一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置及方法，涉及机器人校准领域，为了解决现有技术存在的问题，该装置包括三维校准器、数据传输线缆、零位快速定位夹具、四球校准台、三维角度调整器和控制电脑；三维校准器由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器组成，每个高精度光栅位移传感器通过数据传输线缆与控制电脑相连；三维校准器安装在被校准工业机器人的末端，对四球校准台上的四个标准球进行测量，通过标准球对机器人的TCP点进行高精度定位；零位快速定位夹具，用于对三维校准器的校准；四球校准台下面安装有三维角度调整器。该装置可在保证校准精度的同时，使整个装置的购置成本大为降低，使用方式快捷简便，可在各使用单位大范围推广。
1.一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置，其特征是，其包括三维校准器(1)、数据传输线缆(2)、零位快速定位夹具(3)、四球校准台(4)、三维角度调整器(5)和控制电脑(6)；
三维校准器(1)由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器(1‑1)组成，每个高精度光栅位移传感器通过数据传输线缆(2)与控制电脑(6)相连；
三维校准器(1)安装在被校准工业机器人(7)的末端，对四球校准台(4)上的四个标准球进行测量，通过标准球对机器人的TCP点进行高精度定位；
零位快速定位夹具(3)，用于对三维校准器(1)的校准；
2.根据权利要求1所述的一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置，其特征在于，所述高精度光栅位移传感器(1‑1)的精度小于5μm。
3.根据权利要求1所述的一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置，其特征在于，所述零位快速定位夹具(3)由定位标准球(3‑1)和与其连接的定位销(3‑2)组成，定位销(3‑
2)可与三维校准器(1)的定位孔进行精确匹配，用于将三维校准器(1)的中心与其自身的三个高精度光栅位移传感器(1‑1)的中心进行高精度定位；定位标准球(3‑1)用于将三个高精度光栅位移传感器(1‑1)对零。
4.基于权利要求1所述的一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置的校准方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一、将三维校准器(1)、四球校准台(4)、控制电脑(6)和工业机器人(7)调整至初始工作状态，使整个装置满足工业机器人的校准要求；
步骤二、设置高精度光栅位移传感器(1‑1)测量范围为0～12mm，设置高精度光栅位移传感器(1‑1)的触发模式为上升沿触发，等待高精度光栅位移传感器(1‑1)数据发生变化，并将测量值传递至控制电脑(6)，数据经过控制电脑(6)处理后，通过专用总线将其传递给工业机器人(7)；
步骤三、通过零位快速定位夹具(3)对三维校准器(1)的三个高精度光栅位移传感器(1‑1)进行精确对零，步骤四、通过手操器反复调整工业机器人(7)位姿，使三个高精度光栅位移传感器(1‑
1)的数值再次调整至零点，这时记录工业机器人(7)的当前位姿P1，以此类推，分别解算出P2、P3和P4，从而得到三维校准器(1)的中心坐标值；
步骤五、建立世界坐标系，使工业机器人(7)在同一位姿下分别定位于四球校准台(4)的四个球心，以四个球的球心坐标拟合的平面作为Z平面，以球一和球二建立的直线为X轴方向，以球一和球三建立的直线和球二与球四建立的直线交点为圆心，建立笛卡尔坐标系；
步骤六、准备工作完成后，使用工业机器人(7)对四球校准台进行检测；根据运动学误差和非运动学误差分析，通过获得的球心坐标和四个标准球之间的距离，建立方程组，在校准时需测量至少50个点，应用最小二乘法，解算出结构参数误差；
步骤七、将步骤六中解算出的结构参数误差导入工业机器人D‑H模型中，并对其进行位姿精度检测以验证校准结果是否满意，如果不满意需在此基础上继续调整D‑H参数。
5.根据权利要求4所述的一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置的校准方法，其特征在于，所述步骤六的具体过程如下：
1)采用一种六轴工业机器人，其有六个角度转动关节，结构参数采用了D‑H模型，该模型共计九个坐标系，世界坐标系{w}，工具坐标系{t}，基座坐标系{0}和机器人关节坐标系{1～6}；世界坐标系定义在四球校准台的球上，x轴指向球二，工具坐标系{t}的x轴,y轴和z轴与世界坐标系对齐；
