CN112536822A - 一种空间轨迹精度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间轨迹精度测量装置及方法，装置包括底盘、底座、方位角转台、第一绝对值编码器、俯仰角转台、第二绝对值编码器和径向导轨机构；此装置可用于测量工业机器人空间动态轨迹精度，且根据精度数据利用最小二乘法可辨识修正机器人DH参数，提高机器人定位精度；测量方法为利用固定于径向伸缩机构端点的一颗精密标准钢球吸附于固定在机器人末端的磁性球座上，三维测量机构被动跟随机器人运动，将标准钢球在球坐标系下的位置先转换到三维测量机构坐标系下再转换到机器人基坐标系下，将转换后的坐标位置与直接在机器人基坐标系下读取的标准钢球位置相减，即得机器人空间动态轨迹精度，此外装置还具有便携性、成本低、实用性好等优点。

Description

一种空间轨迹精度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及机器人轨迹精度技术领域，具体为一种空间轨迹精度测量装置及方法。

背景技术

机器人轨迹精度已成为衡量机器人性能的一项重要指标，列入了工业机器人的相关国家标准中。当前工业机器人的轨迹精度测量主要采用激光跟踪仪或三维视觉装备，而这种三维测量装备属于精密仪器，价格昂贵，不适用于机器人批量生产以及生产现场的快速轨迹精度测量。并且现有的机器人轨迹精度测量装置成本居高，便携性、实用性差，因此设计一种结构简单、测量精度可满足工业机器人需求、便携性、实用性好的空间轨迹精度测量装置及方法是十分有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间轨迹精度测量装置及方法，以解决上述背景技术中的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种空间轨迹精度测量装置，包括底盘、底座、方位角转台、俯仰角转台和径向导轨机构，所述底盘的顶部中心与竖直设置的底座底端固接，且底座的顶端安装有方位角转台，所述方位角转台的顶部通过方位角转轴安装有第一绝对值编码器，且第一绝对值编码器的顶部安装有俯仰角转台，所述俯仰角转台上安装有俯仰角转轴，且俯仰角转轴上安装有第二绝对值编码器，并在俯仰角转轴上安装有径向导轨机构，所述径向导轨机构包括碳纤维导轨、光栅读头、光栅尺和标准钢球，且碳纤维导轨垂直安装在俯仰角转轴的中心孔处，所述碳纤维导轨上还安装有光栅读头和光栅尺，且光栅尺的末端固定安装有标准钢球。

作为本发明进一步的方案：所述俯仰角转轴的轴线和方位角转轴的轴线正交。

作为本发明进一步的方案：所述光栅尺固定贴附设置在碳纤维导轨的一侧，且标准钢球的球心与光栅尺的轴线最短距离连线与碳纤维导轨平行。

作为本发明进一步的方案：所述碳纤维导轨靠近俯仰角转轴的一侧与光栅读头配合滑接，且光栅读头与俯仰角转轴固定设置。

一种空间轨迹精度测量方法，包括如下步骤：

步骤S1：设立三维球坐标机构的参考坐标系{N}，原点设在方位角转台的底座中心；设立球坐标参考系{O},原点设在方位角转轴中心线与俯仰角转轴中心线的交点；设立机器人基坐标参考系{M},原点设在机器人基座中心；

步骤S2：将磁性球座固定于机器人末端，并使得磁性球座吸住标准钢球；

步骤S3：下达机器人运动轨迹的指令，并记录第一绝对值编码器、光栅尺和第二绝对值编码器的数据，得知标准钢球在球坐标{O}中的动态位置(R,θ,Φ)，同时读取标准钢球在机器人基坐标系{M}下的位置(Xr,Yr,Zr)；

步骤S4：通过转换公式(a)得知标准钢球相对于三维测量机构参考坐标系{N}的空间位置坐标(X_b,Y_b,Z_b)，公式如下：

步骤S5：将标准钢球在三维机构参考坐标系{N}的位置(X_b,Y_b,Z_b)转换到机器人基坐标系{M}下得(^MX_b,^MY_b,^MZ_b)，转换公式如下(b)、(c)，式中，

称为旋转变换，表示坐标系{N}相对于坐标系{M}的方位，^MP_N称为平移变换，表示坐标系{N}相对坐标系{M}的平移矢量,

表示j坐标系下I轴的单位方向向量；

步骤S6：将标准钢球经公式转换得到在机器人基坐标系{M}的位置(^MX_b,^MY_b,^MZ_b)与直接在机器人基坐标系{M}下读取的标准钢球位置(Xr,Yr,Zr)相减计算机器人轨迹精度，公式如下

