基于6激光束的机器人TCP位姿校准系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种基于6激光束的机器人TCP位姿校准系统，内置的三组正交的测量单元，每个测量单元内置双束平行激光，通过激光测距原理，可以实现机器人TCP三维坐标与姿态的非接触测量与校准，该校准系统具有高精度、小型化、集成化、通用化的突出优势。本实用新型专利技术不仅标定精度高，而且对机器人本体没有影响；本实用新型专利技术适用于新机器人设计，也适用于在役机器人的附件安装，具有最佳的通用性。具有最佳的通用性。具有最佳的通用性。

【技术实现步骤摘要】
基于6激光束的机器人TCP位姿校准系统


[0001]本技术涉及一种机器人校准系统，具体地，涉及一种基于6激光束的机器人TCP位姿校准系统。

技术介绍

[0002]机器人是一种开环的运动学结构，通过角度测量装置（通常是增量式码盘）得到关节转动的角度值，通过机器人运动学模型得到当前机器人末端执行器的空间位姿。由于在机器人生产过程中机械制造与装配、编码器、运动控制等环节均不可避免地存在各种误差，在机器人的使用过程中的重力形变、热变形、间隙和磨损以及其他随机误差等，因此机器人末端的实际空间位姿与理想值相比通常存在较大偏差，从而影响机器人的运动精度。
[0003]通过对机器人进行标定，获取机器人准确的结构与位姿参数，可以将机器人的位姿误差大幅度降低，进而将机器人的绝对精度提高到重复精度的水平。近年来，各国学者提出了许多机器人标定的方法，主要有运动学回路法和轴线测量两种。运动学回路法是通过测量装置获取机器人末端的位姿，通过求解机器人的运动学方程获得机器人关节参数的方法。例如，天津大学、浙江大学、中国海洋大学等采用机器人末端按照摄像机的方法，在机器人处于某个姿态时采集空间特征点的图像信息，并通过数据处理获得该点的三维坐标数据，也就是建立起机器人处于任意姿态时，其关节变量到末端法兰盘坐标系位姿之间的准确映射关系。南京理工大学在机器末端固定激光器，在机器人工作空间内放置一个位置传感器位置敏感检测器ＰＳＤ，使激光以多个位姿定位到位置传感器的中心，实现点约束。轴线测量法是将机器人的关节轴线抽象成一条空间中的直线，利用关节轴线间的几何关系求出模型中运动学参数的方法。与运动学回路法相比，轴线测量法标定过程简单，可操作性强，所以在对机器人标定的过程中被广泛采用。例如，沈阳自动化所、天津大学和华中科大利用激光跟踪仪和线性方程最小二乘解对机器人进行标定方法。
[0004]但是，目前各种现有的机器人标定方法都存在诸多问题：
[0005]（1）费用高：以激光跟踪仪有位突出，动辄上百万的投入，是几倍于机器人本体的价格，性价比很低。
[0006]（2）效率低：无论是双目立体视觉标定法，还是激光跟踪仪方法，都需要在机器人末端安装相应的测量部件（靶镜或靶标），并配合以一定规律的运动控制与方法。因此，很难满足高效生产的需求。
[0007]（3）体积大、重量大：现有标定方法基本上是以激光和视觉为主，均为分离部件（摄像机、镜头、反射镜、激光器等）组装构成标定系统，具有体积大、重量大的问题；
[0008]（4）在机器人末端安装电子器件，将导致机器臂增加电子器件电缆安装。这在机器人运动过程中，将不可避免的产生电缆拖曳和转动，大幅度降低系统工作的可靠性与稳定性。
[0009]因此，急需一种低成本、高效率、小体积、高度集成、且无电缆拖曳的一体化通用机器人TCP位置与姿态校准系统，使用简单方便、对机器人本体性能没有影响，既可以适合新
机器人设计、又可以满足在役机器人需要。