q＝[θ1,θ2,…θ6,] (1)世界坐标系{w}到工具坐标系{t}的转换矩阵为：其中 表示{j}坐标系相对于{i}坐标系的转换矩阵；因此，六轴机器人的坐标转换矩阵为：根据D‑H模型的结构参数，坐标转换矩阵的表达式为：α，a，θ，d是机器人的D‑H参数，sθ代表sinθ，cθ代表cosθ；
根据公式(7)，可以得到在空间内任意一点Pi的方程为：
2)根据运动学误差和非运动学误差分析，在校准时需测量至少50个点，应用最小二乘法法结算：AΔ＝P (9)
A为雅克比行列式的系数矩阵，其各参数都是角度的函数；
通过获得的球心坐标和四个标准球之间的距离，建立方程组，解算出Δα，Δa，Δθ，Δd；
a)通过移动机器人的位姿，使位移传感器的测头与标准球接触，设置标称为qd；
c)将3个位移传感器的数据发回给上位机软件，命名为rx，ry，rz；
d)将rx，ry，rz位置坐标传送到机器人控制器中；
f)设位置偏移最小值为γ，重复上述步骤b)至d)直到|r|<γ；参数γ大于机器人的重复性；
g)当满足步骤f的γ时，在软件中存储当前机器人的位置坐标qa；
h)重复步骤a)至f)，直到所有的测量点均测量完成为止。
一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及机器人校准领域，特别是涉及一种工业机器人D‑H参数三维自 标定校准装置及方法。
背景技术
[0002] 早期的机器人需要工程师手动将机器人定位在所需位置的。由于机器人重 复性的提升，其位姿精确度得到了很大的提升。近些年来，工业机器人的编程 已经发生了很大的进步。如今，几乎所有的机器人制造商都提供定制的3D仿真 软件，允许工业机器人完全离线编程。离线编程可以极大的提升产线上的工作 效率，同时也可以完成很多复杂的动作。
[0003] 但是，对于很多对机器人位姿和轨迹要求较高的项目，现有的离线编程方 式还存在很多问题。这个问题产生的原因在于，机器人的离线编程是基于理想 的数学模型，而实际的机器人的位姿和轨迹绝对定位精度相比于重复性是有很 大偏差的。
[0004] 为了解决上述问题，各机器人制造商会不断努力缩小重复性和绝对定位精 度之间的差距，很多研究机构和大学已经在机器人建模、位姿轨迹测量、参数 辨识和D‑H参数校准方面取得了很多研究成果。
[0005] 机器人D‑H参数的校准步骤如下：
[0006] 第一步，需要建立机器人的运动数学模型，现在已经有很多种方法来建立 相应的模型，但最主要的还是基于D‑H参数的方法。
[0007] 第二步，对机器人的位姿进行测量。现有机器人的测量方法主要有接触和 非接触方式。接触式方式有时受到自身测量空间的束缚，不能完全满足客户的 需求；而非接触方式可以避免空间束缚给测量带来的不便。但接触式测量方式 的成本较低而精度更高，测量方法主要有坐标测量机(CMM)、关节臂坐标机、 伸缩球杆等设备，因此很多设备厂商更倾向于选用接触式测量方式。非接触式 测量方式主要有激光跟踪仪、光学坐标机和视觉测量系统等。
[0008] 第三步，机器人的参数识别。主要是利用机器人位姿测量设备所采集的数 据并应用相应最小二乘算法进行参数识别。
[0009] 第四步，对相应的计算参数进行补偿。
[0010] 但上述成果很难在校准成本和校准精度之间找到很好的平衡，从而限制了 设备的推广应用。
发明内容
[0011] 本发明为了解决现有技术存在的问题，提出一种工业机器人D‑H参数三维 自标定校准装置及方法。
[0012] 其测头部分安装于机器人末端位置(TCP)，采用三个互相正交的高精度位 移传感器，并配套研制一种专用四球标准器校准台，通过针对工业机器人的特 定校准算法，可实现对工业机器人D‑H参数的快速高精度在线校准。
[0013] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0014] 一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置，其特征是，其包括三维校 准器、数据传输线缆、零位快速定位夹具、四球校准台、三维角度调整器和控 制电脑；三维校准器由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器组成，每个高精 度光栅位移传感器通过数据传输线缆与控制电脑相连；三维校准器安装在被校 准工业机器人的末端，对四球校准台上的四个标准球进行测量，通过标准球对 机器人的TCP点进行高精度定位；零位快速定位夹具，用于对三维校准器的校 准；四球校准台下面安装有三维角度调整器。
[0015] 所述零位快速定位夹具由定位标准球和与其连接的定位销组成，定位销可 与三维校准器的定位孔进行精确匹配，用于将三维校准器中心与其自身的三个 高精度光栅位移传感器的中心进行高精度定位；定位标准球用于将三个高精度 光栅位移传感器对零。
