一种机器人自动计算实际臂长的方法

摘要

本发明涉及一种通过零点标定及臂长标定控制精度的机器人自动计算实际臂长的方法。所述机器人包括第一轴臂、第二轴臂、基座，所述第一轴臂与基座通过第一轴关节机械连接，第一轴臂可通过第一轴关节围绕基座旋转；所述第一轴臂、第二轴臂通过第二轴关节机械连接，第一轴臂、第二轴臂可围绕第二轴关节旋转；通过已知平面上三个点的距离，采集机器人的轴臂末端在三个点上时的轴关节位置，自动计算出实际臂长和建立基坐标系。本发明利用自身电机的编码器和选定的外部三个参考点，通过简单实用而有效的方法任意定义机器人基坐标系，即可准确测得机器人的实际臂长，实现方法简单，应用灵活，精确度高，控制效率大为提升。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种通过零点标定及臂长标定控制精度的机器人控制方法。

背景技术

1978年，日本山梨大学牧野洋发明SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)，该机器人具有四个轴和四个运动自由度，(包括沿X,Y,Z方向的平移和绕Z轴的旋转自由度)。SCARA机器人在X,Y方向上具有顺从性，而在Z轴方向具有良好的刚度，此特性特别适合于装配工作；其串接的两杆结构，类似人的手臂，可以伸进有限空间中作业然后收回，适合于搬动和取放物件。SCARA机器人结构紧凑、动作灵活，速度快、位置精度高，广泛应用于塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域。

由于机械加工误差、装配误差，摩擦磨损等因素的影响，实际机器人的运动学参数(如臂长，减速比等)与理论设计值存在一定偏差，必须通过一定的测量手段或几何约束关系等，并基于机器人的运动学模型，准确地辨识出运动学参数，从而提高机器人的绝对定位精度。在未知机器人臂长情况下，如何通过简单实用而有效的方法测得SCARA机器人的臂长，有着重要意义。

SCARA机器人的零点为两臂共线且与基坐标系X轴重合时，机器人末端对应的位姿(也可以用此时绝对式编码器对应的值来表示)。为使用户可以在实际应用中任意定义机器人基坐标系，提高灵活性及效率，提出了机器人零点标定方法。

发明内容

鉴于背景技术中提到的技术问题，本发明提出一种通过已知平面上三个点的距离，采集机器人的轴臂末端在三个点上时的轴关节位置，自动计算出实际臂长和建立基坐标系的方法。

本发明的具体技术内容为：

一种机器人自动计算实际臂长的方法，所述机器人包括第一轴臂、第二轴臂、基座，所述第一轴臂与基座通过第一轴关节机械连接，第一轴臂可通过第一轴关节围绕基座旋转；所述第一轴臂、第二轴臂通过第二轴关节机械连接，第一轴臂、第二轴臂可围绕第二轴关节旋转；所述机器人自动计算实际臂长的方法包括如下步骤：

选定机器人活动空间内的第一触碰点B₁，所述第一轴臂、第二轴臂以两种对称位姿使第二轴臂末端触碰第一触碰点B₁,分别记录第一轴臂、第二轴臂处于两种位姿时的角度位置；

以所述第二轴臂末端触碰第一触碰点B₁的两种位姿的对称轴线为X轴，Y轴垂直于X轴，以第一轴关节为原点建立基坐标系，所述B₁点位于X轴上，设定该X轴为所述机器人零点位置；

计算第二轴臂末端触碰第一触碰点B₁时第一轴臂、第二轴臂在所述基坐标系中分别转过的角度

在所述基坐标系中选定第二触碰点B₂、第三触碰点B₃,设定B₁B₂＝B₂B₃＝L；计算第二轴臂末端触碰第二触碰点B₂时第一轴臂、第二轴臂在所述基坐标系中分别转过的角度计算第二轴臂末端触碰第三触碰点B₃时第一轴臂、第二轴臂在所述基坐标系中分别转过的角度

