一种机器人运动误差在位检测与补偿方法及设备

摘要

本发明适用于机器人领域，提供了一种机器人运动误差在位检测与补偿方法及设备，其中，机器人运动误差在位检测方法包括如下步骤：基于标件的结构参数，生成目标运动轨迹；机器人使测量装置沿目标运动轨迹运动，在机器人使测量装置沿目标运动轨迹运动的过程中，通过测量装置检测得到机器人实际运动误差，将误差数据补偿到机器人运动轨迹中获得机器人补偿运动轨迹，进而抑制机器人运动误差，提升机器人运动精度。

权利要求

1.一种机器人运动误差在位检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S10：基于标件(5)的结构参数，生成目标运动轨迹；

步骤S20：机器人使测量装置(4)沿目标运动轨迹运动，在机器人使测量装置(4)沿目标运动轨迹运动的过程中，通过测量装置(4)检测得到测量装置(4)的第一实际运动轨迹与目标运动轨迹在各采样点处的误差，其中，所述测量装置(4)安装于机器人的末端；

步骤S30：将测量装置(4)的第一实际运动轨迹与目标运动轨迹在各采样点处的误差作为机器人在各采样点处的第一运动误差；

机器人使测量装置(4)沿目标运动轨迹运动的过程中的轨迹参数，和加工装置在实际加工时的轨迹参数相同，其中，在实际加工时，将所述测量装置(4)从机器人的末端取下，将所述加工装置安装于机器人的末端；

检测参数包括路径间距、步距、进给速度、采样频率，将检测时X/Y方向位置坐标与第一运动误差数据匹配处理获得机器人运动误差空间二维分布；

所述标件(5)为高精度非球面标件，其面形精度优于5μm，所述测量装置(4)为激光测微仪，其检测精度优于1μm。

2.如权利要求1所述的一种机器人运动误差在位检测方法，其特征在于，测量装置(4)在检测测量装置(4)的第一实际运动轨迹与目标运动轨迹在各采样点处的误差时，采样点的采样间隔和步距一致。

3.如权利要求2所述的一种机器人运动误差在位检测方法，其特征在于，测量装置(4)的采样频率f、测量装置(4)的移动速度v、测量装置(4)的采样间隔a、轨迹参数中的步距b，满足以下关系：

f＝v/a＝v/b。

4.如权利要求3所述的一种机器人运动误差在位检测方法，其特征在于，将目标运动轨迹与标件(5)的几何中心线的交点，作为机器人工件坐标系的零点，同时也是测量装置的零位。

5.一种机器人运动误差在位补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S100：以权利要求1‑4之一中的机器人运动误差在位检测方法，获得机器人在各采样点处的第一运动误差；

步骤S200：将机器人在各采样点处的运动误差补偿到目标运动轨迹中，获得补偿运动轨迹；

步骤S300：机器人使测量装置(4)沿补偿运动轨迹运动，在机器人使测量装置(4)沿补偿运动轨迹运动的过程中，通过测量装置(4)检测得到测量装置(4)的第二实际运动轨迹与补偿运动轨迹在各采样点处的误差；

步骤S400：将测量装置(4)的第二实际运动轨迹与补偿运动轨迹在各采样点处的误差作为机器人在各采样点处的第二运动误差，使机器人在各采样点处的第二运动误差小于误差阈值。

6.一种具有机器人运动误差在位检测与补偿功能的设备，其特征在于，所述设备用于实现如权利要求1‑4之一所述的一种机器人运动误差在位检测方法，或者如权利要求5所述的一种机器人运动误差在位补偿方法，所述设备包括机器人本体(1)、机器人控制器(2)、工艺系统(3)、高精度标件(5)和测量装置(4)；测量装置(4)安装于机器人本体(1)末端，与工艺系统(3)电连接，实现运动误差数据传输；机器人控制器(2)与机器人本体(1)、工艺系统(3)电连接，实现程序和信号传输。

