基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，包括以下：通过激光跟踪仪标定目标机器人并获取其DH参数，以描述目标机器人各关节的运动学关系；标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系；标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系。该方法只需简单的实验器材，实用性强，能有效地标定机器人末端操作器刀具与机器人第六关节法兰之间的位置及姿态关系。本发明专利技术所提出的基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法能够有效解决机器人末端操作器姿态标定难、标定复杂度高等问题，以便于机器人智能加工任务的开展。以便于机器人智能加工任务的开展。以便于机器人智能加工任务的开展。

【技术实现步骤摘要】
基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法及系统


[0001]本专利技术涉及机器人
，尤其涉及基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法及系统。

技术介绍

[0002]在进行机器人智能加工任务诸如机器人焊接、机器人钻孔和机器人铣削等时，往往需要对机器人末端操作器进行姿态标定，以减小机器人末端工具加工方向偏置造成的加工误差，提高机器人打磨表面的质量。
[0003]当今市场急需解决机器人末端操作器姿态标定难、标定复杂度高等问题，以便于机器人智能加工任务的开展。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了至少解决现有技术的不足之一，提供基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法及系统。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下的技术方案，
[0006]具体的，提出基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，包括以下：
[0007]通过激光跟踪仪标定目标机器人并获取其DH参数，以描述目标机器人各关节的运动学关系；
[0008]标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系；
[0009]标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系。
[0010]进一步，具体的，标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系，包括，
[0011]控制目标机器人末端操作器的刀具尖端使其处于同一位置，此时获取四个不同且远离奇异的目标机器人的姿态；
[0012]结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与第六轴法兰中心的偏置向量，以此描述偏置关系。
[0013]进一步，具体的，控制目标机器人末端操作器的刀具尖端使其处于同一位置，包括，
[0014]在目标机器人的外部固定直径小于一定尺寸的第一针尖，在目标机器人的末端操作器上安装与所述第一针尖相同的第二针尖，保证所述第一针尖与所述第二针尖始终相接触。
[0015]进一步，具体的，结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与第六轴法兰中心的偏置向量，包括，
[0016]根据所述DH参数，得到目标机器人的DH模型对应的变换关系其中，是3
×
1的向量，表示目标机器人末端的操作器
刀具尖端点在机器人基坐标系中的位置变换关系；是3
×
3的旋转矩阵，表示目标机器人法兰坐标系相对于目标机器人基坐标系的位置变换关系；是3
×
1的向量，表示目标机器人末端的操作器刀具尖端点在目标机器人法兰坐标系中的位置变换关系；是3
×
1的向量，表示目标机器人法兰中心点在目标机器人基坐标系中的位置变换关系，其中即为目标机器人末端的操作器刀具尖端与其法兰中心点的偏置向量，通过如下方式进行求解，
[0017]上述的四个位置变换关系结合机器人整运动学得到四个方程，
[0018][0019]其中，由于目标机器人末端的操作器刀具尖端始终处于同一位置，且其与机器人法兰中心的偏置关系是固定的，因此未知变量和并不会受到影响，另一方面，由于我们需求解未知参数时会受到未知参数的影响，基于上述四个方程相减，即(3)
‑
(2)，(4)
‑
(3)，(5)
‑
(4)，得到，
[0020][0021]显然，根据最小二乘法，可计算出
[0022]进一步，具体的，标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系，包括，
[0023]在刀具尖端处于同一位置的情况下，获取三个不同的远离奇异的机器人姿态；
[0024]结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与法兰中心的旋转矩阵，以此描述目标机器人末端的操作器刀具与法兰法向的姿态关系。
[0025]进一步，具体的，在获取目标机器人的姿态时，通过以下方式监控是否远离奇异，计算奇异条件数如下式，
[0026][0027]其中表示机器人雅可比矩阵J(q
i
)的正交化形式，q
i
为机器人的各个关节变量，‖
·
‖
F
表示Frobenius范数，奇异条件数越小，机器人姿态越远离奇异，故预设第一阈值，使在获取目标机器人的姿态时，小于所述第一阈值。
[0028]进一步，具体的，获取三个不同的远离奇异的机器人姿态，包括，
