机器人工具坐标系自动校准

为了实现工业现场中对机器人工具坐标系进行快速高效地校准,同时提升坐标系的校准精度,提出了一种机器人工具坐标系快速校准方法,搭建了校准系统和实验平台。对校准系统的校准测量速度和精度进行了测量和研究。该校准方法使机器人按照预定圆周和直线的轨迹进行运动,运动时统计该系统在光电传感器中出现的时刻,得到工具坐标系偏斜的位置。本文分析了光电传感器由于装配工艺的原因无法形成直角坐标系而引起的误差,同时根据坐标系转换原理,对此项误差进行分析。最后实验结果表明:机器人工具坐标系的校准精度为±0.5mm,恢复时间为15s。该结果满足汽车生产线对于精度和效率的要求,能够快速有效地对机器人工具坐标系进行校准。     

机器人工具坐标系的快速标定方法

为了解决机器人工具坐标系标定时标定精度不高、效率较低的问题,提出一种基于激光跟踪仪的工具坐标系快速标定方法。首先,分析机器人末端法兰盘的结构,根据法兰盘上各点的相对位置关系,利用激光跟踪仪及几何法原理进行工具坐标系的位置标定;其次,控制机器人沿工具坐标系的X轴和Z轴方向分别运动,根据工具坐标系和法兰末端坐标系的相对位姿关系进行工具坐标系姿态标定;最后,利用基于距离约束的工具坐标系标定方法和本文提出的几何法标定结果进行精度对比分析。实验结果表明几何法进行工具坐标系后机器人定位精度能达到0.692 mm,与距离约束法的工具坐标系标定精度相当;同时几何法不需要机器人运动,只需测量机器人末端的6个点就能实现工具坐标系的位置标定,且机器人末端更换新的工具后只需测量一个点就能实现新工具的位置标定。实验表明,几何法标定实验过程为3min,而距离约束法实验过程为8 min,标定效率提高了62.5%,说明该方法具有高效率和高精度的特点,能够满足高精度任务作业的实际需要。     

基于距离精度的工业机器人标定模型

工业机器人主要有两个性能评价指标:重复定位精度和绝对定位精度。由于制造与安装误差,导致工业机器人定位精度不高,因此,在机器人使用前需要对其进行标定。但在应用传统的方法进行位置误差的标定和补偿时,要涉及到测量系统坐标系与机器人基础坐标系间的变换。由于这一过程很难精确完成,容易引入误差。因此,本文利用距离精度的定义,在修正的5参数DHM(Denavit-Hartenberg Modified)运动学模型的基础上,建立了机器人的距离误差标定模型,该模型可以避免坐标转换带来的误差。基于该模型,利用Matlab软件进行仿真实验。仿真结果显示机器人距离误差标定模型可以明显提高机器人的距离精度,为后续的实验打下基础。     

基于粒子群优化算法的工业机器人与外部轴标定

提出一种新的标定方法标定外部轴工作台与机器人工具间的坐标转换关系。该方法分为三步：首先,建立系统的数学模型,并根据模型标定机器人手腕与接触式距离传感器间的坐标转换关系,从而机器人和距离传感器组成机器人测量系统。然后,按预定程序移动检测目标,利用标定好的机器人测量系统测量并采集数据,初步标定出外部轴的转轴和俯仰两轴与机器人基础坐标系间的转换关系。最后,确定优化的目标函数,利用粒子群优化算法优化关键参数以提高系统的整体精度。试验结果验证了该标定方法的有效性。     

基于多传感融合的吊装过程监测系统联合标定方法研究

为实现大尺度产品部件吊装对接实时位姿安全监控,利用多传感器数据融合技术,组建了包括单目视觉系统、九轴MEMS以及激光测距传感器的多传感器联合测量系统-集成测量单元。针对组建的集成测量单元设计了多传感器联合测量系统联合标定的方法,该方法借助于工业机器人首先将单目视觉系统与九轴MEMS标定于集成测量单元坐标系,然后借助单目视觉系统和工业机器人将激光测距传感器的激光射线的空间直线方程标定于集成测量单元坐标系中,最终将单目视觉系统、九轴MEMS以及激光测距传感器联合标定于统一的集成测量单元坐标系下,完成联合标定。最后经过实际试验的数据分析以及误差验证,该方法完全满足吊装过程监测任务的精度与特性要求。     