7.一种具有机器人运动误差在位检测与补偿功能的设备，其特征在于，所述设备用于实现如权利要求1‑4之一所述的一种机器人运动误差在位检测方法，或者如权利要求5所述的一种机器人运动误差在位补偿方法。

说明书

一种机器人运动误差在位检测与补偿方法及设备

技术领域

[0001] 本发明涉及先进制造技术领域，尤其涉及机器人领域，具体而言，涉及一种机器人运动误差在位检测与补偿方法及设备。

背景技术

[0002] 随着现代科学技术的不断发展，特别是航空航天、国防军工、信息、微电子与光电子等尖端科学技术的突飞猛进，对超精密加工领域提出越来越高的要求。超精密制造及检
测技术是实现超精密器件的批量化制造和生产供货的重要条件。非球面光学元件，因其利
于获得高品质光学特性和高质量图像效果，是先进光学系统中超精密器件。

[0003] 现有技术中，通常通过五轴联动数控机床完成非球面光学元件的超精密加工，然而，五轴联动数控机床的硬件成本高、设备空间体积大。随着机器人技术的发展，机器人技
术不仅应用于条件恶劣的、精度要求不高的粗犷型工业场合（比如喷漆、去毛刺、焊接、搬
运、包装和堆垛等），而且也被应用于精度要求高的生物医疗、精密制造等领域。以六关节机
器人为例，其具有价格便宜、稳定性好、占地小、灵活性好等优势。但是，在将机器人技术与
超精密抛光技术结合并应用于非球面光学元件超精密加工时，由于机器人的精度和刚度不
足，导致机器人运动误差大，在对非球面光学元件进行超精密抛光时，精度会受到很大程度
的影响。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种机器人运动误差在位检测与补偿方法及设备，旨在解决现有技术中的机器人运动误差大的技术问题。

[0005] 第一方面，本发明提供了一种机器人运动误差在位检测方法，其包括如下步骤：

[0006] 步骤S10：基于标件的结构参数，生成目标运动轨迹；

[0007] 步骤S20：机器人使测量装置沿目标运动轨迹运动，在机器人使测量装置沿目标运动轨迹运动的过程中，通过测量装置检测得到测量装置的第一实际运动轨迹与目标运动轨
迹在各采样点处的误差，其中，所述测量装置安装于机器人的末端；

[0008] 步骤S30：将测量装置的第一实际运动轨迹与目标运动轨迹在各采样点处的误差作为机器人在各采样点处的第一运动误差。

[0009] 可选地，机器人使测量装置沿目标运动轨迹运动的过程中的轨迹参数，和加工装置在实际加工时的轨迹参数相同，其中，在实际加工时，将所述测量装置从机器人的末端取
下，将所述加工装置安装于机器人的末端。

[0010] 可选地，检测参数包括路径间距、步距、进给速度、采样频率，将检测时X/Y方向位置坐标与第一运动误差数据匹配处理获得机器人运动误差空间二维分布。

[0011] 可选地，测量装置在检测测量装置的第一实际运动轨迹与目标运动轨迹在各采样点处的误差时，采样点的采样间隔和步距一致。

[0012] 可选地，测量装置的采样频率f、测量装置的移动速度v、测量装置的采样间隔a、轨迹参数中的步距b，满足以下关系：f=v/a=v/b。

[0013] 可选地，将目标运动轨迹与标件的几何中心线的交点，作为机器人工件坐标系的零点，同时也是测量装置的零位。

[0014] 可选地，所述标件为高精度非球面标件，其面形精度优于5μm，所述测量装置为激光测微仪，其检测精度优于1μm。

[0015] 第二方面，本发明提供了一种机器人运动误差在位补偿方法，其包括如下步骤：

[0016] 步骤S100：以上述之一的机器人运动误差在位检测方法，获得机器人在各采样点处的第一运动误差；

[0017] 步骤S200：将机器人在各采样点处的运动误差补偿到目标运动轨迹中，获得补偿运动轨迹。

[0018] 可选地，还包括如下步骤：

[0019] 步骤S300：机器人使测量装置沿补偿运动轨迹运动，在机器人使测量装置沿补偿运动轨迹运动的过程中，通过测量装置检测得到测量装置的第二实际运动轨迹与补偿运动
轨迹在各采样点处的误差；

