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一种工业机器人零位标定方法
【专利摘要】本发明公开了一种机器人零位标定方法，包括：将双轴倾角传感器安装在2轴上，并保持倾角传感器坐标系与2轴坐标系的平行关系，通过控制1、2轴运动同时获得机器人底座的两个倾斜角（即参考零位）和2轴的零位角；然后将双轴倾角传感器安装在6轴上，保持倾角传感器坐标系与机器人6轴坐标系的平行关系，通过辨识的方法获得3-6轴的零位。本发明仅需进行两次仪器安装及人工操作即可实现整个机器人的零位标定，节省了辅助夹具以及机器人安装面（或安装孔）的制造费用，并可提高机器人的零位对准精度，节省了零位标定的操作时间。
【专利说明】一种工业机器人零位标定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于工业机器人的标定技术，特别是一种6自由度工业机器人的关节零位标定方法。
【背景技术】
[0002]机器人精度有重复定位精度和绝对定位精度之分，前者主要决定于关节回差、控制分辨率等因素，后者则主要由DH参数、关节及连杆变形等误差组成。随着机器人专用减速器及伺服控制系统的应用，机器人重复定位精度已趋近当前制造技术的极限水平，而绝对定位精度仍有很大的提升空间。近年来，离线编程技术、机器人视觉控制技术等新技术的应用层出不穷，对机器人绝对定位精度的要求也越来越高。
[0003]在影响机器人绝对定位精度的因素中，零位误差所占比重高达97%，成为必须首要解决的机器人误差因素。机器人零位误差是指机器人各活动关节在初始位置(即机器人零位值)时的相对误差值。机器人零位标定的目标是则是对零位误差值进行辨识和补偿。当前的机器人零位标定方法主要可分为两类，一类是通过算法辨识的方法，即首先建立零位误差的误差模型，再借助外界测量设备或几何约束关系对误差进行离线或在线辨识，如Newman 在 “Calibration of a Motoman P8 robot based on laser tracking，，一文中提出的基于激光线约束的标定方法，南京理工大学的刘永在“Development and SensitivityAnalysis of a Portable Calibration System for Joint Offset ofIndustrial Robot，，一文中提出的基于PSD测量的点约束标定方式，MIT的Meggiolaro在“Manipulatorcalibration using a single endpoint contact constraint，，一文中提出的基于末端点约束的标定方式；另一类零位标定方法是通过机器人处于零位值时的几何关系(水平或垂直)确定零位值，如OTC机器人采用的轴销定位方法，这种方法需要事先在机器人本体上加工出各轴对应的对准孔(或辅助工装)，机器人零位校准时依次移动机器人的1-6个关节，靠插入定位销的方式实现机器人零位的校准。以上两种方法中，前一种方法虽然精度较高，但操作过程繁复、测量设备昂贵等方面的原因一般用于科研活动中，后一种方法则因为原理简单、方法实用，已被机器人制造商广泛采用。
[0004]虽然后一种方法操作简便，但需要事先对机器人的定位孔或定位面进行加工，并制造出相应的辅助工装夹具，且校准过程需要各轴逐次校准，每校准一次均需安装相应的夹具(一般6自由度的机器人至少需要安装4次)，校准时需要不断调整机器人关节，整个过程十分耗时且精度远不及前一种方法。
【发明内容】
[0005]鉴于以上内容，有必要提出一种精确、省时的机器人零位标定方法。
[0006]为达到上述目的，本发明采用的一个技术方案是:调整机器人I轴至初始位置，并在机器人2轴上安装双轴倾角传感器，安装时使倾角传感器的X轴及Y轴分别与机器人2轴建模坐标系的X轴和Y轴平行；调整机器人的2轴使其坐标系的X轴至水平状态，即使双轴倾角传感器的X轴显示为O，并记录Y轴的读数β ;锁定机器人2-6轴，将机器人I轴从初始位置转动180°，记录双轴倾角传感器X轴的读数λ ;将机器人I轴返回至初始位置，2轴移动至α = λ /2角位置，将此位置设为双轴倾角传感器的参考零位，并将此位置确定为2轴的零位；将双轴倾角传感器安装在机器人6轴法兰上，，安装时保证倾角传感器的X轴及Y轴与机器人6轴建模坐标系的X轴和Y轴之间的平行关系；通过参数辨识的方法获得3-6轴的零位误差；利用步骤1-5获得的机器人零位偏差Λ Θ2-Λ θ6对机器人进行零位补偿，完成标定。