基于激光跟踪仪的机器人误差测量系统标定

为了测量出工业机器人的定位误差,根据工业机器人定位误差测量系统的特点,采用基于距离约束的方法实现了了机器人Tool0坐标系与测量靶标坐标系之间的位置矩阵(工具坐标系)的自动化标定过程,同时分步实现了机器人基坐标系与测量设备基坐标系之间的位姿矩阵(基坐标系)自动化标定过程;建立了基于激光跟踪仪的工业机器人定位误差测量系统,并根据测量数据具体标定出了涉及到的各个坐标系,验证了算法的有效性,为工业机器人定位误差的测量打下了基础。     

基于激光跟踪仪的机器人抛光工具系统标定

针对机器人抛光工具系统传统标定方法精度低的问题,提出了一种基于激光跟踪仪的工具系统标定新方法。介绍了机器人抛光系统,并定义了系统的一系列坐标系,为后续的讨论奠定基础。利用激光跟踪仪分别测量机器人法兰盘坐标系位姿和工具坐标系位姿,最终获得两者之间的坐标变换关系。通过试验对机器人抛光工具坐标系进行标定,取得了较好的效果,验证了该理论的有效性和正确性。     

微小磁性零件装配设备自动标定及误差补偿

为了实现微小磁性零件装配设备的精密装配任务,弥补加工误差和安装误差带来的系统精度损失,提出了一套自动标定及误差补偿方法。依照设备布置形式建立了不同模块的坐标系,提取影响装配精度的全部误差参数。根据导轨的位置关系建立了模块之间的运动转换模型,进而推导出基于装配任务的误差补偿模型。以设备中的机器视觉系统作为测量工具,同时设计专用标定板。通过观察各模块运动前后特征点的坐标变化对误差参数进行测量和辨识,并使用粒子群算法对参数进行了全局优化。基于开发的自动标定软件,在装配区域进行了标定和验证实验。实验结果表明,补偿后的系统开环控制精度在6μm以内,满足设备的装配精度需求。该方法为微小零件装配设备提供了自动化、高精度和高效率的标定方案。     

基于光学导航的手术辅助机器人快速自标定方法

机器人末端工具TCP点的标定是提高机器人末端工具绝对定位精度的基础,因此研究快速、准确的TCP自标定方法对于手术辅助机器人的顺利应用至关重要。以光学导航为基础,结合并联机构运动学及空间坐标系变换理论,提出了1种可用于手术辅助的机器人的快速自标定方法。该方法为非接触式测量,具有校准快速、操作简便、精度高等优点。结合课题对该方法进行实验验证,实验表明:经过该方法的标定,TCP点的绝对定位精度满足手术要求。     

基于误差标定的医疗机器人视觉跟踪方法研究

影像在疾病诊断和手术计划中占有重要地位,随着机器人技术的发展以及微创手术的广泛采用,影像与机器人构成一体,形成计算机集成外科手术系统。影像不仅是疾病诊断的重要工具,它也对手术机器人进行定位、引导,对手术器械进行跟踪和控制。由于视觉和机器人具有各自的坐标系统,它们之间存在误差,当在视觉空间控制机器人运动时,该误差会映射到机器人的轨迹上。在前期手术计划、机器人视觉控制、自动显微操作的研究成果基础上,研究计算机集成外科中的手术机器人轨迹精确控制问题。采用机器人在视觉空间的运动误差对视觉系统和机器人系统间的坐标系误差进行标定,从而精确控制机器人的轨迹。误差标定方法只需要让机器人走三个点就可以完成系统坐标标定。在实验中,利用视觉系统控制机器人运动,模仿微创手术中对机器人末端器械的导引,结果表明,采用递归标定方法可以将机器人的轨迹误差控制在2个像素范围内。     