[0029]通过示教器控制给定三组目标机器人绕末端操作器的功能性冗余度，基于此使其
末端操作器的刀具绕标准测量块进行旋转，得到标准测量块三个角点的空间位置p1，p2以及p3，构建向量v1＝p2‑
p1,v2＝p3‑
p1,通过求叉乘的形式得到当前标准测量块的棱线L的方向Z＝v1×
v2；
[0030]保持目标机器人末端的操作器刀具方向与标准测量块的棱线L方向相同，获取三个不同的机器人姿态。
[0031]进一步，具体的，结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与法兰中心的旋转矩阵，包括，
[0032]根据运动学关系以及所述DH参数，得到目标机器人DH模型对应的变换关系其中表示目标机器人末端的操作器刀具方向与棱线方向相同，可由机器人正运动学计算得到，可得方程：
[0033][0034]再次根据最小二乘法，可计算出旋转矩阵进而可用于描述目标机器人末端的操作器刀具与法兰法向的姿态关系。
[0035]本专利技术还提出基于工业机器人的末端操作器位姿标定系统，包括：
[0036]激光跟踪仪，用于标定目标机器人并获取其DH参数，以描述目标机器人各关节的运动学关系；
[0037]相互配合的第一针尖以及第二针尖，第一针尖与第二针尖相同，第一针尖用于在目标机器人的外部固定，第二针尖用于在目标机器人的末端操作器上安装，保证所述第一针尖与所述第二针尖始终相接触；
[0038]示教器，用于控制给定三组目标机器人绕末端操作器的功能性冗余度，基于此使其末端操作器的刀具绕标准测量块进行旋转；
[0039]偏置关系标定模块，用于标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系；
[0040]姿态关系标定模块，用于标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系。
[0041]本专利技术的有益效果为：
[0042]本专利技术通过针尖直径小于一定尺寸的打磨刀具标定机器人的末端操作器刀尖与其第六轴法兰之间的偏置关系。在此基础上，通过标准测量块约束机器人末端操作器的刀具方向，并结合六轴工业机器人末端操作器绕刀具轴的旋转属于功能性冗余度的性质(即该旋转不会影响机器人末端操作器刀具的加工方向)，利用人机交互的方式给定三组不同功能性冗余度并同时记录机器人的关节变量，最后，结合六轴机器人的运动学求解方法，实现末端操作器刀具的姿态标定。该方法只需简单的实验器材，实用性强，能有效地标定机器人末端操作器刀具与机器人第六关节法兰之间的位置及姿态关系。
附图说明
[0043]通过对结合附图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，其特征在于，包括以下：通过激光跟踪仪标定目标机器人并获取其DH参数，以描述目标机器人各关节的运动学关系；标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系；标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系。2.根据权利要求1所述的基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，其特征在于，具体的，标定目标机器人末端的操作器刀具尖端与第六轴法兰中心之间的偏置关系，包括，控制目标机器人末端操作器的刀具尖端使其处于同一位置，此时获取四个不同且远离奇异的目标机器人的姿态；结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与第六轴法兰中心的偏置向量，以此描述偏置关系。3.根据权利要求2所述的基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，其特征在于，具体的，控制目标机器人末端操作器的刀具尖端使其处于同一位置，包括，在目标机器人的外部固定直径小于一定尺寸的第一针尖，在目标机器人的末端操作器上安装与所述第一针尖相同的第二针尖，保证所述第一针尖与所述第二针尖始终相接触。4.根据权利要求2所述的基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，其特征在于，具体的，结合运动学关系以及最小二乘法计算刀具尖端与第六轴法兰中心的偏置向量，包括，根据所述DH参数，得到目标机器人的DH模型对应的变换关系其中，是3
×
1的向量，表示目标机器人末端的操作器刀具尖端点在机器人基坐标系中的位置变换关系；是3
×
3的旋转矩阵，表示目标机器人法兰坐标系相对于目标机器人基坐标系的位置变换关系；是3
×
1的向量，表示目标机器人末端的操作器刀具尖端点在目标机器人法兰坐标系中的位置变换关系；是3
×
1的向量，表示目标机器人法兰中心点在目标机器人基坐标系中的位置变换关系，其中即为目标机器人末端的操作器刀具尖端与其法兰中心点的偏置向量，通过如下方式进行求解，上述的四个位置变换关系结合机器人整运动学得到四个方程，其中，由于目标机器人末端的操作器刀具尖端始终处于同一位置，且其与机器人法兰中心的偏置关系是固定的，因此未知变量和并不会受到影响，另一方面，由于我们需求解未知参数时会受到未知参数的影响，基于上述四个方程相减，即(3)
‑
(2)，(4)
‑
(3)，(5)
‑
(4)，得到，
显然，根据最小二乘法，可计算出5.根据权利要求3所述的基于工业机器人的末端操作器位姿标定方法，其特征在于，具体的，标定目标机器人末端的操作器刀具尖端方向与第六轴法兰法向之间的姿态关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱伟彬，陈新度，吴磊，刘跃生，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：