[0007]优选的，步骤①至步骤⑥所述机器人1-6轴分别为实现机器人1-6个自由度的驱动轴或传动臂。
[0008]优选的，步骤①所述的机器人2轴建模坐标系的Z轴与机器人2轴关节轴线到3轴关节轴线的公垂线方向平行，Y轴与机器人2轴关节轴线平行，X轴参考右手定则确定。
[0009]优选的，步骤⑤所述的机器人6轴建模坐标系的X轴及Y轴(或Y轴及X轴)分别与6轴的关节轴线及5轴关节轴线平行，Z轴方向参考右手定则确定。
[0010]优选的，步骤②及步骤⑤所述的α角及β角分别为机器人在初始位置时沿X轴和Y轴的底面倾斜角。
[0011]优选的，步骤④所述的机器参数辨识方法中机器人3-6轴的关节零位误差Λ Θ3-Λ θ6具体步骤为:首先获得双轴倾角传感器测量角λ和β与3-6轴
关节角θ3-θ6之间的关系式，并对其求导得至“
【权利要求】
1.一种工业机器人零位标定方法，其特征在于步骤如下:
①调整机器人I轴至初始零位置，并在机器人2轴上安装双轴倾角传感器，安装时使倾角传感器的X轴及Y轴分别与机器人2轴建模坐标系的X轴和Y轴平行；
②调整机器人的2轴使其坐标系的X轴至水平状态，即使双轴倾角传感器的X轴显示为O，并记录Y轴的读数β ；
③锁定机器人2-6轴，将机器人I轴从初始位置转动180°，记录双轴倾角传感器X轴的读数入;
④将机器人I轴返回至初始零位置，2轴移动至α= λ /2的角位置，将此位置设为双轴倾角传感器的参考零位，并将此位置确定为2轴的零位；
⑤将双轴倾角传感器安装在机器人6轴法兰上，，安装时保证倾角传感器的X轴及Y轴与机器人6轴建模坐标系的X轴和Y轴之间的平行关系；通过参数辨识的方法获得3-6轴的零位误差；
⑥利用步骤1-5获得的机器人零位偏差△Θ3-Λ 06对机器人进行零位补偿，完成标定。
2.根据权利要求1所述的机器人零位标定方法，其特征在于步骤①至步骤⑥所述机器人1-6轴分别为实现机器人1-6个自由度的驱动轴或传动臂。
3.根据权利要求1所述的机器人零位标定方法，其特征在于步骤①所述的机器人2轴建模坐标系的Z轴与机器人2轴关节轴线到3轴关节轴线的公垂线方向平行，Y轴与机器人2轴关节轴线平行，X轴参考右 手定则确定。
4.根据权利要求1所述的机器人零位标定方法，其特征在于步骤⑤所述的机器人6轴建模坐标系的X轴及Y轴(或Y轴及X轴)分别与6轴的关节轴线及5轴关节轴线平行，Z轴方向参考右手定则确定。
5.根据权利要求1所述的机器人零位标定方法，其特征在于步骤②及步骤⑤所述的α角及β角分别为机器人在初始位置时沿X轴和Y轴的底面倾斜角。
6.根据权利要求1所述的机器人零位标定方法，其特征在于步骤④所述的机器参数辨识方法中机器人3-6轴的关节零位误差Λ Θ3-Λ θ6具体步骤为: ①首先获得双轴倾角传感器测量角λ和β与3-6轴关节角θ3-θ6之间的关系式，并对其求导得到:
【文档编号】B25J9/10GKSQ
【公开日】日
申请日期:日
优先权日:日
【发明者】冯亚磊, 曲道奎, 徐方, 李学威
申请人:沈阳新松机器人自动化股份有限公司一种六自由度工业机器人的制作方法
专利名称一种六自由度工业机器人的制作方法
技术领域—种六自由度工业机器人技术领域[0001]本实用新型涉及工业机器人领域，特别是指一种六自由度工业机器人。
