CN110883774A - 机器人关节角零位标定系统、方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人关节角零位标定系统、方法及存储介质，该系统包括：安装于机器人的末端执行装置，包括一平面、固定于平面的激光器以及激光器的视觉伺服结构；设置于机器人工作空间的标定装置，包括固定装置、安装于固定装置上的第一标定传感器和第二标定传感器，标定时，激光器发射的激光照射到第一标定传感器中心位置，并通过第一标定传感器反射到第二标定传感器中心位置；控制器，包括数据采集模块和标定模块，数据采集模块采集第一标定传感器和第二标定传感器获取的机器人关节角速度，标定模块根据机器人关节角速度标定机器人关节角的零位偏差值。本发明提供机器人关节角零位标定系统能够快速、自动、准确的实现机器人关节角标定。

Description

机器人关节角零位标定系统、方法及存储介质

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种机器人关节角零位标定系统、方法及存储介质。

背景技术

随着机器人的应用领域不断拓宽，对其运行高精度高可靠性的要求随之提高。机器人的定位精度通常分为绝对定位精度和重复定位精度，机器人的拖拽示教应用主要依靠重复定位精度，使得机器人实现重复性的动作，随着现代工业的迅猛发展，越来越多的机器人应用到加工，安装，焊接等对绝对定位精度要求较高的场合，然而机器人的绝对定位精度远低于其重复定位精度，常常不能满足实际应用要求，所以必须对机器人的关节角零位进行重新标定，以提高其绝对定位精度。

在实现本发明过程中，发明人发现目前机器人标定方法至少存在以下不足：极易受环境因素影响、设备成本价格昂贵、标定算法费时复杂。

因此，如何提供一种能够实现快速、自动、准确的机器人关节角零位标定方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术问题，提供一种机器人关节角零位标定系统、方法及存储介质。

本发明的一个方面，提供了一种机器人关节角零位标定系统，所述系统包括：

安装于机器人主体的末端执行装置，包括一平面、固定于所述平面的激光器以及所述激光器的视觉伺服结构；

设置于机器人工作空间的标定装置，包括固定装置、安装于所述固定装置上的第一标定传感器和第二标定传感器，标定时，所述激光器发射的激光照射到所述第一标定传感器中心位置，并通过所述第一标定传感器反射到所述第二标定传感器中心位置；

控制器，包括数据采集模块和标定模块，所述数据采集模块用于采集所述第一标定传感器和第二标定传感器获取的机器人关节角速度，所述标定模块用于根据所述机器人关节角速度标定机器人关节角的零位偏差值。

可选地，所述视觉伺服结构包括由设置于所述激光器两侧的摄像机组成的双目视觉伺服结构。

可选地，所述第一标定传感器和第二标定传感器位于不同平面，且两者的安装方向之间呈预设角度。

可选地，在所述第二标定传感器的反射光路上设置有第一标定位置和第二标定位置，在从所述激光器到所述第一标定传感器中心位置的光路上设置有第三标定位置和第四标定位置；

所述数据采集模块，用于分别采集所述末端执行装置在所述第三标定位置和所述第四标定位置，且使得发射的激光照射到所述第一标定位置和第二标定位置时，所述第一标定传感器和第二标定传感器获取的四组机器人关节角速度。

可选地，所述标定模块，包括：

第一计算单元，用于按照工业机器人正运动学公式，根据所述四组机器人关节角速度计算出4组末端执行器的位姿状态；

第二计算单元，用于根据所述末端执行器位姿状态获得所述末端执行器在对应标定位置的线性方程，并计算四组线性方程形成的4个交点P₁、P₂、P₃和P₄；

搜索单元，用于根据点约束原则，搜索使得4个交点与交点平均值的均方差最小的目标机器人关节角，根据所述目标机器人关节角标定机器人关节角的零位偏差值。

可选地，所述第一标定位置与所述第二标定位置之间的间距和所述第三标定位置与第四标定位置之间的间距相同。

可选地，所述标定装置的标定坐标系和所述机器人的基坐标系的角度近似为0°。

本发明的另一个方面，提供了一种采用如上所述的机器人关节角零位标定系统的机器人关节角零位标定方法，所述方法包括：

获取当所述末端执行装置在所述第三标定位置和所述第四标定位置，且使得发射的激光照射到所述第一标定位置和第二标定位置时，所述第一标定传感器和第二标定传感器获取的四组机器人关节角速度；