基于对偶四元数的机器人基坐标系标定方法研究

针对借助激光跟踪仪标定机器人所涉及的坐标系统一问题,对基于空间几何法拟合建立的基坐标系与机器人理论基坐标系的转换关系进行了研究,提出了一种基于对偶四元数法的机器人基坐标系标定方法。利用指数积公式推导了七自由度串联机器人正运动学,建立了基于对偶四元数表示法的机器人基坐标系标定模型,该模型将拟合建立的基坐标系与机器人理论基坐标系之间坐标转换的旋转与平移过程进行了统一描述。研究结果表明,该标定方法可一次性计算出标定方程的旋转部分和平移部分,避免了传统位姿分步计算过程中的误差传递,直接提高了标定精度。这些结论可对于类似机器人手眼标定、多机器人协作基坐标系标定问题提供参考。     

一种结合 TCP 标定的深度相机手眼标定方法

手眼标定是机器人实现视觉引导下精准作业中的关键技术。传统手眼标定和机器人工具中心点(TCP)标定分开进行,存在较大累积误差,同时针对深度相机的手眼标定存在精度不足的缺点。本文提出了一种结合TCP标定过程同步标定深度相机手眼关系的新方法。方法基于深度相机观测和TCP标定相同的标定平面,相机坐标系下标定平面方程和机械臂坐标系下标定平面方程为对应关系,通过平面方程之间的变换来计算手眼关系。本文方法减少了TCP和手眼关系独立标定累积误差影响,节约标定时间和标定件成本。仿真和实测结果表明,本文方法提高了深度相机手眼标定精度,标定后实测位置误差平均为0.2 mm,为机器人视觉控制系统高精度作业所需标定提供了一种新的思路。     

Full-pose calibration of a robot manipulator using a coordinate-measuring machine

The work reported in this article addresses the kinematic calibration of a robot manipulator using a coordinate measuring machine (CMM) which is able to obtain the full pose of the end-effector. A kinematic model is developed for the manipulator, its relationship to the world coordinate frame and the tool. The derivation of the tool pose from experimental measurements is discussed, as is the identification methodology. A complete simulation of the experiment is performed, allowing the observation strategy to be defined. The experimental work is described together with the parameter identification and accuracy verification. The principal conclusion is that the method is able to calibrate the robot successfully, with a resulting accuracy approaching that of its repeatability.     

一种不完全补偿机器人标定方法

为了避免修改影响机器人逆运动学模型的参数,分析了绝对定位误差的主要来源,以及标定需要保证的前提条件。在此基础上介绍了一种标定方法,该方法利用三坐标测量仪对机器人六个关节分别进行测量,生成六组点云,对每组点云采用最小二乘法拟合平面及圆。根据D-H参数的定义,计算出容易补偿的各参数实际值,并依据计算结果对参数进行了补偿。通过实验证明,该方法有效提高了绝对定位精度,使精度能够满足实际工程需要,而且操作简单方便,实用性强。     

Kinematic parameter calibration method for industrial robot manipulator using the relative position

A new calibration method for industrial robot system calibration on a manufacturing floor is presented in this paper. To calibrate the robot system, a laser sensor to measure the distance between robot tool and measurement surface is attached to the robot end-effector and a grid is established in the floor. Given two position command pulses for a robot manipulator and using the position difference between two command pulses, the relative position measurement calibration method will find the real robot kinematic parameters. The procedures developed have been applied to an industrial robot. Finally, the effects of the models used to calibrate the robot are discussed. This calibration method represents an effective, low cost and feasible technique for the industrial robot calibration in lab. projects and industrial environments.     