背景技术[0002]目前市场上现有的六自由度机器人基本一样，都是采用串联方式，这样的机器人在运动时不可避免地会出现奇异点，造成机器人自由度减少，在实际应用中造成诸多不便。 目前普遍采用的是通过在机器人运动中避开奇异点来解决这个问题，或者通过研究新型的机器人算法解决，但目前还没有十分合理便利的解决方案。实用新型内容[0003]本实用新型提出一种六自由度工业机器人，其将串联机构与并联机构结合设计成具有并联大转动手腕的六自由度工业机器人，本实用新型结构形式新颖特殊，而且可以实现大角度转动，刚性好，同时由于加上并联手腕，使得该机器人不存在一般六自由度机器人不可避免的奇异点，从而使机器人的动作更敏捷、更流畅。[0004]本实用新型的技术方案是这样实现的[0005]一种六自由度工业机器人，包括第五部件和第六部件，所述第五部件与所述第六部件通过双转动副连接；所述第六部件包括下底座和四个第三连杆，所述第三连杆均匀设置于所述下底座外侧；所述第五部件包括第一驱动机构，所述第一驱动机构包括第一线性模组、与所述第一线性模组连接的第一曲柄滑块机构以及与所述第一曲柄滑块结构连接的第一连杆，所述第一连杆与第一驱动臂连接；所述第五部件还包括第二驱动机构，所述第二驱动机构包括第二线性模组、与所述第二线性模组连接的第二曲柄滑块结构以及与所述第二曲柄滑块结构连接的第二连杆，所述第二连杆与第二驱动臂连接；所述第一线性模组和所述第二线性模组分别带动所述第一曲柄滑块结构和所述第二曲柄滑块机构做线性运动， 从而分别带动所述第一连杆和所述第二连杆做线性运动，分别带动所述第一驱动臂和所述第二驱动臂转动，带动所述第五部件和所述第六部件共同转动。[0006]进一步的，所述六自由度工业机器人还包括包括基座、第一部件、第二部件、第三部件和第四部件；所述第五部件一端设置于所述第四部件的一端，所述第四部件另一端插设于所述第三部件内，所述第四部件可绕所述第三部件中心轴转动。[0007]更进一步的，所述第三部件一端可相对转动地设置于所述第二部件的一端，所述第三部件可绕第二部件一端中心轴转动；所述第二部件另一端可相对转动地设置于所述第一部件的一端，所述第二部件可绕所述第一部件一端转动；所述第一部件另一端设置于所述基座的顶端，所述第一部件可绕所述基座转动。[0008]进一步的，所述第五部件还包括上底座和两个从动臂，所述两个从动臂与所述第一驱动臂和所述第二驱动臂均匀设置于所述上底座外侧。[0009]进一步的，所述第六部件一端连接有连接各种夹具和焊枪工具的连接法兰。[0010]更进一步的，所述第五部件中的第一驱动臂、第二驱动臂和两个从动臂与所述第六部件中的四个第三连杆通过所述双转动副连接；所述上底座和所述下底座最大可形成 100度转角。[0011]更进一步的，所述第五部件和所述第六部件驱动机构可选用伺服电机和步进电机。[0012]本实用新型的有益效果是本实用新型结构形式新颖特殊，而且可以实现大角度转动，刚性好。本实用新型实现机器人各个关节的旋转和俯仰，特别是并联大转动手腕的设计，可以实现手腕的大角度转动，且将一般六自由度工业机器人的第五轴第六轴用并联手腕代替，可使得一般六自由度机器人的奇异点消失，从而使机器人运动更敏捷，轨迹更平滑流畅。
[0013]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0014]图I为本实用新型一种六自由度工业机器人一个实施例的平面结构示意图；[0015]图2为图I所示六自由度工业机器人的A局部放大结构示意图；[0016]图3为图I所示六自由度工业机器人的俯视结构示意图。[0017]图中基座I ;第一部件2 ;第二部件3 ;第三部件4 ;第四部件5 ;第五部件6 ;第一驱动臂61 ;第二驱动臂62 ;第一驱动机构63 ;第一线性模组631 ;第一曲柄滑块机构632 ； 第一连杆633 ;第二驱动机构64 ;第二线性模组641 ;第二曲柄滑块机构642 ;第二连杆643 ； 上底座65 ;从动臂66 ;第六部件7 ;下底座71 ;连接法兰72 ;第三连杆73 ;双转动副74。
具体实施方式
