[发明专利]机械手臂的坐标校正系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械手臂的移动控制系统及方法，尤其涉及一种机械手臂在移动过程中的坐标校正系统及方法。

背景技术

工业用关节型机械手臂(Joint-Type Robot)为仿生、模拟人类的腰肩肘腕等空间多支点旋转的电控系统，目前普遍应用的有四轴和六轴关节型机械手臂。一般工业上应用该机械手臂时，使用者操作的观点为在直角坐标系统中进行操作，而机械手臂内部却建立了一个双向的、能对多支点轴坐标系统进行转换，且使用者熟悉的空间直角坐标系统来进行顺向运动学(轴坐标转成直角坐标)与逆向运动学(直角坐标转成轴坐标)间的向量空间转换。以六轴机械手臂为例，共有六个支点旋转轴、五段旋转臂，将其转换成使用者所习惯的直角坐标系统，其实就是将轴坐标转换成一组复杂的三角函数建构的方程组。虽然各种机械手臂的运动控制方程式有其差异性，但是仍会因三角函数值在其值域上的变化并非线性而导致误差产生，例如正弦（Sin）与余弦（Cos），其值域变化范围在自变量角度接近45度附近为最线性的变化，而于0度与90度附近则呈现比较小的角度变化，且该比较小的角度变化却要应对比较大的函数值变化。

另外，针对理想的理论方程组，在面对16位或是32位的计算机浮点运算，以及步进马达旋转时因步进角度的离散步阶移动性等均是误差发生原因。

因此，机械手臂在真正运动时，会认为所转换后的直角坐标系统下的运动是直线的，坐标轴是正交的。然而，利用标准长度标尺的移动测量时的坐标轴却会呈现角度偏斜而非正交，长度会有伸缩变化，从而导致非线性误差产生。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种机械手臂的坐标校正系统，用于准确确定机械手臂末端执行机构的工具中心点的实际位置，以校正该机械手臂原有的空间直角坐标系统，提高机械手臂的运动精确度。

所述机械手臂的坐标校正系统，运行于计算装置中，该系统包括原始坐标系建立模块、控制模块、工作坐标系模块、计算模块、映射模块和校正模块。所述原始坐标系建立模块用于在待测物体上任意取三点A、B、C，以点A为原点建立一个原始坐标系。所述控制模块用于控制机械手臂的末端执行机构绕原始坐标系的X坐标轴旋转一个第一角度，使得该末端执行机构的工具中心店到达坐标点B后，再控制机械手臂的末端执行机构绕原始坐标系的X坐标轴旋转一个第二角度，使该工具中心点到达坐标点C。所述工作坐标系模块用于在上述末端执行机构旋转过程中，将机械手臂的法兰面正中轴线垂直于待测物体，并以视觉方式记录所述三点，所述三点在机械手臂的工作坐标系上的坐标点为A'、B'和C'，该工作坐标系的原点为A'。所述计算模块用于计算该原始坐标系上的线段AB和AC与工作坐标系上的线段A'B'和A'C'间的长度缩张率和角度缩张率，并根据该长度缩张率和角度缩张率计算该长度缩张率对角度的微分变率。所述映射模块用于根据上述计算出的长度缩张率、角度缩张率和微分变率计算原始坐标系和工作坐标系间的非线性映像关系式。所述校正模块用于根据上述非线性映像关系式校正机械手臂原有的空间直角坐标系统。

鉴于以上内容，有必要提供一种机械手臂的坐标校正方法，用于准确确定机械手臂末端执行机构的工具中心点的实际位置，以校正该机械手臂原有的空间直角坐标系统，提高机械手臂的运动精确度。

所述机械手臂的坐标校正方法包括：（a）在待测物体上任意取三点A、B、C，以点A为原点建立一个原始坐标系；（b）控制机械手臂的末端执行机构绕原始坐标系的X坐标轴旋转一个第一角度，使得该末端执行机构的工具中心店到达坐标点B后，再控制机械手臂的末端执行机构绕原始坐标系的X坐标轴旋转一个第二角度，使该工具中心点到达坐标点C，在该旋转过程中，将机械手臂的法兰面正中轴线垂直于待测物体，并以视觉方式记录所述三点，所述三点在机械手臂的工作坐标系上的坐标点为A'、B'和C'，该工作坐标系的原点为A'；（c）计算该原始坐标系上的线段AB和AC与工作坐标系上的线段A'B'和A'C'间的长度缩张率和角度缩张率，并根据该长度缩张率和角度缩张率计算该长度缩张率对角度的微分变率；（d）根据上述计算出的长度缩张率、角度缩张率和微分变率，计算出原始坐标系和工作坐标系间的非线性映像关系式；及（e）根据上述非线性映像关系式校正机械手臂原有的空间直角坐标系统。

相较于现有技术，所述的机械手臂的坐标校正系统及方法，在不增加成本且不需要对机械手臂的电控系统进行修改的情况下，仅利用张量分析手法就可以自行推衍出一种创新手法，使得空间坐标转换的精确度得到了大幅提升。

附图说明

图1是本发明机械手臂的坐标校正系统较佳实施例的应用环境图。