基于圆周封闭原则的工业机器人自校准装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于圆周封闭原则的工业机器人自校准装置及方法。包括圆周封闭自校准装置，包括激光器固定装置、半导体激光器、两个PSD位置敏感探测器和电机；一个PSD位置敏感探测器的感光面中心点位于圆周封闭载体圆盘的圆心，另一个在距离圆周封闭载体圆盘半径R的圆上；根据运动学参数探测获得PSD位置敏感探测器感光面中心点的理论位置坐标，同方向每次90度旋转四次探测，建立运动学自校准方程组求解参数误差并更新运动学参数，迭代步骤处理得最终的参数误差补偿。本发明专利技术基于圆周封闭原则实现对机器人的校准，可减小校准设备误差对校准精度的影响，适用于机器人的精度补偿等领域，成本低且易于实现。成本低且易于实现。成本低且易于实现。

【技术实现步骤摘要】
基于圆周封闭原则的工业机器人自校准装置及方法


[0001]本专利技术涉及工业机器人
中的一种运动学参数校准方法，尤其是涉及了一种基于圆周封闭原则的工业机器人自校准装置及方法。

技术介绍

[0002]由于工业机器人在制造过程中产生的制造误差以及使用过程中的长期磨损使得工业机器人理论模型与实际运动模型存在一定的差异，导致了工业机器人定位精度较低。目前，提高定位精度的方法主要从以下两方面考虑:一是误差预防法，即通过利用先进的加工制造方法来提高机器人加工及装配的精度，但此方法易受到加工技术的限制且成本较高；二是误差补偿法，即利用测量方法以及辨识算法对机器人参数误差进行辨识并修正到机器人控制器中，该方法成本较低，且应用范围广。
[0003]误差补偿法可分为两大类：第一种方法是运动学模型几何参数标定法，通过采用高精度测量设备精确测量工业机器人末端的位姿得到位姿误差并建立误差模型，从而辨识出参数误差加以补偿修正。高精度测量设备主要包括三坐标测量机、激光跟踪仪、视觉测量设备等，然而三坐标测量机在测量时具有占用空间大，受使用场地影响使用范围窄的缺点；激光跟踪仪存在仪器价格昂贵，操作难度大的缺点；采用视觉测量设备测量存在精度不高，视野范围小的缺点。第二种方法是机器人自校准方法，即通过在工业机器人末端施加约束条件构成闭环运动学，并建立约束方程辨识误差进行补偿。约束条件可包括：点约束、面约束等，基于单点约束条件的校准方法存在全局空间精度较低的缺点；基于球面约束的方法需安装高精度测头与标准件且对所加约束条件较高，不利于工业现场的快速在线校准。
[0004]由于采用高精度测量设备导致成本高的问题、现有自校准方法校准设备误差降低校准精度的问题，因此采用成本低、校准设备误差对校准精度影响小的测量方案以保证工业机器人工作时的定位精度具有重要的研究意义和实际价值。

