[发明专利]一种基于PSD的工业机器人自标定方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于工业机器人的标定技术领域，尤其涉及一种基于PSD和激光虚拟约束线的6自由度工业机器人零位偏差及空间位姿自标定方法及装置。

技术背景

随着工业机器人在工业生产中应用范围以及所完成任务复杂程度的不断扩大，对工业机器人位姿精度的要求也越来越高。目前，大多数商品化的机器人重复精度很高，能达到0.1mm数量级，但其定位精度却很差，只能达到cm数量级，这样的定位精度远远不能满足现代工业发展的要求。导致工业机器人定位精度不高的原因有很多，例如机器人运动学模型的参数偏差、机器人杆件的弹性变形、齿轮传动误差、关节间隙以及环境因素等，对于不同结构、不同用途的机器人，以上各因素的影响也不尽相同。但一般来讲，机器人运动学模型中几何结构参数偏差所引起的定位误差占机器人总误差的80%左右。因此，对机器人运动学模型进行偏差标定补偿进而提高其定位精度是目前机器人技术领域内急需解决的问题。所谓标定就是应用先进的测量手段和基于模型的参数识别方法辨识出机器人模型的准确参数，从而提高机器人定位精度的过程。标定的结果是一组被识别的机器人参数，这些参数可以供机器人生产厂家作为产品质量检验指标，也可以帮助机器人用户提高机器人的定位精度。

近年来，为了提高工业机器人的定位精度，国内外学者相继提出了一些标定方法，这些方法大致可以分为以下三种：

第一种方法是利用一些高精度的测量设备来获取机器人末端精准的位置与姿态，例如三坐标测量机、电子经纬仪、球杆仪等。上述这些测量仪器在精度、成本及是否容易使用等方面有很大差异，但均具有需要专业的技术人员来操作这些仪器、数据采集费时费力、难以实现自动化、成本高、测量方法繁琐等缺点；

第二种方法是增加外部冗余传感器，通过传感器提供的信息来实现机器人运动学参数的自标定，例如利用安装于机器人末端的摄像头对机器人运动学参数进行了自标定，但是使用视觉传感器的问题在于摄像机本身需要标定，而且由于视野和分辨率之间的矛盾导致很难获得较高的测量精度。

第三种方法通过在机器人工作空间施加位置已知或形状已知的物理约束，利用机器人末端与这些约束接触，形成运动学闭合链并建立约束方程来求解运动学参数，例如中国发明专利号为CN101968341A所公开的一种工业机器人零位自标定方法及装置，其首先将一个PSD器件任意放置在机器人可达工作空间，然后仅依赖于通过机器人末端的一束激光以不同位置自动定位投射在该PSD的中心点即可实现机器人的标定任务，但采用此种方法只能进行零位偏差自标定，不能进行机器人空间位姿的自标定，并且进行零位偏差自标定时，需要机器人末端或激光器从至少7个不同的方位将光斑投射到PSD的中心，因此标定过程复杂。

由上述可见，研发适合机器人工作现场、便于携带并且成本低廉的机器人自标定方法及装置，已经成为机器人应用企业迫切需要解决的难题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种基于PSD的工业机器人自标定装置，其结构简单，价格便宜，安装与操作简单，定位精度高，可同时实现机器人空间位姿与零位偏差的自标定；本发明还提供一种基于PSD的工业机器人自标定方法。

为实现上述目的，本发明的基于PSD的工业机器人自标定装置包括：机器人；安装在机器人末端的激光器；设置于机器人可达工作空间内的V形夹具；分别安装在V形夹具的两个板上的两个位置敏感器件PSD，即第一PSD和第二PSD，其中，机器人在不同位置时，激光器发出的激光束投射在第一PSD或第二PSD上，以便形成投射光斑和反射光束，且反射光束投射到第二PSD或第一PSD上，形成反射光斑；与第一PSD和第二PSD分别连接的机器人闭环控制单元，其将所述投射光斑和反射光斑分别定位在第一PSD或第二PSD的中心点位置，并确定对应的机器人末端的位置和机器人的6个关节角度值，以便通过点线关系，建立两条虚拟约束线的几何方程组，从而实现机器人零位偏差自标定和空间位姿自标定；其中，所述两条虚拟约束线为第一PSD和第二PSD中心点连线分别在第一PSD和第二PSD表面反射所形成的反射线。