技术实现思路

[0010]本技术针对目前机器人TCP校准普遍存在的精度低、体积大、对机器人本体性能有影响等权限与不足，提出一种基于6激光束的机器人TCP位姿校准系统，内置的三组正交的测量单元、每个测量单元内置双束平行激光，通过激光测距原理（激光三角测距或TOF测距），通过这6束激光可以实现机器人TCP三维坐标与姿态的非接触测量与校准，该校准系统具有高精度、小型化、集成化、通用化的突出优势。
[0011]本技术是通过以下技术方案实现的：
[0012]本技术提供一种基于6激光束的机器人TCP位姿校准系统，所述系统包括：校准器、靶标和控制器，其中：
[0013]所述的校准器内置有三个测量单元；每个测量单元均内含有两束平行激光，通过三角测距原理（激光三角测距或TOF测距）进行测距，既可以测量靶标的距离，还可以测量靶标的偏转角度；三个测量单元的激光束出射方向互相垂直正交；三个测量单元的双光束所在平面也互相垂直正交；三个测量单元内均采用串行总线输出数据，由此三个测量单元的输出可以采用一根串行总线进行串联连接；三个测量单元安装于金属外壳之内，相对位置准确、可靠、稳固，同时起到电磁屏蔽作用、提高抗干扰能力，而且使得校准器具有良好的抗冲击能力；
[0014]所述的靶标为正方体，六面正交，而且有三个相交于同一个角点的表面分别垂直正对校准器内的三组测量单元的双光束；靶标表面为漫反射特质，以保证激光测距的准确性与可靠性；靶标安装于机器人末端工具坐标系中，并随机器人末端一同移动；
[0015]所述的控制器为一体式集成工控机，具有串行总线接口、可以接受来自校准器的检测数据，并进行数据处理，最终得到靶标中心的三维坐标值与三维姿态角度值；该检测结果将直接传送给机器人控制器，从而实现机器人TCP的三维位置与姿态校准。
[0016]本技术提供的位姿校准系统工作过程如下：机器人带动靶标移动到校准器的工作范围之内并停止，校准器内三组测量单元实时检测靶标表面的距离值，通过判断靶标运动状态提取靶标停止时的三维坐标与姿态，实现机器人TCP校准。
[0017]本技术提供的基于6激光束的机器人TCP位姿校准系统，其特征还在于：所述的测量单元由激光器、滤光片、成像镜、光电器件、处理电路、外壳组成，其中：
[0018]所述的激光器共有两个，分列于测量单元的两侧，两个激光器发出的激光束方向平行，在靶标表面形成两个距离不变的光斑；
[0019]所述的滤光片置于测量单元的前端，为窄带滤光片，其中心波长与激光器的波长一致，其带宽为窄带带宽；
[0020]所述的成像镜共有两个，为光学玻璃镜片，分别瞄准两个激光器在靶标表面形成的两个光斑，并成像到光电器件表面并形成两个像斑；
[0021]所述的光电器件为线阵光电探测器，可将两个像斑的位置信息传送至处理电路；
[0022]所述的处理电路为高集成度电路，对光电器件送来的数据进行处理，同时得出两个激光束的距离值。
附图说明
[0023]图1为本技术的校准系统组成示意图；
[0024]图2为本技术的靶标工作原理示意图；
[0025]图3为本技术的测量单元工作原理示意图；
[0026]图中：1为校准器，2为靶标，3为控制器，4为机器人本体，5为机器人控制器，6为测量单元，7为激光器，8滤光片，9为成像镜，10为光电器件，11为处理电路，12为外壳。
具体实施方式
[0027]下面结合具体实施例对本技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本技术，但不以任何形式限制本技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本技术的保护范围。
[0028]本技术提供一种基于6激光束的机器人TCP位姿校准系统，所述系统包括：校准器1、靶标2和控制器3，如图1和图2所示，其中：
[0029]所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于6激光束的机器人TCP位姿校准系统，其特征在于，所述校准系统包括：校准器、靶标和控制器，其中：所述的校准器内置有三个测量单元；每个测量单元均内含有两束平行激光，通过三角测距原理进行测距，既可以测量靶标的距离，还可以测量靶标的偏转角度；三个测量单元的激光束出射方向互相垂直正交；三个测量单元的双光束所在平面也互相垂直正交；三个测量单元内均采用串行总线输出数据，由此三个测量单元的输出可以采用一根串行总线进行串联连接；三个测量单元安装于金属外壳之内，相对位置准确、可靠、稳固，同时起到电磁屏蔽作用、提高抗干扰能力，而且使得校准器具有良好的抗冲击能力；所述的靶标为正方体，六面正交，而且有三个相交于同一个角点的表面分别垂直正对校准器内的三组测量单元的双光束；靶标表面为漫反射特质，以保证激光测距的准确性与可靠性；靶标安装于机器人末端工具坐标系中，并随机器人末端一同移动；所述的控制器为一体式集成工控机，具有串行总线接...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵辉，吕娜，
申请(专利权)人：上海钊晟传感技术有限公司，
类型：新型
国别省市：