作为本发明进一步的方案：所述步骤S3中，R为通过光栅读头测量出的径向长度；第一绝对值编码器测量出的俯仰角；Φ为通过第二绝对值编码器测量出的方位角。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S3中，机器人运动时，三维球坐标机构做被动跟随运动。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S4中，h为O点和参考坐标系(X,Y,Z)的原点相对距离，O点为三维球坐标系(R,θ,Φ)的原点与方位角转轴、俯仰角转轴的交点。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：该空间轨迹精度测量装置及方法，采用转轴相互正交的方位角转台和俯仰角转台与一个通过两转轴交点的径向导轨机构的方式测量工业机器人动态轨迹精度，且根据精度数据利用最小二乘法可辨识修正机器人DH参数，提高机器人定位精度。此外装置还具有便携性、成本低、实用性好等优点.

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的整体立体结构示意图；

图2是本发明测量状态结构示意图；

图3是本发明的三维球坐标机构坐标系示意图；

图中：1、底盘；2、底座；3、方位角转台；31、第一绝对值编码器；4、俯仰角转台；41、第二绝对值编码器；5、径向导轨机构；51、碳纤维导轨；52、光栅读头；53、光栅尺；54、标准钢球。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种空间轨迹精度测量装置，包括底盘1、底座2、方位角转台3、俯仰角转台4和径向导轨机构5，底盘1的顶部中心与竖直设置的底座2底端固接，且底座2的顶端安装有方位角转台3，方位角转台3的顶部通过方位角转轴安装有第一绝对值编码器31，且第一绝对值编码器31的顶部安装有俯仰角转台4，俯仰角转台4上安装有俯仰角转轴，且俯仰角转轴上安装有第二绝对值编码器41，并在俯仰角转轴上安装有径向导轨机构5，俯仰角转轴的轴线和方位角转轴的轴线正交，径向导轨机构5包括碳纤维导轨51、光栅读头52、光栅尺53和标准钢球54，且碳纤维导轨51垂直安装在俯仰角转轴的中心孔处，碳纤维导轨51上还安装有光栅读头52和光栅尺53，且光栅尺53的末端固定安装有标准钢球54，光栅尺53固定贴附设置在碳纤维导轨51的一侧，且标准钢球54的球心与光栅尺53的轴线最短距离连线与碳纤维导轨51平行，碳纤维导轨51靠近俯仰角转轴的一侧与光栅读头52配合滑接，且光栅读头52与俯仰角转轴固定设置。

一种空间轨迹精度测量方法，包括如下步骤：

步骤S1：设立三维球坐标机构的参考坐标系{N}，原点设在方位角转台3的底座2中心；设立球坐标参考系{O},原点设在方位角转轴中心线与俯仰角转轴中心线的交点；设立机器人基坐标参考系{M},原点设在机器人基座中心；

步骤S2：将磁性球座固定于机器人末端，并使得磁性球座吸住标准钢球54；

步骤S3：下达机器人运动轨迹的指令，并记录第一绝对值编码器31、光栅尺53和第二绝对值编码器41的数据，得知标准钢球54在球坐标系{O}中的动态位置(R,θ,Φ)，同时读取标准钢球54在机器人基坐标系{M}下的位置(Xr,Yr,Zr)；

步骤S4：通过转换公式(a)得知标准钢球54相对于三维测量机构参考坐标系{N}的空间位置坐标(X_b,Y_b,Z_b)，公式如下：

步骤S5：将标准钢球在三维机构参考坐标系{N}的位置(X_b,Y_b,Z_b)转换到机器人基坐标系{M}下得(^MX_b,^MY_b,^MZ_b)，转换公式如下(b)、(c)，式中，

称为旋转变换，表示坐标系{N}相对于坐标系{M}的方位，^MP_N称为平移变换，表示坐标系{N}相对坐标系{M}的平移矢量,

表示j坐标系下I轴的单位方向向量；

步骤S6：将标准钢球54经公式转换得到在机器人基坐标系{M}的位置(^MX_b,^MY_b,^MZ_b)与直接在机器人基坐标系{M}下读取的标准钢球54位置(Xr,Yr,Zr)相减计算机器人轨迹精度，公式如下