[0020] 步骤S400：将测量装置的第二实际运动轨迹与补偿运动轨迹在各采样点处的误差作为机器人在各采样点处的第二运动误差，使机器人在各采样点处的第二运动误差小于误
差阈值。

[0021] 第三方面，本发明提供了一种具有机器人运动误差在位检测与补偿功能的设备，所述设备包括机器人本体、机器人控制器、工艺系统、高精度标件和测量装置；测量装置安
装于机器人本体末端，与工艺系统电连接，实现运动误差数据传输；机器人控制器与机器人
本体、工艺系统电连接，实现程序和信号传输；

[0022] 进一步地，所述设备用于实现如上之一所述的一种机器人运动误差在位检测方法，或者如上之一所述的一种机器人运动误差在位补偿方法。

[0023] 本发明相对于现有技术至少具有如下技术效果：

[0024] 1、本发明中，利用机器人运动误差在位检测方法，可以精确地获得机器人运动误差，同时，在机器人运动误差在位补偿方法中，将机器人在各采样点处的运动误差补偿到目
标运动轨迹中，获得补偿运动轨迹，极大地提高了机器人运动精度。

[0025] 2、本发明中，在获得机器人运动误差后，在实际加工时，将测量装置从机器人的末端取下，将加工装置安装于机器人的末端，安装上加工工具即可实现机器人补偿加工，操作
便利，容易实现机器人误差检测补偿与后续补偿加工的切换。

附图说明

[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的
一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这
些附图获得其他的附图。

[0027] 图1是本发明实施一中的一种具有机器人运动误差在位检测与补偿功能的设备示意图；

[0028] 图2是本实施例一中的一种机器人运动误差在位检测方法流程图；

[0029] 图3是本发明实施例一提供的机器人运动误差在位检测方法原理图；

[0030] 图4是本发明实施例一中的机器人运动误差扫描检测示意图；

[0031] 图5是本实施例二中的一种机器人运动误差在位补偿方法流程图；

[0032] 图6是机器人运动误差补偿前后的运动误差幅值图（一维）；

[0033] 图7是机器人运动误差补偿前后的空间频率图（一维）；

[0034] 图8是机器人运动误差补偿前的检测结果（二维）；

[0035] 图9是机器人运动误差补偿后的检测结果（二维）。

具体实施方式

[0036] 在下文中将参考附图对本发明的各方面进行更充分的描述。然而，本发明可以具体化成许多不同形式且不应解释为局限于贯穿本发明所呈现的任何特定结构或功能。相反
地，提供这些方面将使得本发明周全且完整，并且本发明将给本领域技术人员充分地传达
本发明的范围。基于本文所教导的内容，本领域的技术人员应意识到，无论是单独还是结合
本发明的任何其它方面实现本文所公开的任何方面，本发明的范围旨在涵盖本文中所公开
的任何方面。例如，可以使用本文所提出任意数量的装置或者执行方法来实现。另外，除了
本文所提出本发明的多个方面之外，本发明的范围更旨在涵盖使用其它结构、功能或结构
和功能来实现的装置或方法。应可理解，其可通过权利要求的一或多个元件具体化本文所
公开的任何方面。

[0037] 在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在
或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

[0038] 在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的
含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

[0039] 实施例一

[0040] 如图1所示为一种具有机器人运动误差在位检测与补偿功能的设备的示意图，本发明实施例一提供了一种具有机器人运动误差在位检测与补偿功能的设备，所述设备包括
机器人本体1、机器人控制器2、工艺系统3、高精度标件5和测量装置4；测量装置4安装于机
器人本体1末端，与工艺系统3电连接，实现运动误差数据传输；机器人控制器2与机器人本
体1、工艺系统3电连接，实现程序和信号传输。

