本发明公开了一种工业机器人工具坐标校准装置和方法，通过在工具上固定可随工具一同运动的校准磁场生成装置，并通过检测装置检测工具运动时校准磁场的强度，通过控制工具依次从不同的坐标轴方向移动到校准磁场检测值最大的位置，由此，可以自动完成工具坐标校准中的示教，进而可以基于自动示教记录的工业机器人移动参数来进行工具坐标校准。本发明实施例的装置和方法可以提高校准的效率和精度。
校准磁场产生装置，用于固定在所述工业机器人的工具上，产生校准磁场；
检测装置，用于在预定位置沿三个不同坐标轴方向检测所述校准磁场的强度；以及控制装置，与所述检测装置和所述工业机器人连接，用于控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，并控制所述工业机器人获取对应的移动参数，基于所述移动参数校准工具坐标。
2.根据权利要求1所述的工业机器人工具坐标校准装置，其特征在于，所述检测装置包括：基座；
转动部件，用于将所述感应线圈固定于所述基座，并使得所述感应线圈能相对于所述基座在两个转动自由度范围转动。
3.根据权利要求2所述的工业机器人工具坐标校准装置，其特征在于，所述转动部件包括：第一转动关节，与所述基座连接，能以第一转动自由度转动；
第二转动关节，与所述感应线圈的外框连接，能以第二转动自由度转动；
支撑部件，设置于所述第一转动关节和所述第二转动关节之间。
4.根据权利要求1所述的工业机器人工具坐标校准装置，其特征在于，所述校准磁场产生装置包括：磁体部件，用于产生所述校准磁场；
固定部件，用于将所述磁体部件与所述工业机器人的工具固定连接。
5.根据权利要求4所述的工业机器人工具坐标校准装置，其特征在于，所述固定部件适于调节所述磁体部件相对于所述工具的位置。
6.根据权利要求1所述的工业机器人工具坐标校准装置，其特征在于，所述控制装置用于控制所述工业机器人沿第一坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，并控制工业机器人移动到检测装置在第一坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第一坐标轴方向的移动参数；
所述控制装置用于控制所述工业机器人以当前位置为起点沿第二坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第二坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第二坐标轴方向的移动参数；
所述控制装置用于控制所述工业机器人以当前位置为起点沿第三坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第三坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第三坐标轴方向的移动参数。
7.根据权利要求6所述的工业机器人工具坐标校准装置，其特征在于，所述检测装置包括：基座；
转动部件，用于将所述感应线圈固定于所述基座，并根据所述控制装置控制使得所述感应线圈相对于所述基座在两个转动自由度范围转动；
所述控制装置还用于在控制所述工业机器人沿坐标轴方向往复运动前，控制所述转动部件转动以使得所述感应线圈的轴向与对应的坐标轴方向平行。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的工业机器人工具坐标校准装置，其特征在于，所述控制装置用于重复多次控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，并控制工业机器人多组移动参数，并基于获取的多组移动参数进行工具坐标校准。
在所述工业机器人的工具上设置校准磁场产生装置，以产生随工具运动的校准磁场，并在预定位置设置检测装置以检测所述校准磁场；
控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，并获取工业机器人的移动参数，基于所述工业机器人移动参数校准工具坐标。
10.根据权利要求9所述的工业机器人工具坐标校准方法，其特征在于，控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，并获取工业机器人的移动参数包括：控制所述工业机器人沿第一坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第一坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第一坐标轴方向的移动参数；
控制所述工业机器人以当前位置为起点沿第二坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第二坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第二坐标轴方向的移动参数；
控制所述工业机器人以当前位置为起点沿第三坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第三坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第三坐标轴方向的移动参数。
11.权利要求9或10所述的工业机器人工具坐标校准方法，其特征在于，控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，并获取工业机器人的移动参数，基于所述工业机器人移动参数校准工具坐标包括：重复多次控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，以获取工业机器人的多组移动参数，并基于获取的多组移动参数进行工具坐标校准。
