专利名称：一种工业机器人零位自标定方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于工业机器人的标定技术，特别是一种6自由度工业机器人关节零位的 自标定方法及其装置。
背景技术：
随着工业机器人应用范围的扩大和复杂任务的需要，工业机器人的定位精度越来 越重要。目前工业机器人具有高的重复精度(O. Imm或更高)，然而(绝对)定位精度却很 低(达Icm或更差)，定位精度问题已经严重制约了工业机器人的应用能力和应用范围。尽 管导致机器人定位精度不高的因素有很多，如齿轮误差、热膨胀以及机器人杆件的机械形 变，但最主要的因素来自于机器人运动学模型的参数误差。机器人标定技术是消除这些参 数误差进而提高机器人定位精度的最有效方法，因此，成为机器人研究的热点问题之一。所谓机器人的零位问题就是机器人的运动学模型中的关节角参考点与实际机器 人关节角度反馈码盘的参考点的偏差。机器人零位的微小变化由于杆件长度等的放大作 用导致机器人末端的位置产生很大偏差。一般认为导致工业机器人定位精度偏低的问题 90%来自于机器人的零点位置问题(W. S.Newman and D. W. Osborn, "A new method for kinematic parameter calibration via laser line,，，in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom.，1993, vol. 2，pp. 160-165)。机器人零点标定问题还没有很好的解决办法，目前工厂 较多使用重锤的方法，但存在设备携带困难，操作复杂且受操作人员影响等问题。二十余年来，在机器人标定领域国内外一些学者已经取得了令人瞩目的研究成 果。归纳起来主要有两类机器人标定方法，其中一类方法需要高精度的测量设备精确测 量机器人末端的位置或姿态。比如经典的三坐标测量方法(Coordinate Measurement Machines) (Μ. R. Driels, L. W. Swayze, and L. S. Potter, "Full-pose calibration of a robot manipulator using a coordinate measuring machine, "Int.J.Adv. Manuf. Techno.，vol.8, no. 1，pp. 34-41，1993)以及角度剖分型激光跟踪测试和球坐标型激光跟 踪测试等方法(M. Vincze, J. P. Prenninger, and H. Gander, "A laser tracking system to measure position and orientation of robot end effectors under motion," Int. J. Robot. Res.，vol. 13，pp. 305-314，1994)，光学经纬仪测试系统，基于双摄像机的测试系 统(B. Preising, T. C. Hsia. Robot Performance Measurement and Calibration Using a 3D Computer Vision System. Proceeding of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation Sacramen to California. 1991 :2079_2084)。但这些方法 三坐标测量机和激光跟踪测试仪设备非常昂贵，安装调试及操作比较复杂，主要适合于机 器人制造企业实验室场合应用，操作过程依赖于操作人员的水平且非常浪费时间。基于立 体摄像机的视觉方法不仅存在双目摄像机本身标定的问题，而且视觉方法由于视场和分辨 力的矛盾很难获得比较高的测量精度。另一类方法是在机器人末端施加一些约束从而形成运动学闭合链。Zhuang和 Ikits等对机器人末端施加多个平面或者一个平面约束(H. Zhuang，S. H. Motaghedi，andZ. S. Roth, "Robot calibration with planar constraints,，，in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom.，Detroit, MI, 1999，pp. 805-810.)，这些手工操作方法受限于准确定位和效 率不高的问题。Newman 等(W. S. Newman and D. W. Osborn, "A new method for kinematic parameter calibration via laser line, "in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Autom. ,1993, vol. 2,pp. 160-165)提出一种基于激光线跟踪的方法。这种方法的特点是约束机器人末端 的某点沿着一束静止的任意激光线移动，但没能给出跟踪激光线的可行的、精确的、自动化 的方法。适合机器人工作现场、便于携带及低成本机器人零位标定方法及装备已经成为机 器人应用企业迫切需要解决的课题。

发明内容
本发明的目的在于提出一种基于位置敏感器件(PSD)和激光的虚拟点约束机器 人自标定方法及其装置，以解决现有方法设备昂贵、安装操作复杂或定位精度低等瓶颈问 题。实现本发明目的的技术解决方案为一种工业机器人零位自标定方法，步骤如 下a.建立空间虚拟点约束，将一个位置敏感器件PSD装置任意放置在工业机器人可 达工作空间，PSD装置的中心点为约束点；b.基于激光和PSD的精确机器人定位，工业机器人末端载着激光器以右倾30 60°的位姿作为位置1，将激光束投射到PSD表面，PSD作为反馈传感器精确测量光斑在PSD 表面的二维位置，基于PSD高精度位置反馈通过机器人闭环伺服定位，实现机器人携带激 光束光斑精确定位在PSD的有效表面中心点位置；C.准确定位后，工业控制计算机通过网络通讯或工业机器人通讯接口从工业机器 人控制器读取6个机器人关节的角度值，每个角度值读取两次以上取其平均值作为位置1 的机器人关节角；d.工业机器人末端载着激光器基于位置1向左旋转，旋转的角度为左右倾角的范 围除以旋转次数，最大左倾30 60°，第一次旋转的位姿作为位置2，重复步骤b和c获得 位置2的机器人6个关节角度；e.依次旋转获得位置i的机器人6个关节角，直到位置N，N-I为旋转次数；f.依据以上步骤获取N个位置的机器人各关节角度值，接着基于建立的机器人运 动学误差模型，获得N个位置的机器人末端位置和姿态；g.计算约束点的空间位置，基于线交点的方法，即物理上任意两条激光束相交于 PSD表面的中心点，根据获得的N个位置的机器人末端位置和姿态，建立N个激光束几何方 程，其中任意两个空间直线方程计算交点或中垂线的中点得到约束点的空间位置；h.优化目标函数获得机器人零位标定参数，以点约束建立目标函数，通过迭代算 法搜索机器人标定参数，直到任意两个空间直线方程计算的交点收敛于一点。一种实现上述工业机器人零位自标定方法的装置，包括激光器、连接装置、位置敏 感器件PSD、信号处理电路、工业控制计算机、数据采集卡，所述的激光器通过连接装置固定 安装在工业机器人末端，位置敏感器件PSD及其信号处理电路，合称为PSD装置，PSD装置 任意放置在工业机器人的可达工作空间，PSD装置的中心点为约束点；数据采集卡采用无线通讯方式与工业控制计算机通讯；工业机器人本体通过机器人末端载着激光器将激光光 斑投射在PSD表面，光斑在PSD的精确位置通过信号处理电路和数据采集卡传送给工业控 制计算机，反过来，工业控制计算机基于该位置反馈发命令给机器人控制器控制机器人本 体移动带动激光器将光斑精确定位到PSD的表面中心点位置，物理上实现虚拟点约束。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)与目前机器人标定方法的本质不同在 于仅需要空间单点约束，且不需要知道该点的空间位置，且没有物理接触，因此本方法为 “虚拟点约束”，这样是测量的精度高，不受操作人员水平的影响。(2)基于PSD反馈激光束 光斑的位置实现机器人自动定位，在机器人不同位姿下自动定位控制过程中实现机器人的 标定任务，不需要人工干预，自动化程度高，操作简单。(3)不仅解决了工业现场广泛需求的 机器人零位标定问题，还可以用于机器人全部运动学参数的标定。(4)基于该方法易于开发 低成本、便携、高精度、自动化机器人标定装置。因为，标定装置只需要1个半导体激光器和 1个具有0. Ium的分辨力的PSD器件以及信号处理采集电路，成本很低而精度很高。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。


