本發(fā)明屬于通用機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種通用機(jī)器人與多軸變位機(jī)之間的位姿關(guān)系標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

工業(yè)制造領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的機(jī)器人是焊接機(jī)器人，尤其是在汽車(chē)制造業(yè)中，焊接機(jī)器人的使用量在工業(yè)機(jī)器人總量中占50％。焊接機(jī)器人是一種高度自動(dòng)化的焊接設(shè)備，采用機(jī)器人代替手工焊接作業(yè)是焊接制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，是提高焊接質(zhì)量、降低成本、改善工作環(huán)境的重要手段。焊接機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人、變位機(jī)和控制器構(gòu)成，通常是利用機(jī)器人控制器的外部軸功能來(lái)控制變位機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)焊接。

外部軸的作用是與機(jī)器人機(jī)械本體相配合，使工件變位或移位，達(dá)到機(jī)器人的最佳作業(yè)位置。在外部軸的應(yīng)用中，最廣泛的就是，焊接機(jī)器人與外部軸的配合工作，協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，使用外部軸用于回轉(zhuǎn)工作的焊接變位，以得到理想的加工位置和焊接速度。本質(zhì)上外部軸是焊機(jī)機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度的拓展和作業(yè)空間的延伸。外部軸的應(yīng)用是的單臺(tái)焊接機(jī)器人的作業(yè)靈活性更強(qiáng)，焊接工件的尺寸理論上也不再受限于機(jī)器人自身的作業(yè)空間。外部軸的出現(xiàn)很大程度上彌補(bǔ)了過(guò)去焊接作業(yè)中的種種局限性?？梢哉f(shuō)，外部軸已經(jīng)成為焊接機(jī)器人突破自身局限的新支點(diǎn)。毫無(wú)疑問(wèn)，變位機(jī)成功應(yīng)用的關(guān)鍵是與焊接機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制。而機(jī)器人與外部軸的位姿關(guān)系的標(biāo)定是機(jī)器人與變位機(jī)高效協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的前提。

基于焊接機(jī)器人與外部軸組成的系統(tǒng)，機(jī)器人與外部軸的位姿關(guān)系的標(biāo)定是機(jī)器人與外部軸高效協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的前提，也是離線(xiàn)編程技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉圣祥碩士論文“弧焊機(jī)器人離線(xiàn)編程實(shí)用化研究”提出了基于旋傾變位機(jī)的五點(diǎn)標(biāo)定法，記錄TCP點(diǎn)在五個(gè)不同的位置的位姿數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)定。該方法簡(jiǎn)單快速，但易受到偶然因素的影響，隨機(jī)誤差較大，難以滿(mǎn)足高精度焊接的要求。上海交通大學(xué)，張軻的論文“一種焊接機(jī)器人與變位機(jī)位姿關(guān)系的標(biāo)定方法”提出的多點(diǎn)標(biāo)定方法，有較大的局限性，對(duì)外部軸的位置有要求，而且只對(duì)應(yīng)雙軸變位機(jī)的標(biāo)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種通用機(jī)器人與多軸變位機(jī)之間的位姿關(guān)系標(biāo)定方法，該方法對(duì)于多個(gè)外部軸之間的位置關(guān)系沒(méi)有特殊的要求，通用性更強(qiáng)。

技術(shù)方案：一種通用機(jī)器人與變位機(jī)的位姿關(guān)系標(biāo)定方法，包括如下步驟：

步驟1、分別標(biāo)定每個(gè)外部軸，獲取其軸向向量z_n，n＝1,..,N，其中n為外部軸序號(hào)，N為外部軸數(shù)量；

步驟2、根據(jù)各外部軸的軸向向量z_n獲取位姿變換矩陣

具體地，步驟1中標(biāo)定一個(gè)外部軸J_n的步驟包括：

(11)在所述外部軸卡盤(pán)上安裝一個(gè)定位點(diǎn)，在所述外部軸運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)均勻選取M個(gè)點(diǎn)，將操作組變換到機(jī)器人-示教模式下，保持其他外部軸位置不變，操作機(jī)器人使機(jī)器人的TCP點(diǎn)與定位點(diǎn)重合，將變位機(jī)轉(zhuǎn)到選取的M個(gè)點(diǎn)的位置，記錄相應(yīng)的TCP點(diǎn)的位姿數(shù)據(jù)P_m(X_m,Y_m,Z_m)，其中m＝1..M；

(12)根據(jù)M個(gè)位姿數(shù)據(jù)P_m(X_m,Y_m,Z_m)擬合出最優(yōu)圓面；過(guò)所述最優(yōu)圓面的圓心O_n(A_n,B_n,C_n)做該圓面的法向量，即為所述外部軸的軸向向量z_n。

具體地，步驟(2)包括：

(21)計(jì)算變位機(jī)基坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)O(A,B,C)；

對(duì)外部軸J₁的M個(gè)位姿數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)P_m(X_m,Y_m,Z_m)擬合出最優(yōu)球面：

(X-A)²+(Y-B)²+(Z-C)²＝D²

其中球心坐標(biāo)O(A,B,C)為變位機(jī)基坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)；