设定第一轴臂长度为L₁、第二轴臂长度为L₂，则通过

$\left(\begin{array}{c}{[L_1{{\mathrm{cos\theta }}_1}^{\left(1\right)}+L_2\cos ({{\theta }_1}^{\left(1\right)}+{{\theta }_2}^{\left(1\right)})-L_1{{\mathrm{cos\theta }}_1}^{\left(2\right)}-L_2\cos ({{\theta }_1}^{\left(2\right)}+{{\theta }_2}^{\left(2\right)})]}^2\\ +{[L_1{{\mathrm{sin\theta }}_1}^{\left(1\right)}+L_2\sin ({{\theta }_1}^{\left(1\right)}+{{\theta }_2}^{\left(1\right)})-L_1{{\mathrm{sin\theta }}_1}^{\left(2\right)}-L_2\sin ({{\theta }_1}^{\left(2\right)}+{{\theta }_2}^{\left(2\right)})]}^2=L^2\\ {[L_1{{\mathrm{cos\theta }}_1}^{\left(2\right)}+L_2\cos ({{\theta }_1}^{\left(2\right)}+{{\theta }_2}^{\left(2\right)})-L_1{{\mathrm{cos\theta }}_1}^{\left(3\right)}-L_2\cos ({{\theta }_1}^{\left(3\right)}+{{\theta }_2}^{\left(3\right)})]}^2\\ +{[L_1{{\mathrm{sin\theta }}_1}^{\left(2\right)}+L_2\sin ({{\theta }_1}^{\left(2\right)}+{{\theta }_2}^{\left(2\right)})-L_1{{\mathrm{sin\theta }}_1}^{\left(3\right)}-L_2\sin ({{\theta }_1}^{\left(3\right)}+{{\theta }_2}^{\left(3\right)})]}^2=L^2\end{array}\right)$

计算可得第一轴臂长L₁、第二轴臂长L₂长度；

优选地，所述机器人计算真实臂长方法还包括：

所述第一轴臂、第二轴臂以两种对称位姿使第二轴臂末端触碰第一触碰点B₁,采集第一轴臂的旋转角度位置及以对称位姿的旋转角度位置采集第二轴臂的角度位置及旋转至对称位姿的角度位置

设定所述第一轴臂到达机器人零点位置的旋转角度位置为E₁,第二轴臂达到零点位置的旋转角度位置为E₂，则所述机器人零点位置对应

$E_1=\frac{{e_1}^{\left(1\right)}+{e_1}^{\left(2\right)}}{2}$

$E_2=\frac{{e_2}^{\left(1\right)}+{e_2}^{\left(2\right)}}{2};$

优选地，所述第一轴臂、第二轴臂旋转的角度位置为通过编码器记录；

所述第一轴臂与第二轴臂以两种对称位姿使第二轴臂末端到达第一触碰点B₁；所述编码器记录第一轴臂的旋转角度位置及以对称位姿的旋转角度位置所述编码器记录第二轴臂的角度位置及旋转至对称位姿的角度位置

所述第二轴臂末端以任意位姿到达第二触碰点B₂；所述编码器记录第一轴臂的旋转角度位置所述编码器记录第二轴臂的旋转角度位置所述第二轴臂末端以任意位姿到达第三触碰点B₃；所述编码器记录第一轴臂的旋转角度位置所述编码器记录第二轴臂的旋转角度位置

则所述机器人第二轴臂末端以对称位姿触碰B₁时，第一轴臂、第二轴臂在所述基坐标系中的转角分别为：

其中，n₁,n₂为用于表示第一轴臂与第二轴臂角度位置的编码器的位数，为第一轴关节与第二轴关节的减速比。

同理可得所述机器人第二轴臂末端触碰B₂时，第一轴臂、第二轴臂在所述基坐标系中的转角分别为

同理可得所述机器人第二轴臂末端触碰B₃时，第一轴臂、第二轴臂在所述基坐标系中的转角分别为

所述机器人自动计算真实臂长方法应用于SCARA机器人；

优选地，所述机器人自动计算实际臂长的方法应用于可做平面自由度运动的多轴机器人。

有益效果

本发明基于机器人的运动学模型，无需特殊仪器，利用自身电机的编码器和选定的外部三个参考点，通过简单实用而有效的方法任意定义机器人基坐标系，即可准确测得机器人的实际臂长，实现方法简单，应用灵活，精确度高，控制效率大为提升。

机器人在生产过程中，臂长在装配后会和设计值有误差，传统的机器人生产组装需要通过装配工艺来控制装配误差。而通过这种标定方法，本身就不需要知道臂长的设计长度，直接可以求出装配后的实际长度，大大促进了生产效率和提升了精度。

本方法只需要采集三个外部参考点，相比传统的标定方法，机器人手臂可以在工作台上无需拆卸就可以直接进行校正，体现在维护效率上的提升。

附图说明

图1为所述机器人自动计算实际臂长的方法整体原理示意图；

图2为所述机器人自动计算实际臂长的方法零点标定原理示意图；

图3为所述机器人自动计算实际臂长的方法臂长计算原理示意图；

图4为所述机器人自动计算实际臂长的方法零点标定计算示意图；

图5为所述机器人自动计算实际臂长的方法臂长计算示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2、3所示，一种机器人自动计算实际臂长的方法，所述机器人包括第一轴臂、第二轴臂、基座，所述第一轴臂与基座通过第一轴关节机械连接，第一轴臂可通过第一轴关节围绕基座旋转；所述第一轴臂、第二轴臂通过第二轴关节机械连接，第一轴臂、第二轴臂可围绕第二轴关节旋转；