图1是本发明工业机器人零位自标定装置的示意图。图2是本发明工业机器人零位自标定方法示意图。图3是基于线的位置测量方法。图4是机器人标定情形示例。
具体实施例方式结合图1和图2，本发明工业机器人零位自标定方法，步骤如下a.建立空间虚拟点约束，将一个位置敏感器件PSD装置任意放置在工业机器人可 达工作空间，PSD装置的中心点11为约束点；b.基于激光和PSD的精确机器人定位，工业机器人末端10载着激光器2以右倾 30 60°的位姿作为位置1，将激光束投射到PSD表面，PSD作为反馈传感器精确测量光斑 在PSD表面的二维位置，基于PSD高精度位置反馈通过机器人闭环伺服定位，实现机器人携 带激光束光斑精确定位在PSD的有效表面中心点位置；c.准确定位后，工业控制计算机7通过网络通讯或工业机器人通讯接口从工业机 器人控制器8读取6个机器人关节的角度值，每个角度值读取两次以上取其平均值作为位 置1的机器人关节角；d.工业机器人末端10载着激光器2基于位置1向左旋转，旋转的角度为左右倾角 的范围除以旋转次数，最大左倾30 60°，第一次旋转的位姿作为位置2，重复步骤b和c 获得位置2的机器人6个关节角度；e.依次旋转获得位置i的机器人6个关节角，直到位置N，N-I为旋转次数；f.依据以上步骤获取N个位置的机器人各关节角度值，接着基于建立的机器人运 动学误差模型，获得N个位置的机器人末端位置和姿态；g.计算约束点的空间位置，基于线交点的方法，即物理上任意两条激光束相交于 PSD表面的中心点，根据获得的N个位置的机器人末端位置和姿态，建立N个激光束几何方程，其中任意两个空间直线方程计算交点或中垂线的中点得到约束点的空间位置；h.优化目标函数获得机器人零位标定参数，以点约束建立目标函数，通过迭代算 法搜索机器人标定参数，直到任意两个空间直线方程计算的交点收敛于一点。结合图1，本发明实现上述工业机器人零位自标定方法的装置，包括激光器2、连 接装置1、位置敏感器件PSD 4、信号处理电路5、工业控制计算机7、数据采集卡6，所述的 激光器2通过连接装置1固定安装在工业机器人末端10，连接装置1与机器人末端10通 过标准机械定位接口保证安装精度。位置敏感器件PSD 4及其信号处理电路5，合称为PSD 装置，PSD装置任意放置在工业机器人的可达工作空间，PSD装置的中心点11为约束点；数 据采集卡6采用无线通讯方式与工业控制计算机7通讯；工业机器人本体9通过机器人末 端10载着激光器2将激光光斑投射在PSD 4表面，光斑在PSD 4的精确位置通过信号处理 电路5和数据采集卡6传送给工业控制计算机7，反过来，工业控制计算机7基于该位置反 馈发命令给机器人控制器8控制机器人本体9移动带动激光器2将光斑精确定位到PSD 4 的表面中心点11位置，物理上实现虚拟点约束。{B}为机器人基座坐标系，{E}代表机器人 末端坐标系。上述的激光器2是可调焦距精密半导体激光器，功率lmW，波长670nm，激光束3的 光斑直径为2. 5mm。可以事先标定激光束3和连接装置1的关系，或不标定则在标定机器 人零位时同时标定之间关系。位置敏感器件PSD 4采用分段式高精度光电器件，分辨率达 0. lum，有效表面直径为10mm，可检测激光束光斑在PSD表面的二维位置。PSD输出信号经 信号处理电路5给出激光光斑在PSD表面的二维位置坐标，作为反馈信号精确控制机器人 的位置，即PSD表面的中心点作为机器人定位目标位置。数据采集卡6采用无线通讯方式 与工业控制计算机7通讯，可实现PSD装置的无线工作。PSD装置通过可充电锂聚电池供 电，实现PSD装置的电源自供给。这些措施保证了 PSD装置的便携和易于安装操作。实施例采用本发明的装置在工业机器人IRB1600上开展标定试验，具体实施步骤如下a)将PSD装置任意放置在机器人工作空间，建立空间虚拟点约束。