(22)根據(jù)各外部軸的軸向向量z_n計(jì)算變位機(jī)基坐標(biāo)系的X、Y、Z軸的單位矢量：

Z軸方向的單位矢量為：

X軸方向的單位矢量為：

Y軸方向的單位矢量為：

(23)得到變位機(jī)基坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系的位姿變換矩陣

其中I(i_x,i_y,i_z)為X軸單位矢量J(j_x,j_y,j_z)為Y軸單位矢量K(k_x,k_y,k_z)為Z軸單位矢量O(A,B,C)為變位機(jī)基坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)。

優(yōu)選地，步驟(12)中采用最小二乘法擬合最優(yōu)圓面。

優(yōu)選地，步驟(21)中采用最小二乘法擬合最優(yōu)球面。

優(yōu)選地，步驟(11)中在所述外部軸運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)均勻選取5個(gè)點(diǎn)，即M＝5。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開(kāi)的通用機(jī)器人與變位機(jī)的位姿關(guān)系標(biāo)定方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明公開(kāi)的方法適用于各種變位機(jī)，可以對(duì)多個(gè)外部軸進(jìn)行標(biāo)定；2、對(duì)外部軸之間的位置關(guān)系、外部軸與機(jī)器人的位置關(guān)系、變位機(jī)的機(jī)構(gòu)沒(méi)有特殊的要求，通用性強(qiáng)；3、每個(gè)外部軸的標(biāo)定都選取多個(gè)點(diǎn)，標(biāo)定的精度相對(duì)于常規(guī)的方法有很大的提高。

附圖說(shuō)明

圖1為多軸變位機(jī)的坐標(biāo)系示意圖；

圖2為多軸變位機(jī)外部軸標(biāo)定過(guò)程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。

本實(shí)施例以雙軸變位機(jī)為例進(jìn)一步闡釋本發(fā)明公開(kāi)的方法。此變位機(jī)繞旋轉(zhuǎn)軸和傾斜軸分別旋轉(zhuǎn)，可以移動(dòng)到多個(gè)位置，本實(shí)施例中每個(gè)外部軸采集5個(gè)位置點(diǎn)的位姿數(shù)據(jù)。

一種通用機(jī)器人與變位機(jī)的位姿關(guān)系標(biāo)定方法，包括如下步驟：

步驟1、分別標(biāo)定每個(gè)外部軸，獲取其軸向向量z_n，n＝1,..,N，其中n為外部軸序號(hào)，N為外部軸數(shù)量；

首先，標(biāo)定旋轉(zhuǎn)軸J₁的步驟包括：

(11)在J₁卡盤(pán)上安裝一個(gè)定位點(diǎn)，定位點(diǎn)的作用相當(dāng)于一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在J₁運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)均勻選取5個(gè)點(diǎn)，本實(shí)施例中選擇相對(duì)于定位點(diǎn)的角度分別為-60°、-30°、0°、30°、60°五個(gè)位置；將操作組變換到機(jī)器人-示教模式下，保持傾斜軸位置不變，操作機(jī)器人使機(jī)器人的TCP點(diǎn)與定位點(diǎn)重合，分別將變位機(jī)轉(zhuǎn)到選取的5個(gè)點(diǎn)的位置，記錄相應(yīng)的TCP點(diǎn)的位姿數(shù)據(jù)P_u(X_u,Y_u,Z_u)，其中u＝1..5；

(12)根據(jù)采集的5個(gè)位姿數(shù)據(jù)P_u(X_u,Y_u,Z_u)，采用最小二乘法擬合出最優(yōu)圓面；過(guò)所述最優(yōu)圓面的圓心O₁(A₁,B₁,C₁)做該圓面的法向量，即為旋轉(zhuǎn)軸的軸向向量z₁。

類(lèi)似地，對(duì)傾斜軸J₂進(jìn)行標(biāo)定，得到J₂的軸向向量z₂。

步驟2、根據(jù)軸向向量z₁和z₂獲取位姿變換矩陣具體包括如下步驟：

(21)計(jì)算變位機(jī)基坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)O(A,B,C)；

對(duì)旋轉(zhuǎn)軸J₁的5個(gè)位姿數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)P_u(X_u,Y_u,Z_u)采用最小二乘法擬合出最優(yōu)球面：

(X-A)²+(Y-B)²+(Z-C)²＝D²

其中球心坐標(biāo)O(A,B,C)為變位機(jī)基坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)；

(22)根據(jù)軸向向量z₁和z₂計(jì)算變位機(jī)基坐標(biāo)系的X、Y、Z軸的單位矢量：

Z軸方向的單位矢量為：

X軸方向的單位矢量為：

Y軸方向的單位矢量為：

(23)得到變位機(jī)基坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系的位姿變換矩陣

其中I(i_x,i_y,i_z)為X軸單位矢量J(j_x,j_y,j_z)為Y軸單位矢量K(k_x,k_y,k_z)為Z軸單位矢量O(A,B,C)為變位機(jī)基坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)。