根据所述四组机器人关节角速度标定机器人关节角的零位偏差值。

可选地，所述根据所述四组机器人关节角速度标定机器人关节角的零位偏差值，包括：

用于按照工业机器人正运动学公式，根据所述四组机器人关节角速度计算出4组末端执行器的位姿状态；

根据所述末端执行器位姿状态获得所述末端执行器在对应标定位置的线性方程，并计算四组线性方程形成的4个交点P₁、P₂、P₃和P₄；

根据点约束原则，搜索使得4个交点与交点平均值的均方差最小的目标机器人关节角，根据所述目标机器人关节角标定机器人关节角的零位偏差值。

此外，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

本发明实施例提供的机器人关节角零位标定系统、方法及存储介质，解决现有工业机器人零位标定算法复杂费时、准确度低的问题，提出一种基于视觉伺服结构辅助的机器人关节角零位标定系统，并设计了一种基于点约束的机器人关节角零位标定方法，进而能够快速、自动、准确的实现工业机器人关节角标定。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的机器人关节角零位标定系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的机器人关节角零位标定系统中末端执行装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的机器人关节角零位标定系统中标定装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的机器人关节角零位标定系统中控制器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的机器人关节角零位标定系统的实现原理图；

图6为本发明实施例提供的机器人关节角零位标定方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

图1示意性示出了本发明一个实施例的机器人关节角零位标定系统的结构示意图。参照图1，本发明实施例提出的机器人关节角零位标定系统具体包括安装于机器人主体的末端执行装置10、设置于机器人工作空间的标定装置20以及控制器(图中未示出)。

其中，如图2所示，末端执行装置10包括一平面101、固定于所述平面101的激光器102以及所述激光器的视觉伺服结构，所述视觉伺服结构包括由设置于所述激光器102两侧的摄像机103、104组成的双目视觉伺服结构。

其中，如图3所示，标定装置20包括固定装置201、安装于所述固定装置上的第一标定传感器202和第二标定传感器203，标定时，所述激光器102发射的激光照射到所述第一标定传感器202中心位置，并通过所述第一标定传感器202反射到所述第二标定传感器203中心位置。

本发明实施例提供的机器人关节角零位标定系统中，第一标定传感器202和第二标定传感器203的位置，使得标定装置20的标定坐标系和所述机器人的基坐标系的角度近似为0°，利用固定在工业机器人末端执行装置10上激光指针附近的双摄像头，通过视觉伺服功能，使得激光束能够照射到第一标定传感器202中心上，并反射至第二标定传感器202中心，实现激光束102的位置传感器中心校准。

其中，如图4所示，控制器，包括数据采集模块301和标定模块302，所述数据采集模块301用于采集所述第一标定传感器202和第二标定传感器203获取的机器人关节角速度，所述标定模块302用于根据所述机器人关节角速度标定机器人关节角的零位偏差值。

本实施例中，所述第一标定传感器202和第二标定传感器203位于不同平面，且两者的安装方向之间呈预设角度。

本发明实施例提供的机器人关节角零位标定系统，解决现有工业机器人零位标定算法复杂费时、准确度低的问题，提出一种基于视觉伺服结构辅助的机器人关节角零位标定系统，能够快速、自动、准确的实现工业机器人关节角标定。

图5为本发明实施例提供的机器人关节角零位标定系统的实现原理图。如图5所示，本发明实施例中，在所述第二标定传感器203的反射光路上设置有第一标定位置A和第二标定位置B，在从所述激光器102到所述第一标定传感器202中心位置的光路上设置有第三标定位置C和第四标定位置D。所述第一标定位置A与所述第二标定位置B之间的间距和所述第三标定位置C与第四标定位置D之间的间距相同。所述第一标定位置A、第二标定位置B、第三标定位置C和第四标定位置D为标定时，所述末端执行器10上的激光器进行标定数据采集的预设位置，控制工业机器人的末端执行器上的激光器到位置A，并调整方向，使激光照射在第A个位置传感器中心，并反射到第C个位置传感器中心，从而获得1组工业机器人关节角(6个)，同理，位置2与1、位置3与4分别在同一线上，且间距相同，因此将激光器移动到位置B、C、D时，同样可获得3组关节角。

所述数据采集模块301，用于分别采集所述末端执行装置在所述第三标定位置和所述第四标定位置，且使得发射的激光照射到所述第一标定位置和第二标定位置时，所述第一标定传感器和第二标定传感器获取的四组机器人关节角速度。

