快速完成6自由度工业机器人的工具校准

随着机器人变得日益成熟,它们已经能够应用到处理越来越多的工业工序。6自由度(6Dof)机器人能够执行复杂的动作,因而可以在许多复杂的工业任务当中展示良好的性能,比如码垛、搬运、涂胶和焊接等。6自由度机器人可以提举和灵活地操纵重型载荷,并通过复杂的几何运动对载荷进行精确操控。

基于其良好的性能和灵活性,6自由度机器人被用来与各种工具相结合,应用于许多不同的任务。但是,每次引入新的工具时,都需要进行精确的重新校准,然后才能发挥这种机器人的能力。重新校准经常既耗费时间又不准确,妨碍了工业过程的顺利运作,对生产造成拖延。

Servotronix创造了一种有效的位置示教方法,可以对6自由度机器人所使用的新工具进行快速校准,并且不必依赖制造商测量或外部传感器。该方法简单、准确,对实际应用非常有效。

校准

6自由度机器人执行任务时需要对工具进行保持和移动。为了达到令人满意的性能,机器人在工作时必须知道工具的精确位置。每次装配不同工具时,机器人都必须再次精确地校准。

校准6自由度机器人有不同的方法。比如与参考部件接触,使用距离传感器,以及使用激光干涉仪测量等。此外,可以将外部传感器,比如摄影系统,装在机器人的不同位置,以便获取机器人校准参照物体的精确位置。

这些方法既耗费时间,又比较复杂。Servotronix开发了一款更加简单的方法,并且已经实现了卓越的结果。以下我们将对该方法加以说明。

确定工具中心点

我们使用运动学校准方法来确定工具中心点(TCP),所有机器人定位都是以该点为基准加以定义。TCP定义在世界坐标系下 – 可对世界上的任何一点进行定位的笛卡尔坐标系统 。该坐标系统相对于所述机器人将始终保持静止。

工具坐标系

工具坐标系定义了工具的位置和姿态,并且将坐标的零点设在工具的中心点(TCP)。机器人的TCP将会随着其执行笛卡尔运动而移动到已编程位置。更换工具将会改变工具的坐标系,因此需要重新校准,以便使新的TCP准确到达目标位置。

在许多机器人应用当中,TCP的运动轨迹意味着机器人工作空间内的复杂路径,通常为一条变姿态的工具直线路径。此工具本身需要偶尔更换,甚至需要频繁更换。每次更换工具时,在机器人恢复操作之前,必须确定并配置一组新的几何参数。

在大多数工业应用当中,对于机器人任务编程来说,位置示教是最实用的方法。使用这种方法时,必须具备高精度的工具参数(通常来自制造商),包括工具的角偏移(偏航,俯仰和翻滚)以及笛卡尔偏移,以便生成具有可控的工具姿态的直线路径。

但不幸的是,操作者经常会发现工具的几何参数识别会受到某些制约,比如说:(1)没有来自制造商关于工具尺寸的资料;(2)没有可用的硬件协助;(3)无法得知如何将工具安装到机器人法兰。在面临这些限制时,每次更换工具,操作者都必须浪费大量时间去校准工具。

快速完成6自由度工业机器人的工具校准

精确评估简化标定

Servotronix已经开发出一种方法,用于快速和精确地估算工具几何参数,无需外部传感器、视觉或其他协助,也无需拆卸工具。在这种位置示教方法当中,操作者只需将6自由度机器人的TCP放在几个不同的位姿,然后自动输入Servotronix的工具尺寸评估算法。该算法可以快速确定新工具的精确校准参数,从而使工具快速投入使用。

这种校准方法的精度将会随着工具位姿样本的增加而提高。我们的实验表明,使用逆齐次转换矩阵未必能够生成期望的结果,但使用最小二乘法将可产生精确的校准值。

Servotronix的方法

我们使用一个配有工具的6自由度机器人,六个Servotronix高性能CDHD伺服驱动器,以及Servotronix softMC控制器进行测试。我们的方法只涉及分析计算而无需拆卸工具。我们只评估XYZ尺寸,并且假设工具的端点处于恒定的笛卡尔坐标位置。

不证自明的是,所有指向同一位置的机器人姿态必须位于一个球体上,并且工具端点位于球体中心:

快速完成6自由度工业机器人的工具校准

通过对球体上的点进行测量,即可计算TCP。

快速完成6自由度工业机器人的工具校准


其中t代表中心

R2 = (X - Xt)2 + (Y - Yt)2 + (Z – Zt)2

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