基于上述，本发明的工作原理为：利用固定于径向伸缩机构5端点的一颗精密标准钢球54吸附于固定在机器人末端的磁性球座上，末端球座中心的空间位置坐标(X_b,Y_b,Z_b)可由三维球坐标机构上的标准钢球54坐标(R,θ,Φ)经过坐标变换求得，将此坐标位置与机器人的运动指令位置进行相减即可得出机器人末端球座中心的位置误差。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种空间轨迹精度测量装置，其特征在于，包括底盘(1)、底座(2)、方位角转台(3)、俯仰角转台(4)和径向导轨机构(5)，所述底盘(1)的顶部中心与竖直设置的底座(2)底端固接，且底座(2)的顶端安装有方位角转台(3)，所述方位角转台(3)的顶部通过方位角转轴安装有第一绝对值编码器(31)，且第一绝对值编码器(31)的顶部安装有俯仰角转台(4)，所述俯仰角转台(4)上安装有俯仰角转轴，且俯仰角转轴上安装有第二绝对值编码器(41)，并在俯仰角转轴上安装有径向导轨机构(5)，所述径向导轨机构(5)包括碳纤维导轨(51)、光栅读头(52)、光栅尺(53)和标准钢球(54)，且碳纤维导轨(51)垂直安装在俯仰角转轴的中心孔处，所述碳纤维导轨(51)上还安装有光栅读头(52)和光栅尺(53)，且光栅尺(53)的末端固定安装有标准钢球(54)。

2.根据权利要求1所述的空间轨迹精度测量装置，其特征在于，所述俯仰角转轴的轴线和方位角转轴的轴线正交。

3.根据权利要求1所述的空间轨迹精度测量装置，其特征在于，所述光栅尺(53)固定贴附设置在碳纤维导轨(51)的一侧，且标准钢球(54)的球心与光栅尺(53)的轴线最短距离连线与碳纤维导轨(51)平行。

4.根据权利要求1所述的空间轨迹精度测量装置，其特征在于，所述碳纤维导轨(51)靠近俯仰角转轴的一侧与光栅读头(52)配合滑接，且光栅读头(52)与俯仰角转轴固定设置。

5.空间轨迹精度测量方法，其特征在于，使用权利要求1-4任意一项所述的一种空间轨迹精度测量装置实施该方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1：设立三维球坐标机构的参考坐标系{N}，原点设在方位角转台(3)的底座(2)中心；设立球坐标参考系{O},原点设在方位角转轴中心线与俯仰角转轴中心线的交点；设立机器人基坐标参考系{M},原点设在机器人基座中心；

步骤S2：将磁性球座固定于机器人末端，并使得磁性球座吸住标准钢球(54)；

步骤S3：下达机器人运动轨迹的指令，并记录第一绝对值编码器(31)、光栅尺(53)和第二绝对值编码器(41)的数据，得知标准钢球(54)在球坐标系{O}中的动态位置(R,θ,Φ)，同时读取标准钢球(54)在机器人基坐标系{M}下的位置(Xr,Yr,Zr)；

步骤S4：通过转换公式(a)得知标准钢球(54)相对于三维测量机构参考坐标系{N}的空间位置坐标(X_b,Y_b,Z_b)，公式如下：

步骤S5：将标准钢球在三维机构参考坐标系{N}的位置(X_b,Y_b,Z_b)转换到机器人基坐标系{M}下得(^MX_b,^MY_b,^MZ_b)，转换公式如下(b)、(c)，式中，

称为旋转变换，表示坐标系{N}相对于坐标系{M}的方位，^MP_N称为平移变换，表示坐标系{N}相对坐标系{M}的平移矢量,

表示j坐标系下I轴的单位方向向量；

步骤S6：将标准钢球(54)经公式转换得到在机器人基坐标系{M}的位置(^MX_b,^MY_b,^MZ_b)与直接在机器人基坐标系{M}下读取的标准钢球(54)位置(Xr,Yr,Zr)相减计算机器人轨迹精度，公式如下

6.根据权利要求5所述的空间轨迹精度测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，R为通过光栅读头(52)测量出的径向长度；θ为通过第一绝对值编码器(31)测量出的俯仰角；Φ为通过第二绝对值编码器(41)测量出的方位角。

7.根据权利要求5所述的空间轨迹精度测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，机器人运动时，三维球坐标机构做被动跟随运动。

8.根据权利要求5所述的空间轨迹精度测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，h为O点和参考坐标系(X,Y,Z)的原点相对距离，O点为三维球坐标系(R,θ,Φ)的原点与方位角转轴、俯仰角转轴的交点。

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