工业机器人工具坐标校准装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及机器人领域，具体涉及一种工业机器人工具坐标校准装置和方法。
背景技术
[0002] 工业机器人是工业自动化系统中重要的部件之一。通常，需要在工业机器人的机器臂上安装执行具体的制造任务的工具(或称执行器)来进行制造。由于工业机器人工具直接与加工的对象物体相接触，工业机器人末端工具的坐标精度与最终运行的效果高度相关，因此需要提高工业机器人末端工具的坐标精度。
[0003] 通常，将工具端部相对于工业机器人末端坐标系的坐标的校准或标定称为对工具坐标校准。在实际应用中，工具以及夹具的微小变化都会使得工业机器人的工具坐标不准确，而工具末端中心点位置的误差将影响到机器人工具的位置及姿态，从而导致应用过程中运动的偏差，致使具有高精度需求的工业机器人应用无法顺利完成。为了校准工具坐标，通常需要通过人工将工具的末端移动到一个由例如圆锥体尖端标识的位置(这一过程通常被称为“示教”)。由此使得工业机器人的控制器能够计算获得工具末端的坐标，以实现对于工具坐标的校准。然而，进行人工示教的过程耗时长，且精度得不到保证。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明提供一种工业机器人工具坐标校准装置和方法，以自动的方式来进行工具坐标校准中的示教，提高校准效率和校准精度。
[0005] 第一方面，提供一种工业机器人工具坐标校准装置，包括：
[0006] 校准磁场产生装置，用于固定在所述工业机器人的工具上，产生校准磁场；
[0007] 检测装置，用于在预定位置沿三个不同坐标轴方向检测所述校准磁场的强度；以及
[0008] 控制装置，与所述检测装置和所述工业机器人连接，用于控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，并控制所述工业机器人获取对应的移动参数，基于所述移动参数校准工具坐标。
[0009] 优选地，所述检测装置包括：
[0010] 基座；
[0011] 感应线圈；
[0012] 转动部件，用于将所述感应线圈固定于所述基座，并使得所述感应线圈能相对于所述基座在两个转动自由度范围转动。
[0013] 优选地，所述转动部件包括：
[0014] 第一转动关节，与所述基座连接，能以第一转动自由度转动；
[0015] 第二转动关节，与所述感应线圈的外框连接，能以第二转动自由度转动；
[0016] 支撑部件，设置于所述第一转动关节和所述第二转动关节之间。
[0017] 优选地，所述校准磁场产生装置包括：
[0018] 磁体部件，用于产生所述校准磁场；
[0019] 固定部件，用于将所述磁体部件与所述工业机器人的工具固定连接。
[0020] 优选地，所述固定部件适于调节所述磁体部件相对于所述工具的位置。
[0021] 优选地，所述控制装置用于控制所述工业机器人沿第一坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，并控制工业机器人移动到检测装置在第一坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第一坐标轴方向的移动参数；
[0022] 所述控制装置用于控制所述工业机器人以当前位置为起点沿第二坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第二坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第二坐标轴方向的移动参数；
[0023] 所述控制装置用于控制所述工业机器人以当前位置为起点沿第三坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第三坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第三坐标轴方向的移动参数。
[0024] 优选地，所述检测装置包括：
[0025] 基座；
[0026] 感应线圈；
[0027] 转动部件，用于将所述感应线圈固定于所述基座，并根据所述控制装置控制使得所述感应线圈相对于所述基座在两个转动自由度范围转动；
[0028] 所述控制装置还用于在控制所述工业机器人沿坐标轴方向往复运动前，控制所述转动部件转动以使得所述感应线圈的轴向与对应的坐标轴方向平行。
[0029] 优选地，所述控制装置用于重复多次控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，并控制工业机器人多组移动参数，并基于获取的多组移动参数进行工具坐标校准。
[0030] 第二方面，提供一种工业机器人工具坐标校准方法，包括：
[0031] 在所述工业机器人的工具上设置校准磁场产生装置，以产生随工具运动的校准磁场，并在预定位置设置检测装置以检测所述校准磁场；
[0032] 控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，并获取工业机器人的移动参数，基于所述工业机器人移动参数校准工具坐标。
[0033] 优选地，控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，并获取工业机器人的移动参数包括：
[0034] 控制所述工业机器人沿第一坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第一坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第一坐标轴方向的移动参数；
