一种机器人工具坐标系标定方法

一种机器人工具坐标系标定 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 一种机器人工具坐标系标定方法 山东科学 SHANDONGSCIENCE 第25卷第1期2012年2月出版 VO1.25No.1Feb.2012 DOI:10.3976/j.issn.1002—4026.2012.01.015 一 种机器人工具坐标系标定方法 ,马世国,郅健斌,刘广亮,吴昊 刘成业,李文广 (山东省科学院自动化研究所,山东省机器人与制造自动化技术重点实验室,山东济南250014) 摘要:提出了一种算法简便,切实有效的机器人工具坐标系标定方法.该方法基于机器人的运动学推导过程,在没有借 助额外的测量工具的条件下,对工具坐标系相对于机器人末端坐标系的位置进行辨识,在得到工具坐标系相对位置的基 础上,对机器人的工具端的姿态进行辨识.本方法仅采用了线性最小二乘算法,算法简便容易实现.最后使用MATLAB 和VirtualRobotSimulator对本文所提算法进行了仿真实验,结果证明该方法切实可行,完全可以应用到实际的工作环境 中,缩减离线工作时间,提高自动化水平. 关键词:机器人运动学;机器人建模;工具坐标系标定;运动学 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 中图分类号:TP241文献 标识 采样口标识规范化 下载危险废物标识 下载医疗器械外包装标识图下载科目一标识图大全免费下载产品包装标识下载 码:A文章编号:1002-4026(2012)O1-0069-06 Arobottoolframecalibrationmethod LIUCheng—ye,LIWen—guang,MAShi-guo,ZHIJian-bin,LlUGuang—liang,WUHao (ShandongProvincialKeyLaboratoryofRobotandManufacturingAutomationTechnolog y,InstituteofAutomation ShandongAcademyofSciences,Jinan250014,China) AbstraCt:Wepresentasimpleandeffectivecalibrationmethodforrobottoolframecalibration.ThismethodiSbasedon thekinematiccomputationofastackingrobot.andrecognizestherelativepositionofthetooIframetotheendoftherobot withouttheaidofextrameasurementequipment.ThemethodthenrecognizestheorientationoftherobottooIframebased onthederivedrelativeposition.Thismethodonlyemploysthelinearleastsquarealgorithm,SOitiseasytoberealized. WeemployMATLABandVirtualRobotSimulatortosimulatetheproposedmethodResultsshowthatthemethodiSfeasi bleandcanbeappliedtopracticalenvironmentstoreducetheoff— linetimeandimprovetheIeveIofautomation. Keywords:robotkinematics;robotmodeling;toolframecalibration;kinematicalanalysis 机器人工具坐标系标定是计算工具端相对于机器人末端坐标系的位置和姿态的 辨识过程,该位姿是一 个未知的确定位姿.其中,机器人末端坐标系,是涉及到机器人控制器软件的坐标 系,可以通过控制器读取 各关节编码器值,并经正向运动学求得机器人末端坐标系的位置和姿态.工具坐标 系是定义在工具末端的 坐标系,本文在不借助外部测量工具的条件下,对工具坐标系相对于末端坐标系的 位姿进行辨识. 在工业机器人的应用中,机器人工具坐标系(ToolControlFrame,TCF)中的位姿是一 个十分重要的因 素,它们其测量精度依赖于实际机器人单元的几何尺寸和位置.