[0041] 如图2所示为本实施例一中的一种机器人运动误差在位检测方法流程图，本发明实施例一中的一种机器人运动误差在位检测方法包括如下步骤：

[0042] 步骤S10：基于标件5的结构参数，生成目标运动轨迹；

[0043] 具体地，目标运动轨迹可以通过工艺系统3生成；

[0044] 步骤S20：机器人使测量装置4沿目标运动轨迹运动，在机器人使测量装置4沿目标运动轨迹101运动的过程中，通过测量装置4检测得到测量装置4的第一实际运动轨迹102与
目标运动轨迹101在各采样点处的误差，其中，所述测量装置4安装于机器人的末端；

[0045] 如图3所示为本发明实施例一提供的机器人运动误差在位检测方法原理图，工艺系统3可以根据标件5的结构参数形成目标运动轨迹101，并编制检测程序，并且将所述检测
程序导入至所述机器人控制器2，所述机器人1在所述机器人控制器2的控制下，使测量装置
4沿目标运动轨迹101运动，但由于机器人运动误差的存在，测量装置4不可能完全沿目标运
动轨迹101运动，实际上，测量装置4将沿第一实际运动轨迹102运动；

[0046] 在测量装置4沿第一实际运动轨迹102运动的过程中，测量装置4实时检测第一实际运动轨迹102与目标运动轨迹101之间的误差。

[0047] 关于第一实际运动轨迹102与目标运动轨迹101在各采样点103处的误差，可以通过以下方式计算：

[0048] 将第一实际运动轨迹102与目标运动轨迹101的坐标系均设定为机器人工件坐标系XYZ，因此，第一实际运动轨迹102与目标运动轨迹101在各采样点处的误差，便为第一实
际运动轨迹102与目标运动轨迹101在各采样点处在Z轴上的坐标差；

[0049] 例如，第一实际运动轨迹102在采样点（X，Y）处在Z轴上的坐标为Z1，目标运动轨迹101在采样点（X，Y）处在Z轴上的坐标为Z2，那么，采样点（X，Y）处的误差δX，Y=Z1‑Z2；

[0050] 通过上述方式，则可以得到各采样点处的误差。

[0051] 所有采样点处的误差最终可以形成机器人运动误差二维分布。

[0052] 步骤S30：将测量装置4的第一实际运动轨迹102与目标运动轨迹101在各采样点处的误差作为机器人在各采样点处的第一运动误差。

[0053] 可选地，为了保证第一运动误差能进行实际加工时的加工位置的点对点补偿，机器人使测量装置4沿目标运动轨迹运动的过程中的轨迹参数，和加工装置在实际加工时的
轨迹参数相同，其中，在实际加工时，将所述测量装置4从机器人的末端取下，将所述加工装
置安装于机器人的末端。

[0054] 加工装置可以为打磨头，也可以根据实际需要进行设置，本发明对于加工装置的具体形式不做限定。

[0055] 可选地，检测参数包括路径间距、步距、进给速度、采样频率，将检测时X/Y方向位置坐标与第一运动误差数据匹配处理获得机器人运动误差空间二维分布。

[0056] 以图4为例，检测机器人运动误差时，测量装置4沿目标运动轨迹101运动，目标运动轨迹101中的路径间距为L1，步距为L2，为了保证第一运动误差能进行实际加工时的加工
位置的点对点补偿，路径间距L1和加工装置在实际加工时路径间距相同，步距L2和加工装置
在实际加工时步距相同。