Absolute robot calibration with a single telescoping ballbar

A novel 6D measurement system was recently proposed, comprising a single commercially available telescoping ballbar and two custom-made fixtures. One fixture is attached to the robot base and the other to the robot end-effector, and each having three magnetic cups. In each of 72 poses of the tool fixture, with respect to the base fixture, it is possible to measure six distances with the ballbar between the magnetic cups on the tool fixture and the magnetic cups on the base fixture, and thus calculate the pose with high accuracy. This paper is the first to present the successful use of this measurement system for absolute robot calibration. The robot calibrated is a Fanuc LR Mate 200iC six-axis industrial robot and the telescoping bar used is the QC20-W by Renishaw. The absolute position accuracy of the robot after calibration is validated with a Faro laser tracker in almost 10,000 robot configurations. Considering the validation data in only the front/up configurations, the mean absolute positioning error is improved from 0.873 mm to 0.479 mm. To allow a comparison, the robot is also calibrated using the laser tracker and the robot accuracy validated in the same 10,000 robot configurations.     

一种高精度机器人手眼标定方法

手眼系统的标定是机器人视觉中的一个重要研究内容,标定的准确性直接影响机器人的作业精度。对于机器人眼在手系统,介绍了标定的原理并给出标定方程的求解方法。指出摄像机外参是构建标定方程的重要数据,为确保摄像机外参的准确性,提出利用图像校正的原理对摄像机外参进行验证。通过对基于标定方程的精度影响因素进行分析,对标定过程中的机器人运动轨迹进行规划。最后通过实验,对比了摄像机外参筛选前后的标定结果,证明经过摄像机外参筛选后,对标定精度和稳定性有一定提高,展示了实验过程中各步骤的完整数据,并验证了最终的标定精度。     

基于改进IGG3权函数距离误差模型的工业机器人标定

在工业机器人的标定过程中,测量粗差数据会对标定结果精度产生影响,为此,提出了一种基于改进IGG3权函数距离误差模型的工业机器人标定方法,将改进的IGG3权函数最小二乘辨识算法用于工业机器人距离误差标定中,以进一步提高工业机器人的标定精度。以SR4C型工业机器人为研究对象,建立了机器人距离误差数学模型,进行了IGG3权函数最小二乘辨识算法的理论研究。构建了机器人标定实验系统,进行了基于改进IGG3权函数距离误差模型的工业机器人标定实验,实验结果表明,所提方法可有效减小粗差数据对标定精度的影响。该方法可用于工业机器人标定和校准领域,以提高工业机器人定位精度。     

基于手眼系统的线结构光焊缝跟踪系统设计

为了实现一般手眼系统与线结构光焊缝跟踪系统主要部件的复用,在一般手眼系统的基础上,加装激光器、滤光片、保护装置等设备,将其用作焊缝跟踪系统中的线激光结构光焊缝跟踪传感器。通过实验对原手眼系统的标定结果进行实验修正,使其可以替代线结构光焊缝跟踪传感器的标定。详细分析了安装激光器、滤光片、保护装置等对原手眼标定结果造成的影响,使用数据逼近的方法提高线激光结构光焊缝跟踪传感器的手眼标定精度;实验时先对手眼系统进行标定,得到相机坐标系到工具坐标系的原外参矩阵;再对使用原外参矩阵得到的焊点数据,与焊点的实际坐标的误差进行分析,修正手眼系统标定结果。通过实验验证了本方法在手眼系统标定结果基础上,进行加装机构后的线结构光焊缝跟踪传感器的手眼标定的平均精度可达0.53 mm,能够满足机器人焊接的需求。     

通用机器人视觉检测系统的全局校准技术

介绍了基于通用机器人的车身在线柔性视觉检测系统的工作原理和在复杂现场环境下使用激光跟踪仪和测量臂进行全局校准的实用方法。基于测量姿态的全局校准方法利用机械约束将传感器坐标系和靶标坐标系统一起来,实现测量姿态时传感器坐标系与系统基准坐标系的坐标转换。基于机器人运动学模型的全局校准方法利用机器人末端关节位姿可通过正向运动学获知的特点,在现场构建机器人基坐标系,并通过坐标变换获得与机器人运动精度无关的手眼关系,实现了任意姿态时的全局校准。实际测量的结果表明,应用两种校准方法后系统的重复性精度都十分理想,测量装置重复测量标准差和系统重复测量标准差分别为0.07mm和0.13mm,能够满足在线监控白车身加工尺寸变化的精度要求;系统进行坐标测量时的误差分别为±0.2mm和±0.8mm。