[发明专利]一种工业机器人运动学参数快速低成本标定装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于工业机器人运动学参数快速标定技术，特别是一种工业机器人运动学参数快速低成本标定装置及其方法。

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。

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.1，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 1991IEEE 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。

另一类方法是在机器人末端施加一些约束从而形成运动学闭合链。Zhuang和Ikits等对机器人末端施加多个平面或者一个平面约束(H.Zhuang，S.H.Motaghedi，and Z.S.Roth，“Robot calibration with planar constraints，”in Proc.IEEE Int.Conf.Robot.Autom.，Detroit，MI，1999，pp.805-810.)，这些手工操作方法受限于准确定位和效率不高的问题。Newman等(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)提出一种基于激光线跟踪的方法。这种方法的特点是约束机器人末端的某点沿着一束静止的任意激光线移动，但没能给出跟踪激光线的可行的、精确的、自动化的方法。开发适合机器人工作现场、便于携带及低成本机器人运动学参数标定设备具有重大经济效益和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于多个(2个及以上)位置敏感器件(PSD)的激光定位装置实现工业机器人18个运动学参数的标定，能够标定工业机器人的所有杆件参数，主要包括杆件长度、杆件扭角、关节长度以及关节转角，以解决现有标定设备昂贵、安装操作复杂或定位精度低等瓶颈问题。