机器人单元,诸如 末端执行器,夹具的微小 变化都会导致机器人TCF不准确.本文引入一种机器人TCF标定的方法,并用理 论推算的形式表明它的合 收稿日期:2011-07—18 基金项目:山东省科技攻关计划(2010GGX104-30) 作者简介:刘成业(1979一),男,硕士,研究方向为工业机器人及其自动化研究.Email:liucy@keylab.net 70山东科学2012焦 理性. 一 个基本的机器人单元包括机器人本体和两个基本的外围设备:末端执行器和夹具.末端执行器是连 接在机器人腕关节法兰盘位置处的机械设备,可以辅助机器人完成象焊接,装配,喷涂和搬运等的任务.夹 具是用于机器人执行特殊工件加工任务时的刚体实体,可以是一个简单的桌子或是装有特殊设计的用于固 定,夹紧工件装置的台子.有了机器人单元的这三个组成部分,再加上被操作的实际工件,使用者就可以通 过使用机器人示教盒来定位TCF的位置,用于执行各种指定的机器人任务. Ruther等人…提出了一种使用镜子作为辅助设备,而不采用任何其他的精确参考物来完成机器人本体 的标定,并将机器人的平移误差由3.88mm减小到了1.54mm.赵娇娇等人_2采用了七点法对机器人工具 端进行了标定,使得机器人的定位精度达到了?0.5mm.在该方法中首先由前4个点对机器人工具端位置 进行辨识,其次由3个点完成姿态的辨识.朴永杰等人_3利用机器人正运动学方程和空间坐标变换关系求 解了机器人的末端执行器参数,在该方法中,利用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 固件,在不安装工具情形下确定一参考坐标系,并求解 出该坐标系的位姿,然后,用带工具的机器人去拟合参考坐标系,同时完成工具坐标系参数的辨识.李亮玉 等人提出了六点标定法,使用VB6.0开发了弧焊机器人离线标定系统,并在FANUC机器人平台上进行了 实验,将机器人的定位精度提高到了?0.5mm.Frank5使用DynaCal系统,对 FANUCM6i机器人进行了标 定,在20min内,将机器人的末端定位精度提高到至少0.5mm. 文中介绍了一种用于机器人工具坐标系标定的方法,并给出了 具体的理论推算过程.在开始标定之前,首先假定机器人本体已经 标定过,即可以忽略本体所带来的误差.本文将在不借助外部测量 设备的情形下,对机器人工具端坐标系进行辨识,最终辨识出工具 坐标系相对于机器人末端坐标系的位姿,见图1. l工具坐标系标定 1.1位置标定 由图1可以看出,矩阵将机器人和末端工具连接在了一起, 并且有如下的关系成立:T1:机器人本体的齐次变换矩阵;:工具端在机 ..:T3(1)器人末端坐标系下的位姿矩阵;:工具端在机器 此在 一'系between 系 th. 此在确定工具坐标系的过程中最好不要借助额外的测量设备.在.一,…. . .….:…,一 确定工具坐标系相对于机器人末端的位置时,此处采用四点法,但it.fthr0b.t 是要求4个点的工具端位置是同一个位置,只是工具端的姿态改变 了,如图2所示. 对于位姿P,P:,P.,P:由公式(1)可以得出 T2T3fi=1,2,3,4(2) p Py p: 1 y Z 1 (3) 第1期刘成业,等:一种机器人工具坐标系标定方法 n02口e2 ny2O0ey2 rl,z2oz2az2ez2 0O0 n0a3ex3 n0妒口妒ey3 n办00口妇ed 000 nOax4ex4 ny4Oy4口ey4 n0az4ez4 OOO p p p= 1 p py 1 p py 1 (4) (5) (6) Ep,P,Pz]表示的是工具坐标系在机器人末端坐标系下的位置 偏移量. (4)式减(3)式,也就是对应位姿P:和p,的两位置相减: 即: 蚓 (R:一R) = E采用线性最小二乘的算法来对[p,P,]进行计算得: 图2用于确定工具端位置的 4个限位位姿 Fig.2The4limitposestodeterminethe toolposition (7) (8) (9) (10) (11) yZ?yZ1yZ d eee —...................................L = 1???????j 2:ppp —....................................L ? 