[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

说明书

技术领域

本发明属于工业机器人的标定技术，特别是一种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（0.1mm或更高），然而（绝对）定位精度却很低（达1cm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）（M. 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. l, 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。