[发明专利]一种基于三维力传感器的工业机器人标定装置及标定方法

权利要求书

1.一种基于三维力传感器的工业机器人标定装置的标定方法，工业机器人标定装置包括标定测量组件(2)和标定球组件(3)，所述的标定测量组件(2)安装在机器人(1)末端法兰上，所述的标定球组件(3)固定在机器人(1)工作空间内，其中，所述的标定测量组件(2)包括有连接底板(21)，固定安装在所述连接底板(21)一端的三维力传感器(22)，以及通过螺栓固定安装在所述三维力传感器(22)上端的测量球结构(23)，所述连接底板(21)的另一端形成有用于与所述机器人(1)末端法兰相连接的法兰安装结构(24)；所述的标定球组件(3)包括有固定底座(31)，固定安装在所述固定底座(31)上端的连接件(32)，以及通过螺栓固定安装在所述连接件(32)上端且与所述的测量球结构(23)相对应的标定球结构(33)；其特征在于，标定方法包括以下步骤：

1)将所述标定测量组件安装在工业机器人末端法兰上；

2)将所述标定球组件固定在工业机器人的工作空间内；

3)操作所述工业机器人，通过所述连接底板和三维力传感器将标定测量组件中所述的测量球结构中的测量球从两个以上的方向与标定球组件中所述的标定球结构中的标定球接触，所述三维力传感器记录每次测量球和标定球接触的接触力f_i＝(f_xi,f_yi,f_zi)，对应记录每次接触时所述工业机器人的关节转角数据θ_i；

4)多次改变所述标定球组件在所述工业机器人工作空间的位置，重复步骤3)m次，其中3m大于要标定的工业机器人运动学参数的个数；

5)根据步骤3)中所述三维力传感器记录的接触力f_i＝(f_xi,f_yi,f_zi)和对应记录的工业机器人关节转角数据θ_i，计算所述标定球球心位置p_i＝p_ni+J_idω，其中，p_ni为标定球球心在所述机器人基础坐标系的位置分量，J_i为标定雅克比矩阵，dω为机器人运动学参数误差向量，根据所述标定球球心位置在所述工业机器人工作空间是固定的，建立m个标定约束方程，并得到矩阵形式的标定方程B＝Adω；当系数矩阵A列满秩时，根据最小二乘法求得所述工业机器人运动学参数误差向量dω＝(A^ΤA)^-1A^ΤB。

2.根据权利要求1所述的基于三维力传感器的工业机器人标定装置的标定方法，其特征在于，步骤5)包括：

采用D-H法建立所述工业机器人的运动学模型，将连杆坐标系i-1到连杆坐标系i的齐次变换矩阵记作A_i，则机器人末端的法兰坐标系N相对机器人基础坐标系0的齐次变换矩阵为：

对测量球球心建立测量球坐标系E，所述测量球相对机器人末端法兰固定安装，法兰坐标系N到测量球坐标系E的齐次变换矩阵记作则测量球坐标系E相对机器人基础坐标系0的齐次变换矩阵为：

当操作所述工业机器人使所述测量球和标定球接触时，对所述标定球球心建立标定球坐标系B，通过所述三维力传感器记录的接触力f_i＝(f_xi,f_yi,f_zi)求得所述标定球球心到测量球球心的位置向量：其中为所述标定球球心到测量球球心的单位方向向量；r₁,r₂，分别为测量球和标定球的半径，则标定球坐标系B相对机器人基础坐标系0的齐次变换矩阵为：

提取标定球球心在所述机器人基础坐标系的位置分量为：p_ni＝f(θ_i,f_i)，考虑所述机器人运动学参数误差，所述标定球球心在机器人基础坐标系的实际位置向量为：p_i＝p_ni+J_idω，其中J_i为标定雅克比矩阵，dω为机器人运动学参数误差向量，当操作机器人使所述测量球以两个不同方向接触标定球时，可以得到两个位置方程为：

p₁＝p_n1+J₁dω

p₂＝p_n2+J₂dω

两式相减得：p₂-p₁＝p_n2-p_n1+(J₂-J₁)dω，根据两次接触时标定球球心在机器人基础坐标系的位置相同，建立标定约束方程：p_n2-p_n1＝(J₁-J₂)dω，多次改变所述标定球组件在所述工业机器人工作空间的位置，根据所建立的m个标定约束方程，得到矩阵形式的标定方程：

B＝Adω

其中B＝[(p_n2-p_n1)₁；(p_n2-p_n1)₂；…(p_n2-p_n1)_m]，A＝[(J₁-J₂)₁；(J₁-J₂)₂；…(J₁-J₂)_m]，m为改变所述标定球组件位置的次数；

当系数矩阵A列满秩时，根据最小二乘法求得所述工业机器人运动学参数误差向量

dω＝(A^ΤA)^-1A^ΤB。