的平面作为Z平面，以球一和球二建立的直线为X轴方向，以球一和球三建立的直线和球二与球四建立的直线交点为圆心，建立笛卡尔坐标系；
步骤六、准备工作完成后，使用工业机器人(7)对四球校准台进行检测；根...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄雷，窦艳红，樊宇，张爽，贺志超，韩丹丹，
申请(专利权)人：吉林省计量科学研究院，长春工程学院，
类型：发明
国别省市：吉林;22