[0035] 控制所述工业机器人以当前位置为起点沿第二坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第二坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第二坐标轴方向的移动参数；
[0036] 控制所述工业机器人以当前位置为起点沿第三坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第三坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第三坐标轴方向的移动参数。
[0037] 优选地，控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，并获取工业机器人的移动参数，基于所述工业机器人移动参数校准工具坐标包括：
[0038] 重复多次控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，以获取工业机器人的多组移动参数，并基于获取的多组移动参数进行工具坐标校准。
[0039] 通过在工具上固定可随工具一同运动的校准磁场生成装置，并通过检测装置检测工具运动时校准磁场的强度，通过控制工具依次从不同的坐标轴方向移动到校准磁场检测值最大的位置(也即，最靠近检测装置的位置)，由此，可以自动完成工具坐标校准中的示教，进而可以基于自动示教记录的工业机器人移动参数来进行工具坐标校准。本发明实施例的装置和方法可以提高校准的效率和精度。
附图说明
[0040] 通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0041] 图1是本发明实施例的工业机器人工具坐标校准装置的框图；
[0042] 图2是本发明实施例的工业机器人工具坐标校准装置的示意图；
[0043] 图3是本发明实施例的检测装置的示意图；
[0044] 图4是本发明实施例的检测装置获取的磁场强度检测值的曲线图；
[0045] 图5是本发明实施例的工业机器人工具坐标校准方法的流程图；
[0046] 图6是本发明实施例的工业机器人工具坐标校准方法中控制步骤的流程图。
具体实施方式
[0047] 以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
[0048] 此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
[0049] 除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
[0050] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0051] 图1是本发明实施例的工业机器人工具坐标校准装置的框图。图2是本发明实施例的工业机器人工具坐标校准装置的示意图。
[0052] 如图1和图2所示，本实施例的工业机器人工具坐标校准装置包括校准磁场产生装置1、检测装置2和控制装置3。在图1中，部件之间的了连接线，用实线表示机械连接，用虚线表示电连接或信号连接。
[0053] 其中，校准磁场产生装置1用于固定在所述工业机器人4的工具5上，产生校准磁场。
[0054] 具体地，校准磁场产生装置1可以包括固定装置磁体部件11和固定部件12。其中，磁体部件11可以为永磁体或电磁线圈，用于产生按预定的规律分布的校准磁场。固定部件12用于将磁体部件11与所述工业机器人4的工具5固定连接。固定后，磁体部件11将随工具5运动。
[0055] 在安装时，尽量使得固定后工具5的末端位于磁体部件11的中心位置，也即，磁场强度最强的位置。优选地，固定部件12被设置为适于调节磁体部件11和工具5的相对位置，以实现上述目标。当然，本领域技术人员可以理解，即使安装后工具5的末端不处于磁场强度最强的位置，由于其与磁场强度最强位置的相对关系确定，因此，在磁场强度最强的位置达到一个预定位置时，工具5的末端也会相应到达一个预定位置。而由于示教过程对于位置并无特别规定，只需要每次示教的位置相同即可，由此，即使安装后工具5的末端不处于磁场强度最强的位置，也可以实现本发明的目的。
[0056] 检测装置2用于在预定位置沿三个不同坐标轴方向检测所述校准磁场的强度。
[0057] 具体地，检测装置2包括基座21、感应线圈22和转动部件23。
[0058] 其中，在一个优选实施方式中，感应线圈22的两端通过导线引出，连接到控制装置3，由控制装置3基于感应电流获取磁场强度的检测值。
[0059] 转动部件23用于将感应线圈22固定于基座21的上方。同时，转动部件23可以相对于所述基座在两个转动自由度范围转动所述感应线圈22，由此使得感应线圈22与不同的坐标轴保持平行，从而感应在不同坐标轴方向上的磁场。
[0060] 如图3所示，在一个优选实施方式中，转动部件23可以包括第一转动关节23a、第二转动关节23b和设置于两者之间的支撑部件23c。其中，第一转动关节23a与所述基座连接，能以第一转动自由度转动。在图3所示坐标系中，所述第一转动关节23a可以围绕Z轴旋转。第二转动关节23b与所述支撑部件23c以及所述感应线圈22(例如其外框)连接，能以第二转动自由度转动。在图3所示的坐标系中，所述第二转动关节23b可以围绕Y轴旋转。由此，通过旋转第一、第二转动关节23a和23b可以使得感应线圈22的轴向沿X轴、Y轴或Z轴排列，从而检测对应方向的磁场。
[0061] 控制装置3与检测装置2之间通过通信接口连接，所述通信接口可以是有线接口也可以是无线接口。控制装置3可以设置于所述检测装置的基座中，从而使得两者形成为一体。由此，两者间可以直接传递数字信号或其他类型的电信号(例如，电流信号)。控制装置3同时还与工业机器人4的控制器连接，用于控制所述工业机器人4依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，并获取工业机器人4的移动参数，基于所述工业机器人移动参数校准工具坐标。