[0057] 可选地，测量装置4在检测测量装置4的第一实际运动轨迹102与目标运动轨迹101在各采样点处的误差时，采样点的采样间隔和步距一致。

[0058] 例如，当目标运动轨迹101的步距为b=2mm，则将采样点的采样间隔a同样设置为2mm。

[0059] 进一步地，测量装置4的采样频率f、测量装置4的移动速度v、测量装置4的采样间隔a、轨迹参数中的步距b，满足以下关系：

[0060] f=v/a=v/b

[0061] 例如，当a=b=2mm，测量装置4的移动速度v=20mm/s时，测量装置4的

[0062] 采样频率便为10Hz。

[0063] 进一步地，将目标运动轨迹101与标件5的几何中心线的交点，作为机器人工件坐标系的零点，同时也是测量装置的零位。

[0064] 具体地，可将处于目标运动轨迹101上的测量装置4对准标件5的几何中心，并将所述测量装置4置零。

[0065] 可选地，所述标件5为高精度非球面标件，其面形精度优于5μm，所述测量装置4为激光测微仪，其检测精度优于1μm。

[0066] 实施例二

[0067] 如图5所示为本实施例二中的一种机器人运动误差在位补偿方法流程图，本发明实施例二中的一种机器人运动误差在位补偿方法包括如下步骤：

[0068] 步骤S100：以实施例一中的任一机器人运动误差在位检测方法，获得机器人在各采样点处的第一运动误差；

[0069] 步骤S200：将机器人在各采样点处的运动误差补偿到目标运动轨迹中，获得补偿运动轨迹。

[0070] 可选地，为了验证本发明实施例二中的机器人运动误差在位补偿方法的正确性，还包括如下步骤：

[0071] 步骤S300：机器人使测量装置4沿补偿运动轨迹运动，在机器人使测量装置4沿补偿运动轨迹运动的过程中，通过测量装置4检测得到测量装置4的第二实际运动轨迹与补偿
运动轨迹在各采样点处的误差；

[0072] 步骤S400：将测量装置4的第二实际运动轨迹与补偿运动轨迹在各采样点处的误差作为机器人在各采样点处的第二运动误差，使机器人在各采样点处的第二运动误差小于
误差阈值。

[0073] 为了验证本发明实施例二中的机器人运动误差在位补偿方法对于机器人运动误差的抑制效果，通过以下对比试验数据进行详细说明。

[0074] 图6为机器人运动误差补偿前后的运动误差幅值图（一维）。在无补偿下对非球面工件进行扫描检测，获得第一运动误差一维数列；然后将运动误差补偿到目标运动轨迹中，
并获得第二运动误差一维数列。从图6中可以看出，补偿前后后机器人运动误差总体幅值从
250μm减小至50μm；

[0075] 图7为机器人运动误差补偿前后的空间频率图（一维）。从图7中可以看出，机器人‑1
运动误差（即第二运动误差）补偿后，空间频率小于0.06mm 的低频误差被极大抑制，补偿后
的运动误差主要为小幅值、无规律的高频运动误差，推测该误差是机器人高频颤动所致。如
果不考虑机器人运动时高频振动带来的高频误差，则机器人运动误差将更小。因此，补偿后
‑1
频率小于0.06mm 的运动误差频谱幅值显著降低，并且特征频率几乎被消除。由此说明，引
入机器人运动误差在位补偿方法，机器人运动误差得到显著抑制。

[0076] 编制数据处理算法将第一运动误差、第二运动误差数据按照检测位置坐标（即采样点坐标）构建二维运动误差，为了更为直观表现出补偿方法对运动误差的抑制效果，对第
‑1
一运动误差、第二运动误差进行0.06mm 低通滤波，获得低频运动误差分布。

[0077] 图8为机器人运动误差补偿前的检测结果（二维），图9为机器人运动误差补偿后的检测结果（二维），从图8和图9中可以看出，补偿前的机器人运动是低频的、带有一定规律性
的的误差分布，补偿后运动误差为高频的、随机的误差分布，补偿后运动误差降低了80%，运
动误差从0.263mm减小为0.044mm。由此进一步说明，引入补偿方法后机器人运动误差得到
显著抑制。

[0078] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。