进一步地，所述标定模块，具体包括第一计算单元、第二计算单元以及搜索单元，其中：

第一计算单元，用于按照工业机器人正运动学公式，根据所述四组机器人关节角速度计算出4组末端执行器的位姿状态；

第二计算单元，用于根据所述末端执行器位姿状态获得所述末端执行器在对应标定位置的线性方程，并计算四组线性方程形成的4个交点P₁、P₂、P₃和P₄；

搜索单元，用于根据点约束原则，搜索使得4个交点与交点平均值的均方差最小的目标机器人关节角，根据所述目标机器人关节角标定机器人关节角的零位偏差值。

按照工业机器人正运动学公式，计算出4组末端执行器的位置和姿态。理论上，位置A、B处激光的线性方程相同，位置C、D处激光的线性方程相同。求出位置A和C、位置A和D、位置B和C、位置B和D等四组线性方程形成的4个交点P1、P2、P3和P4。

求出四个交点的坐标平均数为P，根据点约束原则，四个交点应为同一点，可得：

f_i＝P_i-Pi＝1，2，3，4

式中：f_i为4个关节角零位偏差值，P_i为4个交点坐标值，P为4个交点的坐标平均值。

运用最小二乘法原理，使得f_i的均方差最小，通过Isqnonlin搜索算法而获得工业机器人初始关节角的零位偏差值△q,完成标定工作。

图6示意性示出了本发明一个实施例的机器人关节角零位标定方法的流程示意图。该方法适用于如上所述的机器人关节角零位标定系统，参照图6，本发明实施例提出的机器人关节角零位标定方法具体包括以下步骤：

S11、获取当所述末端执行装置在所述第三标定位置和所述第四标定位置，且使得发射的激光照射到所述第一标定位置和第二标定位置时，所述第一标定传感器和第二标定传感器获取的四组机器人关节角速度。

S12、根据所述四组机器人关节角速度标定机器人关节角的零位偏差值。

进一步地，所述根据所述四组机器人关节角速度标定机器人关节角的零位偏差值，具体包括以下附图中未示出的步骤：

S121、用于按照工业机器人正运动学公式，根据所述四组机器人关节角速度计算出4组末端执行器的位姿状态；

S122、根据所述末端执行器位姿状态获得所述末端执行器在对应标定位置的线性方程，并计算四组线性方程形成的4个交点P₁、P₂、P₃和P₄；

S123、根据点约束原则，搜索使得4个交点与交点平均值的均方差最小的目标机器人关节角，根据所述目标机器人关节角标定机器人关节角的零位偏差值。

下面通过具体实施例对本发明提出的标定算法进行具体说明。

假设坐标系o₂中，关节角速度为

末端执行器的位姿速度为

可得出：

式中：J_r(q)为基本坐标系o₂中工业机器人关节角和末端执行器位姿的雅克比矩阵；

为6个关节角的角速度；

为末端执行器的位姿速度。

在位置传感器o₁坐标系中，工业机器人末端执行器的位姿速度为

激光束在两个位置传感器中心的位置坐标为

可得：

式中：Y_p为坐标系o₁中末端执行器位置坐标；J_p(Y_p)为位置传感器坐标系中工业机器人末端执行器和激光点位置的雅克比矩阵；

为工业机器人末端执行器的位姿速度；

为激光束在两个位置传感器中心的实际位置坐标。

令工业机器人基本坐标系o₂和位置传感器坐标系o₁的转换矩阵为T，则：

可得：

Y_p＝f(Y_b，T) (5)

式中：A(T)坐标系o₂相对于坐标系o₁的齐次变换矩阵；R为旋转变换矩阵；S为平移向量；Y_b为坐标系o₂中末端执行器位置坐标。

由式(1)～(5)可得到完整的系统模型。

基于点约束的工业机器人标定系统第一步必须进行激光校准，给定2个PSD上激光点的理想位置(PSD中心点)如下：

式中：

激光点在两个位置传感器中心的理想坐标值的转置矩阵，

和

分别为两个位置传感器中心的横纵坐标值。

可推导出：

式中：k为增益系数，

激光点在两个位置传感器中心的理想坐标值的实际变换矩阵，u_p为理想坐标值的预估矩阵，J_p[f(Y_b，T)]]为坐标系o₂中末端执行器位置坐标的雅克比矩阵，{J_p[f(Y_b，T)](T)J_r(q)}^-1]为关节角速度的逆矩阵。

由于转换矩阵T是未知的，假设预估变换矩阵为

对于任何一个矢量e，如果矢量

中的元素符号和矢量{J_p[f(Y_b，T)]A(T)J_r(q)]^-1e中元素符号保持一致，预估矩阵

能使u_p达到

这样可以快速使得激光束照射在第1个PSD中心，并反射到另1个PSD中心，从而分别获得4个位置q₁，q₂，q₃，q₄(分别表示4个位置工业机器人的关节角)。

令工业机器人关节角零位偏差值为Δq_j，j＝1,2,3,4，则Δq_i实际关节角为q_i+Δq_j，根据工业机器人的D-H参数(D-H参数法)，可以计算出在4组关节角下工业机器人末端执行器的位姿状态，并根据位姿状态获得相应的线性方程，获得相应的交点。