技术实现思路

[0005]为了解决校准方法技术中存在的成本过高、校准设备误差降低校准精度的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于圆周封闭原则的工业机器人自校准装置及方法，解决了上述问题，来提高机器人的定位精度。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一、一种基于圆周封闭原则的工业机器人自校准装置：
[0008]包括工业机器人、圆周封闭自校准装置；半导体激光器通过激光器固定装置固定在工业机器人末端执行器端面；圆周封闭自校准装置包括激光器固定装置、半导体激光器、PSD位置敏感探测器一、PSD位置敏感探测器二、圆周封闭载体圆盘、电机、联轴器和齿轮传动装置；电机通过联轴器与齿轮传动装置连接，齿轮传动装置与圆周封闭载体圆盘同轴连接，PSD位置敏感探测器二通过PSD固定连接装置二固定安装在圆周封闭载体圆盘中间，使得PSD位置敏感探测器二的感光面中心点位于圆周封闭载体圆盘的圆心；PSD位置敏感探测
器一通过PSD固定连接装置一固定安装在圆周封闭载体圆盘中间，使得PSD位置敏感探测器一的感光面中心点位于距离圆周封闭载体圆盘圆心半径为R的圆上。
[0009]所述的PSD位置敏感探测器二上放置PSD固定盖板装置二。
[0010]所述的PSD位置敏感探测器一上放置PSD固定盖板装置一。
[0011]所述工业机器人为串联型工业机械臂。
[0012]通过激光束照射到PSD位置敏感探测器上探测感光面中心点位置并结合PSD位置敏感探测器在圆周封闭载体圆盘上的位置，建立约束方程求解出机器人模型参数误差并进行补偿，实现机器人的自校准。
[0013]二、一种工业机器人自校准方法，整个方法过程主要分为以下几个步骤：
[0014]步骤1)是安装所述圆周封闭自校准装置；
[0015]步骤2)是根据运动学参数分别探测获得PSD位置敏感探测器一和PSD位置敏感探测器二感光面中心点的理论位置坐标；
[0016]步骤3)是齿轮传动装置以同一方向每次90度旋转四次，且每次重复操作步骤2)，并对数据进行保存；
[0017]步骤4)是建立运动学自校准方程组求解参数误差，更新运动学参数；
[0018]步骤5)是不断迭代步骤2)～步骤4)，处理获得最终的参数误差进行补偿。
[0019]所述步骤1)具体为：工业机器人末端执行器连接激光器固定装置，并将半导体激光器放置于激光器固定装置中与工业机器人末端Z轴坐标系平行，将PSD位置敏感探测器一和PSD位置敏感探测器二固定安装在圆周封闭载体圆盘上，圆周封闭载体圆盘通过电机带动齿轮传动装置旋转进而运动。
[0020]所述步骤2)具体为：
[0021]对于PSD位置敏感探测器上一和PSD位置敏感探测器二，均处理为：
[0022]2.1)驱动工业机器人以不同的位姿运动，在两种不同的位姿下工业机器人末端安装的半导体激光器射出激光束均投射到PSD位置敏感探测器的感光面中心点处，记录每个位姿下射出激光束时的工业机器人的关节角读数和位置读数；
[0023]2.2)是根据工业机器人的运动学参数输入工业机器人的关节角读数得到位姿读数由两种不同的位姿下的两条激光束在工业机器人基坐标下的激光直线方程求得PSD位置敏感探测器感光面中心点理论位置坐标：
[0024]具体是根据获得的工业机器人位姿读数来建立激光直线方程求解PSD位置敏感探测器感光面中心点理论位置坐标，获得的工业机器人关节角读数用来求解辨识雅可比矩阵。
[0025]2.2.1)建立激光束在工业机器人基坐标下的激光直线方程表示为L
i
＝(p
xi
,p
yi
,p
zi
,α
i
,β
i
,γ
i
)，其中，(p
xi
,p
yi
,p
zi
)为激光直线方程在工业机器人基坐标系下的三维位置，(α
i
,β
i
,γ
i
)为激光直线方程在工业机器人基坐标系下的方向向量；
[0026]由于半导体激光器轴线方向与工业机器人末端坐标系Z轴方向平行一致，因此激光直线方程在工业机器人基坐标系下的方向向量为(a
x
,a
y
,a
z
)。
[0027]2.2.2)求解PSD位置敏感探测器位置下的两种不同位姿的激光束交点坐标作为PSD位置敏感探测器的感光面中心点在工业机器人基坐标下的位置坐标，建立两种不同位姿下的激光直线方程在工业机器人基坐标系下的表达式为：
