CN110726362A - 一种位移测量装置、误差温度补偿系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种位移测量装置，包括滑动标尺、滑动导轨、基准靶球、固定基座、磁铁、弹簧；公开了一种工业机器人末端定位误差温度补偿系统，包括位移测量装置，还包括工业机器人、计算机、机架、通讯线缆、数据采集卡。公开了一种工业机器人末端定位误差温度补偿方法，以用于获得补偿后的运动学模型。本发明中的位移测量装置可以有效地与工业机器人及外部数据采集卡连接，通过该连接构建出的工业机器人末端定位误差温度补偿系统可以有效地采集位移测量装置测量的实际位移传输至计算机，并进一步融合本发明的补偿方法构建补偿后的运动学模型，从而计算出补偿后的末端坐标，实现工业机器人温度误差补偿，提高其定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种位移测量装置、误差温度补偿系统及方法，属于机器人领域。
背景技术
工业机器人是工业自动化和智能制造关键的一部分，是传统制造业转型升级的重要一步。而对其定位精度的要求也日益增高。目前工厂中使用工业机器人采用的大多是示教模式编程，其效率低下，同时这种模式大多取决于机器人的重复精度。而在弧焊、激光切割等作业中，机器人不仅仅要求具有高的重复精度，还要具有高的绝对定位精度。
工业机器人的重复精度常常可以达到一般在0.1量级，而绝对定位精度常常较低，通常在1mm量级。在实际应用中，绝对定位误差大多数是由于其本身运动学参数与控制器中的名义运动学参数不一致造成的。温度变化是影响机器人绝对定位精度的重要因素，因为温度变化会造成机器人连杆及关节发生伸长缩短，补偿温度变化带来的绝对定位误差具有实际应用意义，但目前常常因为难以建立具体的数学模型、缺乏可应用的度量手段而无法进行补偿。
发明内容
本发明提供了一种位移测量装置以用于构建与工业机器人及外部采集装置连接的平台，提供了一种工业机器人末端定位误差温度补偿系统，以用于实现与位移测量装置的连接，并用于采集位移测量装置的数据，并进而提供工业机器人末端定位误差温度补偿的平台；提供了一种工业机器人末端定位误差温度补偿方法，以用于根据获得的数据，获得补偿后的运动学模型。
本发明的技术方案是：一种位移测量装置，包括滑动标尺4、滑动导轨8、基准靶球10、固定基座11、磁铁15、弹簧16；
所述固定基座11的锥孔中安装磁铁15，通过磁铁将基准靶球10固定在锥孔中；滑动导轨8一端与基准靶球10连接；滑动导轨8中滑槽的起始位置固定弹簧16一端，弹簧16的另一端固定在滑动标尺4一端，滑动标尺4安装在滑槽中；滑动导轨8的滑槽底面安装有定栅，滑动标尺4与滑动导轨8滑槽底面接触的一面安装有动栅。
所述滑动标尺4材料为碳纤维材料。
所述滑动导轨8外侧表面安装防脱落架13以防止滑动标尺4偏离滑槽。
一种工业机器人末端定位误差温度补偿系统，包括位移测量装置，还包括工业机器人1、计算机2、机架3、通讯线缆6、数据采集卡7；
所述固定基座11通过螺钉Ⅱ12安装在机架3上；滑动标尺4另一端设有十字形适配平板9，通过螺钉Ⅰ5与十字形适配平板9通孔配合，将滑动标尺4连接到机器人1末端的法兰上；计算机2通过通讯线缆6与数据采集卡7相连接，数据采集卡7再经通讯线缆6连接位移测量装置和机器人1的控制器14上。
一种工业机器人末端定位误差温度补偿方法，所述方法的具体步骤如下：
步骤1、安装工业机器人末端定位误差温度补偿系统；
步骤2、上电，机器人1沿着工作空间内的T个点运动；其中初始点以及其他所有指令点都需要位于工作空间内；
步骤3、在机器人1当前工作温度下，当机器人1末端的中心点沿着工作空间内的T个点运动，此时位移测量装置会随着机器人1末端一起移动，第t-1个点到第t个点在运动指令下的指令位移为dc(t-1,t)，t＝1,2,…T；在每个指令位置记录机器人1末端的中心点到基准靶球10球心的距离，并记录机器人1末端的中心点在机器人坐标系下的坐标；空间中相邻两点与位移测量装置的基准靶球10的球心的连线组成了一个三角形，通过三角形的几何关系、空间中相邻两点的坐标与这两点到位移测量装置的基准靶球10球心的距离，解算出相邻两点间的位移，记为实际位移dr(t-1,t)，一次循环中总共可采集到T个位移数据；其中机器人1末端中心点到基准靶球10球心的距离通过数据采集卡7读取，在机器人坐标系下的机器人末端中心点的坐标通过数据采集卡7从机器人控制器14读取；