[0016] 一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置的校准方法，其特征是，包 括以下步骤：
[0017] 步骤一、将三维校准器、四球校准台、控制电脑和工业机器人调整至初始 工作状态，使整个装置满足工业机器人的校准要求；
[0018] 步骤二、设置高精度光栅位移传感器测量范围为0～12mm，设置高精度光 栅位移传感器的触发模式为上升沿触发，等待高精度光栅位移传感器数据发生 变化，并将测量值传递至控制电脑，数据经过控制电脑处理后，通过专用总线 将其传递给工业机器人；
[0019] 步骤三、通过零位快速定位夹具对三维校准器的三个高精度光栅位移传感 器进行精确对零；
[0020] 步骤四、通过手操器反复调整工业机器人位姿，使三个高精度光栅位移传 感器的数值再次调整至零点，这时记录工业机器人的当前位姿P1，以此类推， 分别解算出P2、P3和P4，从而得到三维校准器的中心坐标值；
[0021] 步骤五、建立世界坐标系，使工业机器人在同一位姿下分别定位于四球校 准台的四个球心，以四个球的球心坐标拟合的平面作为Z平面，以球一和球二 建立的直线为X轴方向，以球一和球三建立的直线和球二与球四建立的直线交 点为圆心，建立笛卡尔坐标系；
[0022] 步骤六、准备工作完成后，使用工业机器人对四球校准台进行检测；根据 运动学误差和非运动学误差分析，通过获得的球心坐标和四个标准球之间的距 离，建立方程组，在校准时需测量至少50个点，应用最小二乘法，解算出结构 参数误差；
[0023] 步骤七、将步骤六中解算出的结构参数误差导入工业机器人D‑H模型中， 并对其进行位姿精度检测以验证校准结果是否满意，如果不满意需在此基础上 继续调整D‑H参数。
[0024] 本发明的有益效果：
[0025] 1、本发明提供的一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置及方法，采 用的三维校准器安装于机器人执行器末端，每只传感器的精度优于5μm，可实 时将采集数据反馈至上位机，并通过零位快速定位夹具对三维校准器进行零位 标定。通过以上措施，可在保证校准精度的同时，使整个装置的购置成本大为 降低，使用方式快捷简便，可在各使用单位大范围推广。
[0026] 2.本发明采用的四球校准台，通过高精度坐标测量系统对其球心间距和球心 坐标进行高精度赋值，其四个支点的工作高度和距离可进行现场调整，以适应 不同机器人的测量范围，并利用四球中心误差冗余效应，提升了校准台坐标系 建立精度，可使得工业机器人在特定工作范围内保证较高的校准精度和操作的 便利性。
[0027] 3.本发明所述的四球校准台支撑部分采用三维角度调整器，可在保证机器人 在不同工作姿态下进行校准，避免了现场空间局限性和操作复杂性对设备校准 的限制。
[0028] 4.本发明研制了适用于该装置的校准算法，可实现对工业机器的位姿测量、 参数识别和数据补偿。
附图说明
[0029] 图1为本发明一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置结构示意图；
[0030] 图中：1‑包括三维校准器、2‑传感器数据传输线缆、3‑零位快速定位夹具、 4‑四球校准台、5‑三维角度调整器、6‑控制电脑、7‑被校准工业机器人。
[0031] 图2为本发明一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准方法流程图。
[0032] 图3为本发明所述零位快速定位夹具结构示意图。图中：3‑1、定位标准球， 3‑2、定位销。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0034] 如图1所示，一种工业机器人D‑H参数三维自标定校准装置，其包括三维 校准器1、数据传输线缆2、零位快速定位夹具3、四球校准台4、三维角度调 整器5和控制电脑6。
[0035] 三维校准器1由三个互相垂直的高精度光栅位移传感器组成，每个高精度 光栅位移传感器通过数据传输线缆2与控制电脑6相连；
[0036] 三维校准器1安装在被校准工业机器人7的末端，对四球校准台4上的四 个标准球进行测量。可通过标准球对机器人的TCP点进行高精度定位。
[0037] 零位快速定位夹具3，用于对三维校准器1的校准。
[0038] 四球校准台4上设置有四个标准球，四球校准台4采用铝板结构，下面安 装有三维角度调整器5。
[0039] 高精度光栅位移传感器1‑1的精度优于5μm内。
[0040] 在安装时，通过精确调整保持三个高精度光栅位移传感器相互垂直。每个 高精度光栅位移传感器的数据通过线缆2传递给控制电脑6进行数据计算。