位置A、B和C、D两两组合，形成4个交点P₁、P₂、P₃和P₄。求出4个交点的坐标平均数P，根据点约束原则，4个交点应为同一点，因此，得出方程：

f_j＝P_j-P (9)

式中：f_i为4个关节角零位偏差值，P_i为4个交点坐标值，P为4个交点的坐标平均数。

运用最小二乘法原理，使得函数f的均方误差最小，运用Isqnonlin方法进行搜索，从而获得Δq，最终得到工业机器人的关节角零位偏差值，完成标定工作。

本发明提出并设计一种基于点约束的工业机器人关节角标定算法和装置系统，可实现快速精准的标定出工业机器人关节角的零位偏差值。

此外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

本实施例中，所述机器人关节角零位标定系统集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

本发明实施例提供的机器人关节角零位标定系统、方法及存储介质，解决现有工业机器人零位标定算法复杂费时、准确度低的问题，提出一种基于视觉伺服结构辅助的机器人关节角零位标定系统，并设计了一种基于点约束的机器人关节角零位标定方法，进而能够快速、自动、准确的实现工业机器人关节角标定。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种机器人关节角零位标定系统，其特征在于，所述系统包括：

安装于机器人主体的末端执行装置，包括一平面、固定于所述平面的激光器以及所述激光器的视觉伺服结构；

设置于机器人工作空间的标定装置，包括固定装置、安装于所述固定装置上的第一标定传感器和第二标定传感器，标定时，所述激光器发射的激光照射到所述第一标定传感器中心位置，并通过所述第一标定传感器反射到所述第二标定传感器中心位置；

控制器，包括数据采集模块和标定模块，所述数据采集模块用于采集所述第一标定传感器和第二标定传感器获取的机器人关节角速度，所述标定模块用于根据所述机器人关节角速度标定机器人关节角的零位偏差值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述视觉伺服结构包括由设置于所述激光器两侧的摄像机组成的双目视觉伺服结构。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一标定传感器和第二标定传感器位于不同平面，且两者的安装方向之间呈预设角度。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述第二标定传感器的反射光路上设置有第一标定位置和第二标定位置，在从所述激光器到所述第一标定传感器中心位置的光路上设置有第三标定位置和第四标定位置；

所述数据采集模块，用于分别采集所述末端执行装置在所述第三标定位置和所述第四标定位置，且使得发射的激光照射到所述第一标定位置和第二标定位置时，所述第一标定传感器和第二标定传感器获取的四组机器人关节角速度。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述标定模块，包括：

第一计算单元，用于按照工业机器人正运动学公式，根据所述四组机器人关节角速度计算出4组末端执行器的位姿状态；

第二计算单元，用于根据所述末端执行器位姿状态获得所述末端执行器在对应标定位置的线性方程，并计算四组线性方程形成的4个交点P₁、P₂、P₃和P₄；

搜索单元，用于根据点约束原则，搜索使得4个交点与交点平均值的均方差最小的目标机器人关节角，根据所述目标机器人关节角标定机器人关节角的零位偏差值。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一标定位置与所述第二标定位置之间的间距和所述第三标定位置与第四标定位置之间的间距相同。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述标定装置的标定坐标系和所述机器人的基坐标系的角度近似为0°。

8.一种采用如权利要求1-7任一项所述的机器人关节角零位标定系统的机器人关节角零位标定方法，其特征在于，所述方法包括：

获取当所述末端执行装置在所述第三标定位置和所述第四标定位置，且使得发射的激光照射到所述第一标定位置和第二标定位置时，所述第一标定传感器和第二标定传感器获取的四组机器人关节角速度；

根据所述四组机器人关节角速度标定机器人关节角的零位偏差值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述四组机器人关节角速度标定机器人关节角的零位偏差值，包括：

用于按照工业机器人正运动学公式，根据所述四组机器人关节角速度计算出4组末端执行器的位姿状态；

根据所述末端执行器位姿状态获得所述末端执行器在对应标定位置的线性方程，并计算四组线性方程形成的4个交点P₁、P₂、P₃和P₄；

根据点约束原则，搜索使得4个交点与交点平均值的均方差最小的目标机器人关节角，根据所述目标机器人关节角标定机器人关节角的零位偏差值。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求8-9任一项所述方法的步骤。

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