[0028][0029]其中，(p
x1
,p
y1
,p
z1
)表示第一条激光直线方程在工业机器人基坐标系下的位置，(a
x1
,a
y1
,a
z1
)表示第一条激光直线方程在工业机器人基坐标系下的方向向量，(p
x2
,p
y2<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于圆周封闭原则的工业机器人自校准装置，其特征在于：包括工业机器人(1)、圆周封闭自校准装置；半导体激光器(3)通过激光器固定装置(2)固定在工业机器人(1)末端执行器端面；圆周封闭自校准装置包括激光器固定装置(2)、半导体激光器(3)、PSD位置敏感探测器一(4)、PSD位置敏感探测器二(7)、圆周封闭载体圆盘(10)、电机(11)、联轴器(12)和齿轮传动装置(13)；电机(11)通过联轴器(12)与齿轮传动装置(13)连接，齿轮传动装置(13)与圆周封闭载体圆盘(10)同轴连接，PSD位置敏感探测器二(7)通过PSD固定连接装置二(8)固定安装在圆周封闭载体圆盘(10)中间，使得PSD位置敏感探测器二(7)的感光面中心点位于圆周封闭载体圆盘(10)的圆心；PSD位置敏感探测器一(4)通过PSD固定连接装置一(5)固定安装在圆周封闭载体圆盘(10)中间，使得PSD位置敏感探测器一(4)的感光面中心点位于距离圆周封闭载体圆盘(10)圆心半径为R的圆上。2.根据权利要求1所述的一种基于圆周封闭原则的工业机器人自校准装置，其特征在于：所述的PSD位置敏感探测器二(7)上放置PSD固定盖板装置二(9)。3.根据权利要求1所述的一种基于圆周封闭原则的工业机器人自校准装置，其特征在于：所述的PSD位置敏感探测器一(4)上放置PSD固定盖板装置一(6)。4.根据权利要求1所述的一种基于圆周封闭原则的工业机器人自校准装置，其特征在于：所述工业机器人为串联型工业机械臂。5.应用于权利要求1所述工业机器人自校准装置的一种工业机器人自校准方法，其特征在于：方法通过激光束照射到PSD位置敏感探测器上探测感光面中心点位置并结合PSD位置敏感探测器在圆周封闭载体圆盘上的位置，建立约束方程求解出机器人模型参数误差并进行补偿，实现机器人的自校准。6.根据权利要求5所述工业机器人自校准装置的一种工业机器人自校准方法，其特征在于：整个方法过程主要分为以下几个步骤：步骤1)是安装所述圆周封闭自校准装置；步骤2)是根据运动学参数分别探测获得PSD位置敏感探测器一和PSD位置敏感探测器二感光面中心点的理论位置坐标；步骤3)是齿轮传动装置以同一方向每次90度旋转四次，且每次重复操作步骤2)，并对数据进行保存；步骤4)是建立运动学自校准方程组求解参数误差，更新运动学参数；步骤5)是不断迭代步骤2)～步骤4)，处理获得最终的参数误差进行补偿。7.根据权利要求6所述工业机器人自校准装置的一种工业机器人自校准方法，其特征在于：所述步骤1)具体为：工业机器人末端执行器连接激光器固定装置，并将半导体激光器(3)放置于激光器固定装置中与工业机器人末端Z轴坐标系平行，将PSD位置敏感探测器一和PSD位置敏感探测器二固定安装在圆周封闭载体圆盘上，圆周封闭载体圆盘通过电机带动齿轮传动装置旋转进而运动。8.根据权利要求6所述工业机器人自校准装置的一种工业机器人自校准方法，其特征在于：所述步骤2)具体为：对于PSD位置敏感探测器上一和PSD位置敏感探测器二，均处理为：2.1)驱动工业机器人以不同的位姿运动，在两种不同的位姿下工业机器人末端安装的半导体激光器射出激光束均投射到PSD位置敏感探测器的感光面中心点处，记录每个位姿
下射出激光束时的工业机器人的关节角读数和位置读数；2.2)是根据工业机器人的运动学参数输入工业机器人的关节角读数得到位姿读数由两种不同的位姿下的两条激光束在工业机器人基坐标下的激光直线方程求得PSD位置敏感探测器感光面中心点理论位置坐标：2.2.1)建立激光束在工业机器人基坐标下的激光直线方程表示为L
i
＝(p
xi
,p
yi
,p
zi
,α

【专利技术属性】
技术研发人员：张恩政，李锡睿，陈本永，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：