[0062] 具体地，控制装置3通过如下方式控制工业机器人移动到预定位置以完成示教。
[0063] 首先，通过转动转动部件23使得感应线圈22与第一坐标轴方向平行，然后控制装置3控制所述工业机器人4驱动工具5沿第一坐标轴方向(例如Z轴方向)往复运动，并接收检测装置2获取的校准磁场的检测值。该往复运动的范围应当将检测装置2所在位置覆盖在内。如图4所示，随着磁体部件11与检测装置2的位置不同，检测装置2获取到的校准磁场的检测值会变化，在检测值最大时，磁体部件11实际上时最接近检测装置2的。由此，控制装置3控制工业机器人移动到检测装置2在第一坐标轴的最大检测值的对应位置，并记录所述工业机器人沿第一坐标轴方向的移动参数。由此，可以确定使得工具5的末端在第一坐标轴方向位于最接近检测装置2的位置。
[0064] 进一步，通过转动转动部件23使得感应线圈22与第二坐标轴方向平行，然后控制装置3控制所述工业机器人4以当前位置为起点驱动所述工具5沿第二坐标轴方向(例如X轴方向)往复运动，并接收检测装置2获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第二坐标轴的最大检测值的对应位置(也即，在X轴方向最接近检测装置2位置)，记录所述工业机器人沿第二坐标轴方向的移动参数。
[0065] 再进一步，通过转动转动部件23使得感应线圈22与第三坐标轴方向平行，然后控制装置3控制所述工业机器人4以当前位置为起点驱动所述工具5沿第三坐标轴方向(例如Y轴方向)往复运动，并接收检测装置2获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第三坐标轴的最大检测值的对应位置(也即，在X轴方向最接近检测装置2位置)，记录所述工业机器人沿第三坐标轴方向的移动参数。
[0066] 其中，转动部件23的转动可以有人工完成，也可以通过控制装置3向驱动转动部件23的电机发送控制指令自动完成。显然，通过控制装置3来自动地控制感应线圈22的位置可以进一步提高完成示教过程的效率和精度。
[0067] 由此，通过依次从三个坐标轴方向独立地运动到对应的磁场检测值最大的位置，可以使得工业机器人驱动工具从初始位置移动到一个预定的位置，并获得对应进行移动的移动参数，自动完成一次示教。
[0068] 通常，可以通过改变初始位置，完成多次示教，并获取多次示教中工业机器人的移动参数，基于该移动参数对工具坐标进行校准。优选地，在本实施例中，通过循环上述过程4次，完成4次示教，基于4组不同的移动参数来实现对于工具坐标进行校准。
[0069] 由此，通过在工具上固定可随工具一同运动的校准磁场生成装置，并通过检测装置检测工具运动时校准磁场的强度，通过控制工具依次从不同的坐标轴方向移动到校准磁场检测值最大的位置(也即，最靠近检测装置的位置)，由此，可以自动完成工具坐标校准中的示教，进而可以基于自动示教记录的工业机器人移动参数来进行工具坐标校准。本发明实施例的装置可以提高校准的效率和精度。同时，使用磁场来坐标校准的检测目标可以避免外界干扰。
[0070] 图5是本发明实施例的工业机器人工具坐标校准方法的流程图。如图5所示，所述方法包括：
[0071] 步骤S100、在所述工业机器人的工具上设置校准磁场产生装置，以产生随工具运动的校准磁场，并在预定位置设置检测装置以检测所述校准磁场。
[0072] 步骤S200、控制所述工业机器人依次沿三个不同坐标轴方向移动到沿对应坐标轴运动时校准磁场检测值最大的位置，并获取工业机器人的移动参数，基于所述工业机器人移动参数校准工具坐标。
[0073] 具体地，如图6所示，所述步骤200包括：
[0074] 步骤210、控制所述工业机器人沿第一坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第一坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第一坐标轴方向的移动参数。
[0075] 步骤220、控制所述工业机器人以当前位置为起点沿第二坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第二坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第二坐标轴方向的移动参数。
[0076] 步骤230、控制所述工业机器人以当前位置为起点沿第三坐标轴方向往复运动，并接收检测装置获取的校准磁场的检测值，控制工业机器人移动到检测装置在第三坐标轴的最大检测值的对应位置，记录所述工业机器人沿第三坐标轴方向的移动参数。
[0077] 步骤240、根据所述移动参数校准工具坐标。
[0078] 优选地，可以通过多次自动示教来获取工业机器人驱动工具从初始位置移动到预定位置的多组移动参数。在此前提下，步骤S200可以包括：
[0079] 步骤240a、判断是否完成重复次数，如果否，则转入步骤210，进行下一次自动示教，如果否，则转入步骤240。
[0080] 由此，通过在工具上固定可随工具一同运动的校准磁场生成装置，并通过检测装置检测工具运动时校准磁场的强度，通过控制工具依次从不同的坐标轴方向移动到校准磁场检测值最大的位置(也即，最靠近检测装置的位置)，由此，可以自动完成工具坐标校准中的示教，进而可以基于自动示教记录的工业机器人移动参数来进行工具坐标校准。本发明实施例的方法可以提高校准的效率和精度。
[0081] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理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。