步骤4、根据本次循环中所有采集到的相邻点间的实际位移dr(t-1,t)与指令位移dc(t-1,t)之比的累加和求平均，得到本次循环的机器人受温度影响的末端位移变化比例系数Km，计算公式如下：
其中，m表示第m次循环；
步骤5、重复步骤3、步骤4共N次，使用每次循环的末端位移变化比例系数Km，m＝1…N，并取Km的平均值作为修正系数，能计算出机器人1在工作现场中受温度影响的总体末端位移变化比例系数K，计算公式如下：
步骤6、根据机器人运动学原理，基于Denavit-Hartenberg模型的从第n-1关节到第n关节变换矩阵n-1An为：
其中，θn为第n个关节的关节转角，dn为第n个关节的关节长度，αn为第n个关节的连杆扭转角，an为第n个关节的杆件长度；Arz(θn)表示绕第n个关节的Z轴旋转θn度，Atz(dn)表示沿第n个关节的Z轴平移dn的长度，Atx(an)表示沿第n个关节的X轴方向平移an的长度，Arx(αn)表示绕第n个关节的X轴方向旋转αn度，则六自由度的机器人总运动学模型可表示为：
步骤7、用K来计算出实际的关节长度dn'和杆件长度an'：
dn'＝K·dn
an'＝K·an；
步骤8、将经过系数K修正后的实际关节长度dn'和杆件长度an'代入机器人总运动学模型中，得到补偿后的运动学模型。
本发明的有益效果是：本发明中的位移测量装置可以有效地与工业机器人及外部数据采集卡连接，通过该连接构建出的工业机器人末端定位误差温度补偿系统可以有效地采集位移测量装置测量的实际位移传输至计算机，并进一步融合本发明的补偿方法构建补偿后的运动学模型，从而计算出补偿后的末端坐标，实现工业机器人温度误差补偿，提高其定位精度。
附图说明
图1是本发明中工业机器人末端定位误差补偿系统；
图2是本发明中位移测量装置的示意图；
图3是本发明中滑动标尺的示意图；
图4是本发明中与靶球连接后的滑动导轨的示意图；
图5是本发明中末端定位误差补偿方法的流程图；
图中各标号为：1-工业机器人，2-计算机，3-机架，4-滑动标尺，5-螺钉Ⅰ，6-通讯线缆，7-数据采集卡，8-滑动导轨，9-十字形适配平板，10-基准靶球，11-固定基座，12-螺钉Ⅱ，13-防脱落架，14-控制器，15-磁铁，16-弹簧，17-定栅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-5所示，一种位移测量装置，包括滑动标尺4、滑动导轨8、基准靶球10、固定基座11、磁铁15、弹簧16；
所述固定基座11的锥孔中安装磁铁15，通过磁铁将基准靶球10固定在锥孔中；滑动导轨8一端与基准靶球10通过焊接连接；滑动导轨8中滑槽的起始位置固定弹簧16一端，弹簧16的另一端固定在滑动标尺4一端，滑动标尺4安装在滑槽中，通过滑动标尺4不与滑槽底面接触的两侧表面与滑槽表面的机械配合关系直接进行紧固；滑动导轨8的滑槽底面安装有定栅，滑动标尺4与滑动导轨8滑槽底面接触的一面安装有动栅。
动栅与定栅之间的电容量随着两者间的相对位移而发生相应的变化，同时电容大小的变化会影响交流信号，通过数据采集卡7给予动栅一固定频率的交流信号：如3.3V交流电压信号，通过分析该交流信号的变化量就可以得到电容变化的具体数值，从而推算出滑动标尺4的位移，最终得出机器人1末端中心点到基准靶球10球心的距离。其中，所述的数据采集卡7，可以是基于TMS320F280040C微处理器的嵌入式设备。
所述弹簧16具有一定的初始形变量，使得滑动标尺4在整个测量过程中在滑动导轨8内稳定的往复运动；同时滑动导轨8可绕锥孔进行转动，具有多方向的自由度。
进一步地，可以设置所述滑动标尺4材料为碳纤维材料，由于该材料受温度影响极小，其测量精度不会随着温度而变化。
进一步地，可以设置所述滑动导轨8外侧表面安装防脱落架13以防止滑动标尺4偏离滑槽。
