基于激光三角测距的机器人零位标定系统与方法

摘要

本发明公开一种基于激光三角测距的机器人零位标定系统与方法，所述系统包括标定器、靶标和控制器，三个标定器分别安置于机器人环境周围任一位置处的刚性基座上，三个靶标对应地粘贴于机器人本体末端与标定器相对应的三个相互垂直的平面处；控制器置于机器人所需的某个周围位置；标定器由两个具有绝对位移测量功能的激光三角位移传感器和一个外壳组成，两个激光三角位移传感器的读数直接传送到控制器，控制器通过数据处理实现机器人零位标定。本发明不仅标定精度高，而且对机器人本体没有影响；本发明适用于新机器人设计，也适用于在役机器人的附件安装，具有最佳的通用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人零位标定系统与方法，具体地，涉及一种基于激光三角测 距的机器人零位标定系统与方法。

背景技术

机器人是一种开环的运动学结构，通过角度测量装置(通常是增量式码盘)得到 关节转动的角度值，通过机器人运动学模型得到当前机器人末端执行器的空间位姿。 由于在机器人生产过程中机械制造与装配、编码器、运动控制等环节均不可避免地存 在各种误差，在机器人的使用过程中的重力形变、热变形、间隙和磨损以及其他随机 误差等，因此机器人末端的实际空间位姿与理想值相比通常存在较大偏差，从而影响 机器人的运动精度。

通过对机器人进行标定，获取机器人准确的结构与位姿参数，可以将机器人的位 姿误差大幅度降低，进而将机器人的绝对精度提高到重复精度的水平。近年来，各国 学者提出了许多机器人标定的方法，主要有运动学回路法和轴线测量两种。运动学回 路法是通过测量装置获取机器人末端的位姿，通过求解机器人的运动学方程获得机器 人关节参数的方法。例如，天津大学、浙江大学、中国海洋大学等采用机器人末端按 照摄像机的方法，在机器人处于某个姿态时采集空间特征点的图像信息，并通过数据 处理获得该点的三维坐标数据，也就是建立起机器人处于任意姿态时，其关节变量到 末端法兰盘坐标系位姿之间的准确映射关系。南京理工大学在机器末端固定激光器， 在机器人工作空间内放置一个位置传感器位置敏感检测器PSD，使激光以多个位姿 定位到位置传感器的中心，实现点约束。轴线测量法是将机器人的关节轴线抽象成一 条空间中的直线，利用关节轴线间的几何关系求出模型中运动学参数的方法。与运动 学回路法相比，轴线测量法标定过程简单，可操作性强，所以在对机器人标定的过程 中被广泛采用。例如，沈阳自动化所、天津大学和华中科大利用激光跟踪仪和线性方 程最小二乘解对机器人进行标定方法。

但是，目前各种现有的机器人标定方法都存在诸多问题：

(1)位姿测量位精度低：无论是双目立体视觉标定法，还是激光跟踪仪方法，都 需要在机器人末端安装相应的测量部件，并配合以一定规律的运动控制与方法。因此， 很难达到较高的空间位置测量精度；

(2)体积大、重量大：现有标定方法基本上是以激光和视觉为主，均为分离部件 (摄像机、镜头、反射镜、激光器等)组装构成标定系统，具有体积大、重量大的问 题；

(3)对机器人本体性能有影响：由于在机器人末端增加了额外的测量装置与部件， 机器人运动模型的正反解会稍有变化，不利于机器人的应用。

因此，急需一种体积小、重量轻、高度集成的一体化通用机器人零位标定系统， 使用简单方便、对机器人本体性能没有影响，既可以适合新机器人设计、又可以满足 在役机器人需要。

发明内容

本发明针对目前结构钢丝检测普遍存在的精度低、体积大、对机器人本体性能有 影响的现状，提出一种基于激光三角测距的机器人零位标定系统与方法，可实现机器 人零位标定的小型化、集成化、通用化。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种基于激光三角测距的机器人零位标定系统，所 述系统包括：标定器、靶标和控制器，其中：

所述标定器共有三个，分别为第一标定器、第二标定器和第三标定器，第一标定 器、第二标定器、第三标定器分别安置于机器人本体环境周围任一位置处的刚性基座 上；所述靶标对应的也有三个，分别为第一靶标、第二靶标和第三靶标，第一靶标、 第二靶标和第三靶标分别粘贴于机器人本体末端上的与第一标定器、第二标定器、第 三标定器相对应的三个相互垂直平面处；第一标定器、第二标定器、第三标定器在空 间上互相垂直，并分别对应于第一靶标、第二靶标和第三靶标中的任意一个；所述控 制器置于机器人本体所需的某个周围位置；

