[发明专利]一种基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置

权利要求书

1.一种基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置，其特征在于包括点光源激光器（2）和激光束（3）的接收装置，接收装置由PSD（4）、球关节（12）、基座（13）、信号处理电路（5）、数据采集卡（6）、工业控制计算机（7）、工业机器人控制器（8）组成，激光器（2）通过连接装置（1）刚性固定在机器人末端（10），接收装置放置在工业机器人本体（9）的工作空间内，PSD（4）通过刚性连杆固定连接在球关节（12）上，数据采集器卡（6）通过信号处理电路（5）与PSD（4）相连，数据采集器卡（6）与工业控制计算机（7）相连接，工业控制计算机（7）与工业机器人控制器（8）相通信，机器人末端（10）带动激光器（2）移动，使得激光束（3）从不同的方向投射到PSD（4）感光面上，根据激光器（2）发射的激光束（3）方向，PSD（4）绕球关节（12）自由旋转调整方向垂直的接收激光束（3），在旋转过程中PSD（4）的感光面中心点（11）始终处于以球关节（12）的中心点为球心的同一球面上，PSD（4）检测激光束光斑在PSD（4）感光面的二维位置，数据采集卡（6）采集由信号处理电路（5）传来的激光束光斑在PSD（4）感光面上的位置信息，并将位置信息发送给工业控制计算机（7），该工业机器人控制器（8）控制机器人本体（9）的移动。

2.一种根据权利要求1所述的基于空间曲面约束的工业机器人在线标定装置实现的方法，其特征在于步骤如下：

第一步，将一个绕球关节（12）自由旋转的PSD（4）放置在工业机器人可达工作空间的任意位置，PSD（4）的感光面中心点（11）为激光束约束点；

第二步，机器人末端（10）带动激光器（2）移动，将激光束投射到PSD（4）的感光面中心点（11）上，设定PSD感光面的方位，并在此方位不变的情况下，机器人末端带动激光束小角度偏转且激光束投射到PSD感光面中心点上，然后机器人末端（10）载着激光器做N次较大角度为20°~ 30°的偏移，每次较大角度偏移后，再按照以上方式激光束发生小角度偏转，小角度偏转为至少两次较小角度为5°~ 10°的偏转，每次偏移后得到关节角的角度值；

第三种，将关节角的角度值带入运动学正解模型得出末端姿态，得到激光束直线方程，在小角度偏转时的激光束会交于一点，且这些交点都位于同一球面上，以此作为约束；

第四步，建立优化模型，以空间球面建立约束条件，以任意四个不共面的交点所组成的球面的球心之间的距离为优化目标函数，通过迭代算法搜索机器人标定参数。

3.根据权利要求2所述的基于空间曲面约束的工业机器人在线标定方法，其特征在于第一步中，PSD（4）的感光面中心点（11）为激光束约束点，PSD（4）通过刚性连杆与球关节（12）相连，根据激光器（2）发射激光束（3）的方向，PSD（4）通过刚性连杆绕球关节（12）旋转使得PSD感光面能够垂直的接收激光器发射的激光束，在标定过程中，由位置A变换到位置B，再变换到标定空间中各个位置，PSD（4）绕着球关节在同一球面上移动，PSD（4）感光面中心点（11）都在以球关节（12）的中心点为球心的球面上，即实现了空间球面约束。

4.根据权利要求2所述的基于空间曲面约束的工业机器人在线标定方法，其特征在于第三步中，

（1）将关节角度值带入正运动学模型得出末端位置和姿态，通过末端位置和姿态得到激光束直线方程，小角度偏转的激光束会交于一点，且这些交点都位于同一球面上，直线方程为：

其中 是第i条激光线通过的某一固定点在机器人基座坐标系下的坐标， 是该激光线所在直线的单位方向向量；

（2）建立空间中任意不共面四点，的球面方程如下：

其中； 是激光束交点的坐标。

5.根据权利要求2所述的基于空间曲面约束的工业机器人在线标定方法，其特征在于第四步中的建立优化模型：激光器（2）发射的所有激光束（3）的交点都位于同一球面上，通过将关节角的角度值代入正运动学模型得到机器人末端位置和姿态，求出当机器人本体（9）发生小角度偏转时位姿变化时激光束的交点，并求出任意四个交点的球面方程得到球心，以所有球心与球心中心点之间的距离作为优化目标函数，通过迭代补偿关节角的值使得目标函数值最小，此时的补偿值即为零位角误差值，建立的优化模型如下：

其中，表示对零位角误差值第n次迭代时第k个球面的球心，；表示对零位角误差值在第n次迭代所有球面球心的中心点；表示零位角误差值在第n次迭代时所有球面球心在方向上的分布误差，通过此优化模型，最终得出的补偿值即为零位角误差值，从而实现基于空间曲面约束的工业机器人在线标定。