[0041] 如图3所示，零位快速定位夹具3由定位标准球3‑1和与其连接的定位销 3‑2组成，定位销3‑2可与三维校准器1的定位孔进行精确匹配，用于将三维校 准器1的中心与其自身的三个位移传感器的中心进行高精度定位。定位标准球 3‑1用于将三个位移传感器对零。
[0042] 四球校准台4上设置有4个标准球4‑1，球的直径为φ30mm，相邻两个球 检测距离为300mm，每个校准球的直径、圆度和球间距均经过高精度设备测量 并赋值。根据被测机器人的尺寸不同，四球校准台4与标准球直接可设置不同 长度的延长杆4‑2。四球校准台4采用铝板结构，下面安装有三维角度调整器5， 可根据机器人的位姿进行相应调试，以便适用于不同位姿的校准。
[0043] 一种工业机器人D‑H参数三维自标定校方法，包括以下步骤：
[0044] 步骤一、将三维校准器1、四球工作台4、控制电脑6、工业机器人7和调 整至初始工作状态，使整个装置满足工业机器人的校准要求；
[0045] 步骤二、光栅位移传感器1‑1测量范围为(0～12)mm，设置传感器的触 发模式为上升沿触发，等待传感器数据发生变化，并将测量值传递至上位机控 制上，上位机数据经过处理后，通过专用总线，将其传递给机器人；
[0046] 步骤三、通过零位快速定位夹具对三维校准器的三个位移传感器进行精确 对零，[0047] 步骤四、通过手操器，反复调整机器人位姿，使三个位移传感器的数值再 次调整至零点，这时记录机器人的当前位姿P1，以此类推，分别结算处P2、P3 和P4，从而可解算出三维标准器的中心坐标值；
[0048] 步骤五、建立世界坐标系，使机器人在同一位姿下分别定位于四球校准器 的四个球心，以四个球的球心坐标拟合的平面作为Z平面，以球一和球二建立 的直线为X轴方向，以球一和球3建立的直线和球2与球4建立的直线交点为 圆心，建立笛卡尔坐标系；
[0049] 步骤六、准备工作完成后，使用机器人对四球校准台进行检测。
[0050] (1)采用一种6轴工业机器人，其有6个角度转动关节，结构参数采用了 D‑H模型。该模型共计9个坐标系，世界坐标系{w}，工具坐标系{t}，基座坐 标系{0}和机器人关节坐标系{1～6}。世界坐标系定义在四球校准台的球1上， x轴指向球2，工具坐标系{t}的x轴,y轴和z轴与世界坐标系对齐。
[0051] 机器人关节变量如公式(1)所示：
[0052] q＝[θ1,θ2,…θ6,] (1)
[0053] 世界坐标系{w}到工具坐标系{t}的转换矩阵为：
[0054]
[0055] 其中 表示{j}坐标系相对于{i}坐标系的转换矩阵。因此，6轴机器人的坐 标转换矩阵为：
[0056]
[0057] 根据D‑H模型的结构参数，坐标转换矩阵的表达式为：
[0058]
[0059]
[0060] α，a，θ，d是机器人的D‑H参数，sθ代表sinθ,cθ代表cosθ。
[0061] 机器人的末端位姿可表示为：
[0062] P＝f(α，a，θ，d) (6)
[0063] 由机器人运动误差得：
[0064]
[0065] 根据公式(7)，可以得到在空间内任意一点Pi的方程为：
[0066]
[0067] 根据运动学误差和非运动学误差分析，在校准时需测量至少50个点，应用 最小二乘法法结算：
[0068] AΔ＝P (9)
[0069] 其中：
[0070] A为雅克比行列式的系数矩阵，其各参数都是角度的函数；
[0071] Δ为要求得的Δα，Δa，Δθ，Δd；
[0072] P为各点误差值。
[0073] 通过获得的球心坐标和四个标准球之间的距离，建立方程组，解算出Δα， Δa，Δθ，Δd。
[0074] (2)整个系统运行过程如下：
[0075] 1)通过移动机器人的位姿，使位移传感器的测头与标准球接触，设置标称 为qd；
[0076] 2)从上位机软件向位移传感器发送数据请求；
[0077] 3)将3个位移传感器的数据发回给上位机软件，命名为rx，ry，rz；
[0078] 3)将rx，ry，rz位置坐标传送到机器人控制器中；
[0079] 4)将工具坐标系替换为r＝[rx，ry，rz]；
[0080] 5)设位置偏移最小值为γ，重复上述步骤2)至4)直到|r|<γ；
[0081] 6)当满足步骤5的γ时，在软件中存储当前机器人的位置坐标qa；
[0082] 7)重复步骤1)至6)，直到所有的测量点均测量完成为止。
[0083] 注：预设参数γ一般大于机器人的重复性，否则将很难达到检测要求。
[0084] 步骤七、将识别完成的参数导入工业机器人D‑H模型中，并对其进行位姿 精度检测以验证校准结果是否满意，如果不满意需在此基础上继续调整D‑H参 数。
[0085] 本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