所述第一标定器、第二标定器、第三标定器均设有两个绝对位移测量功能的激光 三角位移传感器，激光三角位移传感器的测量值即位移读数直接传送到控制器，控制 器通过数据处理实现机器人零位标定。

优选地，所述第一标定器、第二标定器、第三标定器均由两个具有绝对位移测量 功能的激光三角位移传感器和一个外壳组成，两个激光三角位移传感器的读数直接传 送到控制器。

更优选地，两个所述激光三角位移传感器为背靠背对称布局，两个激光三角位移 传感器的激光束处于同一水平面内，并投向同一个靶标。

更优选地，两个所述激光三角位移传感器为上下并行布局，两个激光三角位移传 感器的激光束处于同一垂直面内，并投向同一个靶标。

更优选地，两个所述激光三角位移传感器的激光束所在平面与机器人本体末端的 坐标系的一个坐标轴平行，通过数据处理获得转角值，从而实现六自由度零位标定。

更优选地，所述第一标定器中两个激光三角位移传感器的激光束所在平面、所述 第二标定器中两个激光三角位移传感器的激光束所在平面、所述第三标定器中两个激 光三角位移传感器的激光束所在平面互相垂直。

优选地，所述第一靶标、第二靶标、第三靶标均采用双层结构，其中：

上层为白色的漫反射板；下层为双面不干胶，双面不干胶的一面与漫反射板粘接、 另一面与机器人本体末端的某个平面粘接，三个靶标所粘贴的平面互相垂直。

更优选地，所述漫反射板采用白色陶瓷材料或者白色亚克力材料制作。

更优选地，为适应双激光束的测量模式，所述漫反射板采用长方形结构。

优选地，所述控制器为多路同步采集控制器，多路同步采集控制器同步读入并保 存第一标定器中两个激光三角位移传感器、第二标定器中两个激光三角位移传感器、 第三标定器中两个激光三角位移传感器，共六路激光三角位移传感器的位移读数，以 避免六路传感器的位移读数不同步而产生的定位误差；

同时，所述多路同步采集控制器对六路激光三角位移传感器的位移读数进行处理， 通过计算得到机器人零位的三个方向坐标值和三个转轴的角度值，共六个自由度测量 结果。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于激光三角测距的机器人零位标定方法， 所述方法包括如下：

(1)控制器同步采集三个标定器中的共六个激光三角位移传感器的测量值，并予 以保存；

(2)对于每个标定器，采取两个激光三角位移传感器的测量值的平均值作为该方 向的零位坐标值；

(3)对于每个标定器，采取两个激光三角位移传感器的测量值的差值与两束激光 束距离之比作为该方向的零位转角值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述系统采用激光三角位移传感器获取所需信息，通过计算得到机器人零 位的三个坐标值和三个转角值，共计六个自由度结果，不仅标定精度高，而且对机器 人本体没有影响。本发明所述方法既可以适用于新机器人设计，也可以适用于在役机 器人的附件安装，具有最佳的通用性。

附图说明

图1为本发明一实施例的系统组成示意图；

图2为本发明一实施例的标定器传感器对称布局示意图；

图3为本发明一实施例的标定器传感器并行布局示意图；

图4为本发明一实施例的标定器激光束空间布局关系示意图；

图5为本发明一实施例的靶标组成示意图；

图中：1、2、3为标定器，4、5、6为靶标，7为机器人本体，8为控制器，9、10 为激光三角位移传感器，11为外壳，12为漫反射板，13为双面不干胶。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些 都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于激光三角测距的机器人零位标定系统，由第一标定器1、第 一标定器2、第一标定器3和第一靶标4、第二靶标5、第三靶标6，以及控制器8组成， 其中：第一标定器1、第一标定器2、第一标定器3分别安置于机器人本体7环境周围任 一位置处的刚性基座上；第一靶标4、第二靶标5、第三靶标6分别粘贴于机器人本体7 末端上的与第一标定器1、第一标定器2、第一标定器3相对应的三个相互垂直的平面处； 第一标定器1、第一标定器2、第一标定器3在空间上也互相垂直，并且分别对于相应的 第一靶标4或第二靶标5或第三靶标6；控制器8置于机器人本体7所需的某个周围位置。