一种工业机器人末端定位误差温度补偿系统，包括位移测量装置，还包括工业机器人1、计算机2、机架3、通讯线缆6、数据采集卡7；
所述固定基座11通过螺钉Ⅱ12安装在机架3上；滑动标尺4另一端设有十字形适配平板9，通过螺钉Ⅰ5与十字形适配平板9通孔配合，将滑动标尺4连接到机器人1末端的法兰上；计算机2通过通讯线缆6与数据采集卡7相连接，数据采集卡7再经通讯线缆6连接滑动标尺4的动栅的发射电极和机器人1的控制器14上；数据采集卡7将采集的位移测量装置测量的实际位移传输至计算机2。
一种工业机器人末端定位误差温度补偿方法，所述方法的具体步骤如下：
步骤1、安装工业机器人末端定位误差温度补偿系统；
步骤2、上电，机器人1沿着工作空间内的T个点运动；其中初始点以及其他所有指令点都需要位于工作空间内；
步骤3、在机器人1当前工作温度下，当机器人1末端的中心点沿着工作空间内的T个点运动，此时位移测量装置会随着机器人1末端一起移动，第t-1个点到第t个点在运动指令下的指令位移为dc(t-1,t)，t＝1,2,…T；在每个指令位置记录机器人1末端的中心点到基准靶球10球心的距离，并记录机器人1末端的中心点在机器人坐标系下的坐标；空间中相邻两点与位移测量装置的基准靶球10的球心的连线组成了一个三角形，通过三角形的几何关系、空间中相邻两点的坐标与这两点到位移测量装置的基准靶球10球心的距离，解算出相邻两点间的位移，记为实际位移dr(t-1,t)，一次循环中总共可采集到T个位移数据；其中机器人1末端中心点到基准靶球10球心的距离通过数据采集卡7读取，在机器人坐标系下的机器人末端中心点的坐标通过数据采集卡7从机器人控制器14读取；
步骤4、根据本次循环中所有采集到的相邻点间的实际位移dr(t-1,t)与指令位移dc(t-1,t)之比的累加和求平均，得到本次循环的机器人受温度影响的末端位移变化比例系数Km，计算公式如下：
其中，m表示第m次循环；
步骤5、为了减少测量中的随机误差，重复步骤3、步骤4共N次，使用每次循环的末端位移变化比例系数Km，m＝1…N，并取Km的平均值作为修正系数，能计算出机器人1在工作现场中受温度影响的总体末端位移变化比例系数K，计算公式如下：
步骤6、根据机器人运动学原理，基于Denavit-Hartenberg模型的从第n-1关节到第n关节变换矩阵n-1An为：
其中，θn为第n个关节的关节转角，dn为第n个关节的关节长度，αn为第n个关节的连杆扭转角，an为第n个关节的杆件长度；Arz(θn)表示绕第n个关节的Z轴旋转θn度，Atz(dn)表示沿第n个关节的Z轴平移dn的长度，Atx(an)表示沿第n个关节的X轴方向平移an的长度，Arx(αn)表示绕第n个关节的X轴方向旋转αn度，则六自由度的机器人总运动学模型可表示为：
步骤7、用K来计算出实际的关节长度dn'和杆件长度an'：
dn'＝K·dn
an'＝K·an；
通过实验和理论分析得到比例系数K与机器人1的关节长度dn和杆件长度an的变化系数相等，因此，可以用K来计算出实际的关节长度dn'和杆件长度an'。
步骤8、将经过系数K修正后的实际关节长度dn'和杆件长度an'代入机器人总运动学模型中，得到补偿后的运动学模型。根据机器人运动学模型可计算出补偿后的末端坐标，从而实现工业机器人温度误差补偿，提高其定位精度。
标准机器人运动学模型中包括四组参数，其中包括两组线性参数：关节长度和杆件长度，两组角度参数：关节转角和连杆扭转角。本发明通过创造性的劳动，选用了关节长度和杆件长度两组参数，去掉了影响非常有限的关节转角和连杆扭转角。通过使用本系统及方法在当前工作温度下对工业机器人指令位移的测量，计算出机器人末端位移的变化率，通过关节长度和杆件长度的变化率与末端位移的变化率相等的映射关系，计算由温度引起的工业机器人的关节长度和杆件长度误差，进一步补偿由温度引起的机器人末端定位误差。