[0018]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。[0019]根据图I-图3所示的优选实施例，一种六自由度工业机器人，包括基座I、第一部件2、第二部件3、第三部件4、第四部件5、第五部件6和第六部件7 ;所述第一部件2 —端设置于所述基座I的顶端，所述第二部件3 —端可相对转动地设置于所述第一部件2的另一端，所述第三部件4 一端可相对转动地设置于所述第二部件3的另一端，所述第四部件5 一端设置于所述第三部件4 一端相邻的另一端，所述第五部件6 —端设置于所述第四部件 5的另一端，所述第五部件6与所述第六部件7通过双转动副74连接；所述第五部件6包括第一驱动臂61、第二驱动臂62、第一驱动机构63和第二驱动机构64，所述第一驱动臂61 和所述第二驱动臂62设置于所述第五部件6外侧，所述第一驱动机构63和所述第二驱动机构64分别设置于所述第四部件5外侧；所述第一驱动机构63包括第一线性模组631、与所述第一线性模组631连接的第一曲柄滑块机构632以及与所述第一曲柄滑块结构632连接的第一连杆633，所述第二驱动机构64包括第二线性模组641、与所述第二线性模组641连接的第二曲柄滑块结构642以及与所述第二曲柄滑块结构642连接的第二连杆643，所述第一连杆633与所述第一驱动臂61连接，所述第二连杆643与所述第二驱动臂62连接；所述第一驱动机构63中的第一线性模组631和所述第二驱动机构64中的第二线性模组641 分别带动所述第一曲柄滑块结构632和所述第二曲柄滑块机构642做线性运动，从而带动所述第一连杆633和所述第二连杆643线性运动，带动所述第一驱动臂61和所述第二驱动臂62转动，从而带动所述第五部件6和所述第六部件7共同转动；在驱动力的作用下，所述六自由度工业机器人通过对上述六个部件的协调来进行操作。[0020]所述第一部件2 —端与所述基座I顶端连接，所述第一部件2可在基座I顶端做旋转运动，所述第一部件2中心轴即为所述六自由度机器人的腰关节，所述第一部件2可绕腰关节做360度旋转运动。[0021]所述第二部件3 —端可相对转动地设置于所述第一部件2的另一端，所述第一部件2另一端中心轴即为所述六自由度机器人的肩关节，所述第二部件3可绕所述肩关节做相对旋转运动。[0022]所述第三部件4 一端可相对转动地设置于所述第二部件3的另一端，所述第二部件3另一端即为所述六自由度机器人的肘关节,所述第三部件4可绕所述肘关节做相对旋转运动。所述第四部件5 —端设置于所述第三部件4 一端相邻的另一端，所述第四部件5 中心轴即为所述六自由度机器人的臂，所述第四部件5可绕所述臂做旋转运动。[0024]所述第五部件6还包括上底座65和两个从动臂66，所述两个从动臂66与所述第一驱动臂61和所述第二驱动臂62均匀设置于所述第五部件6外侧；所述第六部件7包括下底座71、连接法兰72和四个第三连杆73，所述第三连杆73均匀设置于所述第六部件7 外侧，所述连接法兰72设置于所述第六部件7 —端。[0025]固接于所述第四部件5外侧的所述第一驱动机构63和所述第二驱动机构64带动所述第一线性滑组631和所述第二线性滑组641做线性运动，带动所述第一连杆633和所述第二连杆643运动，从而带动所述第一驱动臂61和所述第二驱动臂62转动，从而使所述第五部件6和所述第六部件7共同转动，所述第五部件6和所述第六部件7组成所述六自由度机器人的腕关节，所述腕关节为并联机构连接。[0026]所述第五部件6中的第一驱动臂61、第二驱动臂62和两个从动臂66与所述第六部件7中的四个第三连杆73通过所述双转动副74连接，所述上底座65和所述下底座71 最大可形成100度转角；所述连接法兰72可连接各种夹具和焊枪工具，便于进行各种工业操作。[0027]所述第五部件6和所述第六部件7驱动机构可选用伺服电机和步进电机，驱动手腕的驱动机构优先选用功率相对较小的电机，所述电机的减速器可选用普通减速器和谐波减速器，优先选用普通减速器，可降低机器人的整体成本。[0028]所述六自由度工业机器人的工作原理是所述六自由度工业机器人在实际工作过程中可实现机器人在空间运动的三个姿态，包括俯仰、滚转和偏航，其可以实现任意位置和任意姿势的运动，便于进行各种工业操作。[0029]本实用新型实现机器人各个关节的旋转和俯仰，特别是并联大转动手腕的设计， 可以实现手腕的大角度转动，且将一般六自由度工业机器人的第五轴第六轴用并联手腕代替，可使得一般六自由度工业机器人的奇异点消失，从而使机器人运动更敏捷，轨迹更平滑流畅。