注意该约束点 的空间位置是未知的。位置敏感器件PSD 4采用分段式高精度光电器件，分辨率达O.lum， 有效表面直径为10mm，可检测激光束光斑在PSD表面的二维位置。PSD输出信号经信号处 理电路5给出激光光斑在PSD表面的二维位置坐标，作为反馈信号精确控制机器人的位置， 即PSD表面的中心点作为机器人定位目标位置。b)基于激光和PSD的精确机器人定位。机器人末端载着激光器以右倾30°的位 姿(位置1)将激光束投射到PSD表面，PSD作为反馈传感器精确测量光斑在PSD表面的二 维位置，基于PSD高精度位置反馈通过机器人闭环伺服定位，实现机器人携带激光束光斑 精确定位在PSD的有效表面中心点位置，如图1所示，一个激光器2通过连接装置1固定安 装在机器人末端10，工业控制计算机7通过数据采集卡6与PSD装置连接，工业控制计算机 7通过网络接口与机器人控制器8连接，机器人控制器8和工业机器人本体9连接。c)准确定位后，工业控制计算机通过网络通讯或工业机器人通讯接口(如串口) 从工业机器人控制器读取6个机器人关节的角度值，每个角度值读取两次以上取平均值作 为位置1的机器人关节角。系统初始化并建立与机器人控制器。8的通讯连接，然后执行基 于PSD和激光的不同位置机器人精确定位，步骤如d)到g)；
d)工业机器人末端载着激光器基于位置1向左旋转，旋转的角度为左右倾角的范 围除以旋转次数，最大左倾30 60°，第一次旋转的位姿作为位置2，重复步骤b)和c)获 得位置2的机器人6个关节角度。如图2所示，机器人末端载着激光器以右倾30°的位姿 (位置1)，基于PSD伺服反馈定位激光束光斑在PSD的有效表面中心位置11 ；e)准确定位后，工业控制计算机通过局域网络通讯从机器人控制器读取6个机器 人关节的角度值，三次取平均值作为位置1的关节角度；f)依次旋转获得位置i (i为某一旋转次数时的位置)的机器人6个关节角，直到 位置N，N-1为旋转次数。如机器人末端载着激光器减少10°以右倾20°的位姿(位置2)， 重复步骤c)和d)获得位置2的机器人6个关节角度；g)依次递减10°获得位置i的机器人6个关节角度，直到位置N(这里N =7)。 整个机器人定位过程自动完成，耗时不到3分钟；h)自动标定过程结束，至此获得7个不同机器人位置下的6个关节角度值。i)基于以下建立的机器人运动学误差模型，代入以上7组关节数据，获得机器人 末端的位置和姿态。工业机器人以ABB的IRB1600为例，机器人每个关节包含机器人杆件参数和机器 人零点位置误差的D-H关系可改写为，
权利要求
一种工业机器人零位自标定方法，其特征在于步骤如下a.建立空间虚拟点约束，将一个位置敏感器件PSD装置任意放置在工业机器人可达工作空间，PSD装置的中心点(11)为约束点；b.基于激光和PSD的精确机器人定位，工业机器人末端(10)载着激光器(2)以右倾30～60°的位姿作为位置1，将激光束投射到PSD表面，PSD作为反馈传感器精确测量光斑在PSD表面的二维位置，基于PSD高精度位置反馈通过机器人闭环伺服定位，实现机器人携带激光束光斑精确定位在PSD的有效表面中心点位置；c.准确定位后，工业控制计算机(7)通过网络通讯或工业机器人通讯接口从工业机器人控制器(8)读取6个机器人关节的角度值，每个角度值读取两次以上取其平均值作为位置1的机器人关节角；d.工业机器人末端(10)载着激光器(2)基于位置1向左旋转，旋转的角度为左右倾角的范围除以旋转次数，最大左倾30～60°，第一次旋转的位姿作为位置2，重复步骤b和c获得位置2的机器人6个关节角度；e.依次旋转获得位置i的机器人6个关节角，直到位置N，N 1为旋转次数；f.依据以上步骤获取N个位置的机器人各关节角度值，接着基于建立的机器人运动学误差模型，获得N个位置的机器人末端位置和姿态；g.计算约束点的空间位置，基于线交点的方法，即物理上任意两条激光束相交于PSD表面的中心点，根据获得的N个位置的机器人末端位置和姿态，建立N个激光束几何方程，其中任意两个空间直线方程计算交点或中垂线的中点得到约束点的空间位置；h.优化目标函数获得机器人零位标定参数，以点约束建立目标函数，通过迭代算法搜索机器人标定参数，直到任意两个空间直线方程计算的交点收敛于一点。