所述第一轴关节、第二轴关节处安装有电机，所述第一轴臂、第二轴臂通过电机带动旋转；

所述机器人还包括编码器，所述编码器安装于第一轴关节、第二轴关节电机位置处，所述编码器包括第一编码器、第二编码器；所述第一编码器安装于第一轴关节处，用于记录所述机器人第一轴臂围绕第一轴关节旋转的角度位置；所述第二编码器安装于第二轴关节处，用于记录所述机器人第二轴臂围绕第二轴关节旋转的角度位置；

如图4所示，第一轴关节位于原点O处，第二轴关节位于A及A'点处，OA或OA'为第一轴臂，AB₁或A'B₁为第二轴臂，如图4、5所示，B₁、B₂、B₃点位置为第二轴臂末端位置；

所述机器人自动计算实际臂长的方法包括如下步骤，如图1所示：

步骤101，计算机器人初始零点位置；

该步骤具体分解实现如下：

步骤201，选定机器人活动空间内的第一触碰点B₁，所述第一轴臂与第二轴臂以两种对称位姿使第二轴臂末端到达第一触碰点B₁；所述第一编码器、第二编码器分别记录第一轴臂的旋转角度位置及以对称位姿的旋转角度位置记录第二轴臂的角度位置及旋转至对称位姿的角度位置

步骤202，以所述第二轴臂末端触碰第一触碰点B₁的两种位姿的对称轴线为X轴，Y轴垂直于X轴，以第一轴关节为原点建立基坐标系，所述B₁点位于X轴上，设定该X轴为所述机器人零点位置；

如图4所示，由于OA＝OA',AB₁＝A'B₁,则ΔOAB₁与ΔOA'B₁关于X轴对称。设定所述第一轴臂到达机器人零点位置的旋转角度位置通过第一编码器记录为E₁,第二轴臂达到零点位置的旋转角度位置通过第二编码器记录为E₂，则所述机器人零点位置对应

$E_1=\frac{{e_1}^{\left(1\right)}+{e_1}^{\left(2\right)}}{2}$

$E_2=\frac{{e_2}^{\left(1\right)}+{e_2}^{\left(2\right)}}{2};$

步骤102，计算所述机器人第一轴臂、第二轴臂长度；

该步骤具体分解实现如下：

步骤301，计算第二轴臂末端触碰第一触碰点B₁时第一轴臂、第二轴臂在所述基坐标系中分别转过的角度

则所述机器人第二轴臂末端以对称位姿触碰B₁时，第一轴臂、第二轴臂在所述基坐标系中的转角分别为：

其中，n₁,n₂为用于采集第一轴臂与第二轴臂角度位置的编码器的位数，为第一轴关节与第二轴关节的减速比。

步骤302，在所述基坐标系中选定第二触碰点B₂、第三触碰点B₃,如图5所示设定B₁B₂＝B₂B₃＝L；计算第二轴臂末端触碰第二触碰点B₂时第一轴臂、第二轴臂在所述基坐标系中分别转过的角度计算第二轴臂末端触碰第三触碰点B₃时第一轴臂、第二轴臂在所述基坐标系中分别转过的角度