本发明具有结构简单，易操作，系统模块化与集成化的特点。本方法不需要将机器人分别切换到冷热态下进行测量，避免了使用温度传感器所带来的额外测量误差与成本，能够快速便捷地补偿温度变化引起的工业机器人末端定位误差，同时整套系统小巧便捷，对于外界环境要求低，可以灵活地适应工业现场的工作。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种位移测量装置，其特征在于：包括滑动标尺(4)、滑动导轨(8)、基准靶球(10)、固定基座(11)、磁铁(15)、弹簧(16)；
所述固定基座(11)的锥孔中安装磁铁(15)，通过磁铁(15)将基准靶球(10)固定在锥孔中；滑动导轨(8)一端与基准靶球(10)连接；滑动导轨(8)中滑槽的起始位置固定弹簧(16)一端，弹簧(16)的另一端固定在滑动标尺(4)一端，滑动标尺(4)安装在滑槽中；滑动导轨(8)的滑槽底面安装有定栅，滑动标尺(4)与滑动导轨(8)滑槽底面接触的一面安装有动栅。
2.根据权利要求1所述的位移测量装置，其特征在于：所述滑动标尺(4)材料为碳纤维材料。
3.根据权利要求1所述的位移测量装置，其特征在于：所述滑动导轨(8)外侧表面安装防脱落架(13)以防止滑动标尺(4)偏离滑槽。
4.一种工业机器人末端定位误差温度补偿系统，其特征在于：包括权利要求1-3中任一项所述的位移测量装置，还包括工业机器人(1)、计算机(2)、机架(3)、通讯线缆(6)、数据采集卡(7)；
所述固定基座(11)通过螺钉Ⅱ(12)安装在机架(3)上；滑动标尺(4)另一端设有十字形适配平板(9)，通过螺钉Ⅰ(5)与十字形适配平板(9)通孔配合，将滑动标尺(4)连接到机器人(1)末端的法兰上；计算机(2)通过通讯线缆(6)与数据采集卡(7)相连接，数据采集卡(7)再经通讯线缆(6)连接滑动标尺(4)的动栅的发射电极和机器人(1)的控制器(14)上。
5.一种工业机器人末端定位误差温度补偿方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
步骤1、安装权利要求4所述的工业机器人末端定位误差温度补偿系统；
步骤2、上电，机器人(1)沿着工作空间内的T个点运动；其中初始点以及其他所有指令点都需要位于工作空间内；
步骤3、在机器人(1)当前工作温度下，当机器人(1)末端的中心点沿着工作空间内的T个点运动，此时位移测量装置会随着机器人(1)末端一起移动，第t-1个点到第t个点在运动指令下的指令位移为dc(t-1,t)，t＝1,2,…T；在每个指令位置记录机器人(1)末端的中心点到基准靶球(10)球心的距离，并记录机器人(1)末端的中心点在机器人坐标系下的坐标；空间中相邻两点与位移测量装置的基准靶球(10)的球心的连线组成了一个三角形，通过三角形的几何关系、空间中相邻两点的坐标与这两点到位移测量装置的基准靶球(10)球心的距离，解算出相邻两点间的位移，记为实际位移dr(t-1,t)，一次循环中总共可采集到T个位移数据；其中机器人(1)末端中心点到基准靶球(10)球心的距离通过数据采集卡(7)读取，在机器人坐标系下的机器人末端中心点的坐标通过数据采集卡(7)从机器人控制器(14)读取；
步骤4、根据本次循环中所有采集到的相邻点间的实际位移dr(t-1,t)与指令位移dc(t-1,t)之比的累加和求平均，得到本次循环的机器人受温度影响的末端位移变化比例系数Km，计算公式如下：
其中，m表示第m次循环；
步骤5、重复步骤3、步骤4共N次，使用每次循环的末端位移变化比例系数Km，m＝1…N，并取Km的平均值作为修正系数，能计算出机器人(1)在工作现场中受温度影响的总体末端位移变化比例系数K，计算公式如下：
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN119489437A (zh) * | 2024-10-31 | 2025-02-21 | 海南霏思鱼智汇科技有限公司 | 一种机械臂关节动力学模型修正方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110726362B (zh) | 2024-08-20 |
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