[0030]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种六自由度工业机器人，其特征在于包括第五部件(6)和第六部件(7)，所述第五部件(6)与所述第六部件(7)通过双转动副(74)连接；所述第六部件(7)包括下底座(71)和四个第三连杆(73)，所述第三连杆(73)均匀设置于所述下底座(71)外侧；所述第五部件(6 )包括第一驱动机构(63 )，所述第一驱动机构(63 )包括第一线性模组(631)、与所述第一线性模组(631)连接的第一曲柄滑块机构(632)以及与所述第一曲柄滑块结构(632)连接的第一连杆(633)，所述第一连杆(633)与第一驱动臂(61)连接；所述第五部件还包括第二驱动机构(64)，所述第二驱动机构(64)包括第二线性模组(641)、与所述第二线性模组(641)连接的第二曲柄滑块结构(642)以及与所述第二曲柄滑块结构(642)连接的第二连杆(643)，所述第二连杆(643)与第二驱动臂(62)连接；所述第一线性模组(631)和所述第二线性模组(641)分别带动所述第一曲柄滑块结构(632)和所述第二曲柄滑块机构(642)做线性运动，从而分别带动所述第一连杆(633)和所述第二连杆(643)做线性运动，分别带动所述第一驱动臂(61)和所述第二驱动臂(62)转动，带动所述第五部件(6)和所述第六部件(7)共同转动。
2.根据权利要求I所述的六自由度工业机器人，其特征在于所述六自由度工业机器人还包括包括基座(I)、第一部件(2)、第二部件(3)、第三部件(4)和第四部件(5);所述第五部件(6)—端设置于所述第四部件(5)的一端，所述第四部件(5)另一端插设于所述第三部件(4)内，所述第四部件(5)可绕所述第三部件(4)中心轴转动。
3.根据权利要求2所述的六自由度工业机器人，其特征在于所述第三部件(4)一端可相对转动地设置于所述第二部件(3)的一端，所述第三部件(4)可绕第二部件(3)—端中心轴转动；所述第二部件(3)另一端可相对转动地设置于所述第一部件(2)的一端，所述第二部件(3 )可绕所述第一部件(2 ) 一端转动；所述第一部件(2 )另一端设置于所述基座(I)的顶端，所述第一部件(2)可绕所述基座(I)转动。
4.根据权利要求I所述的六自由度工业机器人，其特征在于所述第五部件(6)还包括上底座(65)和两个从动臂(66),所述两个从动臂(66)与所述第一驱动臂(61)和所述第二驱动臂(62)均勻设置于所述上底座(65)外侧。
5.根据权利要求I或4中所述的六自由度工业机器人，其特征在于所述第五部件(6)中的第一驱动臂(61)、第二驱动臂(62)和两个从动臂(66)与所述第六部件(7)中的四个第三连杆(73)通过所述双转动副(74)连接。
6.根据权利要求4中所述的六自由度工业机器人，其特征在于所述上底座(65)和所述下底座(71)最大可形成100度转角。
7.根据权利要求I所述的六自由度工业机器人，其特征在于所述第六部件(7)—端连接有连接各种夹具和焊枪工具的连接法兰(72 )。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的六自由度工业机器人，其特征在于所述第五部件(6)和所述第六部件(7)驱动机构可选用伺服电机和步进电机。
专利摘要本实用新型提出了一种六自由度工业机器人，包括基座、第一部件、第二部件、第三部件、第四部件、第五部件和第六部件；所述第五部件与所述第六部件通过双转动副连接；所述第六部件包括下底座和四个第三连杆；第一线性模组和第二线性模组分别带动第一曲柄滑块结构和第二曲柄滑块机构做线性运动，分别带动第一连杆和第二连杆做线性运动，分别带动第一驱动臂和第二驱动臂转动，带动所述第五部件和所述第六部件共同转动。本实用新型将串联机构与并联机构结合设计成具有并联大转动手腕的工业机器人，可以实现大角度转动；由于加上并联手腕，本实用新型不存在一般六自由度机器人不可避免的奇异点，从而使机器人动作更敏捷流畅，广泛应用于工业操作。
文档编号B25J9/00GKSQ
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者刘冠峰, 吴上伟, 俞春华, 杜浩藩, 石金博 申请人:东莞市李群自动化设备有限公司