参照步骤302，同理可计算得所述机器人第二轴臂末端触碰B₂时，第一轴臂、第二轴臂在所述基坐标系中的转角分别为

同理可计算得所述机器人第二轴臂末端触碰B₃时，第一轴臂、第二轴臂在所述基坐标系中的转角分别为

步骤303，计算第一轴臂、第二轴臂的长度；

具体计算方法为：设定第一轴臂长度为L₁、第二轴臂长度为L₂，则通过

$\left(\begin{array}{c}{[L_1{{\mathrm{cos\theta }}_1}^{\left(1\right)}+L_2\cos ({{\theta }_1}^{\left(1\right)}+{{\theta }_2}^{\left(1\right)})-L_1{{\mathrm{cos\theta }}_1}^{\left(2\right)}-L_2\cos ({{\theta }_1}^{\left(2\right)}+{{\theta }_2}^{\left(2\right)})]}^2\\ +{[L_1{{\mathrm{sin\theta }}_1}^{\left(1\right)}+L_2\sin ({{\theta }_1}^{\left(1\right)}+{{\theta }_2}^{\left(1\right)})-L_1{{\mathrm{sin\theta }}_1}^{\left(2\right)}-L_2\sin ({{\theta }_1}^{\left(2\right)}+{{\theta }_2}^{\left(2\right)})]}^2=L^2\\ {[L_1{{\mathrm{cos\theta }}_1}^{\left(2\right)}+L_2\cos ({{\theta }_1}^{\left(2\right)}+{{\theta }_2}^{\left(2\right)})-L_1{{\mathrm{cos\theta }}_1}^{\left(3\right)}-L_2\cos ({{\theta }_1}^{\left(3\right)}+{{\theta }_2}^{\left(3\right)})]}^2\\ +{[L_1{{\mathrm{sin\theta }}_1}^{\left(2\right)}+L_2\sin ({{\theta }_1}^{\left(2\right)}+{{\theta }_2}^{\left(2\right)})-L_1{{\mathrm{sin\theta }}_1}^{\left(3\right)}-L_2\sin ({{\theta }_1}^{\left(3\right)}+{{\theta }_2}^{\left(3\right)})]}^2=L^2\end{array}\right)$

化简可得:

$\left(\begin{array}{c}{a}_1{L_1}^2+b_1{L}_1{L}_2+c_1{L_2}^2=d_1\\ a_2{L_1}^2+b_2{L}_1{L}_2+c_2{L_2}^2=d_2\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中,

$\left(\begin{array}{c}{a}_2=2{\sin }^2\left(\frac{{{\theta }_1}^{\left(2\right)}-{{\theta }_1}^{\left(3\right)}}{2}\right)\\ b_2={{\mathrm{cos\theta }}_2}^{\left(2\right)}+{{\mathrm{cos\theta }}_2}^{\left(3\right)}-cos({{\theta }_1}^{\left(2\right)}-{{\theta }_1}^{\left(3\right)}+{{\theta }_2}^{\left(2\right)})-cos({{\theta }_1}^{\left(3\right)}-{{\theta }_1}^{\left(2\right)}+{{\theta }_2}^{\left(3\right)})\\ c_2=2{\sin }^2\left(\frac{{{\theta }_1}^{\left(2\right)}-{{\theta }_1}^{\left(3\right)}+{{\theta }_2}^{\left(2\right)}-{{\theta }_2}^{\left(3\right)}}{2}\right)\\ d_2=\frac{L^2}{2}\end{array}\right)$

对非线性方程组(1)，令将方程组(1)降阶为：

$\left(\begin{array}{c}{a}_{1}P+b_1\sqrt{PQ}+c_{1}Q=d_1\\ a_{2}P+b_2\sqrt{PQ}+c_{2}Q=d_2\end{array}\right)---\left(2\right)$

化简得到：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{AP}}^2+BP+C=0\\ Q=\frac{b_1{d}_2-b_2{d}_1+P(a_1{b}_2-a_2{b}_1)}{b_1{c}_2-b_2{c}_1}\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，

$\left(\begin{array}{c}A=a_1^2{c}_2^2-2a_1{a}_2{c}_1{c}_2-a_1{b}_1{b}_2{c}_2+a_1{b}_2^2{c}_1+a_2^2{c}_1^2+a_2{b}_1^2{c}_2-a_2{b}_1{b}_2{c}_1\\ B=2a_1{c}_1{c}_2{d}_2-2a_2{c}_1^2{d}_2-b_2^2{c}_1{d}_1-b_1^2{c}_2{d}_2-2a_1{c}_2^2{d}_1+2a_2{c}_1{c}_2{d}_1+b_1{b}_2{c}_1{d}_2+b_1{b}_2{c}_2{d}_1\\ C=c_1^2{d}_2^2-2c_1{c}_2{d}_1{d}_2+c_2^2{d}_1^2\end{array}\right)$

求得P,Q可以得到第一轴臂L₁，第二轴臂L₂的长度分别为：

$\left(\begin{array}{c}{L}_1=\sqrt{P}\\ L_2=\sqrt{Q}\end{array}\right).$

所述机器人自动计算实际臂长的方法应用于SCARA机器人或者应用于类似SCARA机器人一样可做平面自由度运动的多轴机器人的臂长误差计算；所述类似SCARA机器人一样可做平面自由度运动的多轴机器人为至少两个轴臂可在同一平面内运动或可在近似同一平面内运动的多轴机器人；

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变形，而且性能或用途相同，都应视为本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。