在一实施例中，所述第一标定器1、第一标定器2、第一标定器3均由两个具有绝对 位移测量功能的激光三角位移传感器9、激光三角位移传感器10和一个外壳11组成；激 光三角位移传感器9、激光三角位移传感器10的位移读数直接传送到控制器8，控制器8 通过数据处理实现机器人零位标定。

如图2所示，在一实施例中，所述激光三角位移传感器9、激光三角位移传感器10 可以是背靠背对称布局，激光三角位移传感器9的激光束和激光三角位移传感器10的激 光束处于同一水平面内，并投向同一个第一靶标4，或第二靶标5，或第三靶标6。

如图3所示，在一实施例中，所述激光三角位移传感器9、激光三角位移传感器10 也可以是上下并行布局，激光三角位移传感器9的激光束和激光三角位移传感器10的激 光束处于同一垂直面内，并投向同一个第一靶标4，或第二靶标5，或第三靶标6。

所述第一标定器1中激光三角位移传感器9、激光三角位移传感器10的激光束所在 平面，第一标定器2中激光三角位移传感器9、激光三角位移传感器10的激光束所在平 面，第一标定器3中激光三角位移传感器9、激光三角位移传感器10的激光束所在平面 相互垂直，并且与机器人本体7末端的三个坐标轴平行，控制器8可以通过数据处理获 得转角值，从而实现六自由度零位标定。

在一实施例中，如图4所示，所述第一标定器1、第一标定器2、第一标定器3的激 光束布局关系示意图，图中：

x轴方向的第一标定器1的激光三角位移传感器9和激光三角位移传感器10水平布 局，两个激光束投向第一靶标4，两个激光束的中心连线与坐标轴z平行；

y轴方向的第一标定器2的激光三角位移传感器9和激光三角位移传感器10水平布 局，两个激光束投向第二靶标5，两个激光束的中心连线与坐标轴x平行；

z轴方向的第一标定器3的激光三角位移传感器9和激光三角位移传感器10垂直布 局，两个激光束投向第三靶标6，两个激光束的中心连线与坐标轴y平行。

作为一优选实施例，所述第一靶标4、第二靶标5、第三靶标6均采用双层结构， 其中：上层为白色的漫反射板12，可以采用白色陶瓷材料或者白色亚克力材料制作； 下层为双面不干胶13，双面不干胶13的一面与漫反射板12粘接、另一面与机器人本 体7末端的某个平面粘接。

更优选地，为了适应双激光束的测量模式，所述漫反射板12采用长方形，例如： 两激光束距离为50mm，激光光斑直径约为1mm，则漫反射板12的尺寸为60mm×20mm。

在一实施例中，所述控制器8为多路同步采集控制器，控制器8将第一标定器1、 第一标定器2、第一标定器3中的各两个激光三角位移传感器9、10，共六路传感器的 读数同步读入并且保存，以避免各路传感器读数不同步而产生的定位误差。

部分实施例中，所述控制器8同时对六路传感器的测量值进行处理，通过计算得 到机器人零位的三个方向坐标值和三个转轴的角度值，共六个自由度测量结果。

基于上述的机器人零位标定系统，一种机器人零位标定方法具体如下：

(1)控制器同步采集六个激光三角位移传感器的测量值，并予以保存。

如图4所示，所述第一标定器1、第一标定器2、第一标定器3内的共六个激光三角 位移传感器的读数分别为L_x1、L_x2、L_y1、L_y1、L_z1、L_z1；

(2)对于每个标定器，采取激光三角位移传感器9、激光三角位移传感器10的测 量值的平均值作为该方向的零位坐标值。

如图4所示，机器人零位的三轴坐标为：

x＝(L_x1+L_x2)/2

y＝(L_y1+L_y2)/2

z＝(L_z1+L_z2)/2。

(3)对于每个标定器，采取激光三角位移传感器9、激光三角位移传感器10的测 量值的差值与两束激光束距离之比作为该方向的零位转角值。

如图4所示，假设两束激光束距离为d，则机器人零位的三轴转角为：

θ_x＝arctan[(L_z1-L_z2)/d]

θ_y＝arctan[(L_x1–L_x2)/d]

θ_z＝arctan[(L_y1–L_y2)/d]。

所述的机器人零位标定系统采用激光三角位移传感器获取所需信息，通过计算得 到机器人零位的三个坐标值和三个转角值，共计六个自由度结果，不仅标定精度高， 而且对机器人本体没有影响。

上述实施例所述方法既可以适用于新机器人设计，也可以适用于在役机器人的附 件安装，具有最佳的通用性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。