2.根据权利要求1所述的工业机器人零位自标定方法，其特征在于步骤f中，工业机器 人每个关节包含机器人杆件参数和机器人零点位置误差的D-H关系改写为，q§x -S^cai s 贫Saiφ _ C^Cdri -Cff1Sai qs豸1I = Λj0SaicatCti ，0 0 0 1其中，ai，0”屯和θ 别是杆件长度，连杆扭角，连杆距离和关节角度；c θ和分别 s θ表示cos θ和sin θ。δ i表示第i个关节的零位误差，c梦和$夢分别代表cos ( θ i+ δ 和sin( θ i+ δ》。则六自由度机器人正运动学方程表达为，LOOOOOObTe=TlT2T3T4T5T6 。
3.根据权利要求1所述的工业机器人零位自标定方法，其特征在于步骤g中，基于线交 点的方法计算中心点位置，即对于准确定位在PSD中心点的N个机器人位置，其中任意两个 机器人位置下的激光都相交于同一点，该同一点为PSD中心点(11)，根据机器人正运动学 方程和获得的每个机器人位置下的关节角度，获得机器人末端在机器人基座坐标系下的位 姿矩阵，给出每个机器人位置下的第i条激光线在机器人基座坐标系下的方程为，
4.根据权利要求1所述的工业机器人零位自标定方法，其特征在于步骤h中，优化目标 函数实现机器人标定，即最小化以下目标函数来优化机器人杆件参数误差和机器人零点位置误差δ * = arg Μ ηΓΨ,νψ^Ψ^) 其中，Pk是激光线ru and Γ LJ (i Φ j，i，j e N，k e Μ)的交点或者公垂线的中心点。 nPAve表示第η次迭代时所有激光线交点的Pk k = 1，L，M的中心点；xWk，^k, ΖΨ,分别表 示Pk和nPAre在X，y，Z方向上的分布误差。
5.一种实现权利要求1至4所述的任意一项工业机器人零位自标定方法的装置，其特 征在于包括激光器(2)、连接装置(1)、位置敏感器件PSD(4)、信号处理电路(5)、工业控制 计算机(7)、数据采集卡(6)，所述的激光器(2)通过连接装置(1)固定安装在工业机器人 末端(10)，位置敏感器件PSD (4)及其信号处理电路(5)，合称为PSD装置，PSD装置任意放 置在工业机器人的可达工作空间，PSD装置的中心点(11)为约束点；数据采集卡(6)采用 无线通讯方式与工业控制计算机(7)通讯；工业机器人本体(9)通过机器人末端(10)载着 激光器(2)将激光光斑投射在PSD(4)表面，光斑在PSD(4)的精确位置通过信号处理电路 (5)和数据采集卡(6)传送给工业控制计算机(7)，反过来，工业控制计算机(7)基于该位 置反馈发命令给机器人控制器(8)控制机器人本体(9)移动带动激光器(2)将光斑精确定 位到PSD(4)的表面中心点(11)位置，物理上实现虚拟点约束。
6.根据权利要求5所述的工业机器人零位自标定装置，其特征在于激光器(2)是可调 焦距精密半导体激光器，功率lmW，波长670nm，激光束(3)的光斑直径为2.5mm。
7.根据权利要求5所述的工业机器人零位自标定装置，其特征在于位置敏感器件 PSD(4)采用分段式高精度光电器件，分辨率达0. lum，有效表面直径为10mm，可检测激光束 光斑在PSD表面的二维位置；PSD输出信号经信号处理电路(5)给出激光光斑在PSD表面 的二维位置坐标，作为反馈信号精确控制机器人的位置，即PSD表面的中心点作为机器人 定位目标位置。
全文摘要
本发明公开了一种新型工业机器人标定方法及装置，首先将一个PSD器件任意放置在机器人可达工作空间，然后仅依赖于通过机器人末端的一束激光以不同位置自动定位投射在该PSD的中心点即可实现机器人的标定任务。机器人精确定位控制通过高精度PSD反馈来实现，PSD中心点的位置通过基于线的方法计算获得，基于点约束建立目标函数通过迭代算法给出机器人的零位误差。本发明的方法不需要知道PSD中心点的位置，也不需要有实际物理接触测量，而且具有低成本、自动化、便携、高效和高精度等显著优点。
文档编号G01B11/00GK101968341SQ20101026777
公开日2011年2月9日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者刘永, 席宁 申请人:南京理工大学