1??????J 一一 足R足 风凰 —...................................L 72山东科学2012矩 ?] [[茎三茎:]?[茎茎]]至此,便完成了机器人工具坐标系位置的标定. 1.2姿态标定 工具坐标系姿态的标定需要借助工具坐标系位置标定的结果, 同时还需要将机器人工具坐标系姿态调整至与机器人基座坐标系 一 致(不一定完全一致).然后,需要将机器人控制方式切换到机器 人坐标系进行控制,控制机器人移动沿35轴运动再沿z轴运动,在此 过程中机器人工具端姿态是不变的,如图3所示. 由于工具端姿态与机器人姿态是一致的,沿机器人坐标系运动 就相当于沿工具坐标系的运动.位置P减去位置P得到工具坐标 系35轴轴向向量.位置P减去位置P得到工具坐标系轴轴向向 量.两者叉乘得到工具坐标系Y轴轴向向量,最后统一单位化得到 工具坐标系相对于机器人坐标系的姿态.由公式(3)得: 5 y5 名5 1 =T15? P P Pz 1 同理,计算P和P的位置向量,即: X6 y6 6 1 =Tl6? p p 1 7 ), 7 l (13) = Tl7? (12) 图3用于确定工具姿态的3个限位位姿 Fig.3The3limitposestodetermine thetoolpose p p pz 1 (14) 那么轴轴向向量为: X=[6一5Y6一Y5z6一5].(15) 同理z轴轴向向量为: Z=[7一6Y7一Y67一6].(16) Y=Z×X(17) 在得到工具坐标系各轴轴向向量后,对其进行单位化操作,到此得到的是工具坐标 系相对于机器人坐标 系的姿态,而我们需要工具坐标系相对于机器人末端坐标系的姿态,因此需要将得 到的旋转矩阵左乘 (i=5,6,7)中的旋转矩阵的逆. 2仿真实验 VirtualRobotSimulator是免费的机器人仿真平台,可以用于构建指定的机器人仿真模型.这里建立的是 Staubli机器人模型,如图4所示.结合MATLAB下的机器人工具箱,建立相应的机器人模型,如图5所示. 对文中所提算法进行仿真实验. 第1期刘成业,等:一种机器人工具坐标系标定方法73 该Staubli机器人的DH参数见表1. 用于标定的7组数据也就是测量得到的7组机器人关节角度值,见表2. 图4Staubli机器人 Fig.4AStaublirobot 表1Staubli机器人DH参数 Table1DHparametersofastaublirobot 图5Staubli机器人模型 Fig.5Staublirobotmodel 表2机器人关节角度值 Table2Theangularvaluesofrobotjoint 利用表2中的数据,采用文中所推导的公式进行计算,最终得到工具端相对于机器人末端的位姿变换矩 阵如下,与本文所建立的仿真模型完全匹配,证明本算法有效. 0.866 0 — 0.5 0 00.560 100 00.866140 001 由表3可以看出经过两次迭代修正,机器人末端定位精度从较大的实际偏离值经标定后得到较小修正 的末端定位值.这表明了经过辨识补偿,机器人的定位精度提高了至少90%,足以满足工业应用的要求. 与目前国内常用的手眼标定方法相比较,本方法的优势在于无需借助外部测量和其他的辅助设备,可以更简 便的对机器人工具坐标系进行标定,实现同样的精度. 74山东科学2012正 3结论 表3标定前后机器人末端定位 Table3Thelocationsoftherobotendbeforeandaftercalibration 为了提高加工,装配,打磨等工业机器人的标定精度,充分实现离线编程的实用化,本文提出了一种TCF 的标定方法,主要用于机器人的工具坐标系标定过程.该算法推算过程简单有效,且充分考虑到了作业环 境,有利于普及应用.标定过程所采用的最小二乘算法,也是工业应用常见的算法,简便易行.从标定算法 原理可看出,该方法隶属离线编程范畴,对于工业机器人离线编程有一定的借鉴意义. 参考文献: [1]RUTHERM,LENZM,BISCHOFH.Thenarcissisticrobot:robotcalibrationusingamirr or[C]?1lthInternationalConference onControlAutomationRoboticsandVision.Singapore,2010:169—174. 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