机械手标定方法.pdf

本发明提供一种机械手标定方法，采用设有坐标系和标定孔的标定板，在机械手上设置感应器件，在固定有关关节的情况下使机械手运动，感应器件相应地作圆周运动，通过位于圆周轨迹上的标定孔的坐标计算机械手各关节臂的实际臂长、各关节臂角度方向。采用本发明方法可准确测定机械手各关节臂的实际臂长、各关节臂角度方向，这样可以纠正机械手加工、安装过程中的误差，提高机械手控制的位置精度，有利于机械手的精确定位。

1、  一种机械手标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一关节的坐标测定：
a.制作标定板，所述标定板上设有三个或三个以上标定孔，所述标定板上设定由横坐标轴和纵坐标轴构成的坐标系，所述横坐标轴和纵坐标轴的位置精度、坐标刻度精度符合机械手系统的精度要求，所述标定孔的位置精度符合机械手系统的精度要求，各所述标定孔在所述坐标系下的坐标已知；在机械手的除第一关节之外的任一关节上设置可感应所述所述标定孔的坐标的感应器件；将所述标定板置于使所述坐标系平行于机械手运动平面的位置且所述标定板对向所述感应器件，所述横坐标轴与机械手系统的一个坐标轴平行；第一关节为离机械手的操作端最远的关节；
b.使机械手的第一关节处于活动状态且位置固定、所述感应器件与第一关节之间的关节锁定；
c.机械手以第一关节为圆心运动得到圆形运动轨迹，选取所述感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置，通过与选取的三个或三个以上所述位置相关的所述标定孔的坐标计算得到选取的三个或三个以上所述位置在所述标定板坐标系中的坐标，根据选取的三个或三个以上所述位置的坐标计算第一关节的坐标；
除第一关节外的关节的初始坐标测定：
d.在机械手的待测关节靠近操作端一侧的任一关节上设置感应器件；采用步骤a中的标定板，所述标定板和第一关节二者之间的位置关系与步骤a中相同；
e.使机械手的待测关节位于开机后的初始位置且位置固定，待测关节处于活动状态、所述感应器件与待测关节之间的关节锁定；
f.机械手以待测关节为圆心运动得到圆形运动轨迹，选取所述感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置，通过与选取的三个或三个以上所述位置相关的所述标定孔的坐标计算得到选取的三个或三个以上所述位置在所述标定板坐标系中的坐标，根据选取的三个或三个以上所述位置的坐标计算待测关节的坐标；
各关节臂的长度测定：根据各关节臂各自两端关节的坐标计算关节臂的长度；或者，在除第一关节外的关节的初始坐标测定过程的步骤d中，在机械手的待测关节靠近操作端一侧的最近关节上设置感应器件，这样，步骤f中根据三个所述标定孔的坐标计算待测关节的坐标时得到的圆形轨迹的半径即为除第一关节臂外的关节臂的长度，这种情况下第一关节臂的长度测定过程为：在第一关节的初始坐标测定过程的步骤a中，在机械手的第一关节靠近操作端的最近一个关节上设置感应器件，这样，步骤c中根据三个所述标定孔的坐标计算第一关节的坐标时得到圆形轨迹的半径即第一关节臂的长度，第一关节臂为直接连接在第一关节上的关节臂。

2、  根据权利要求1所述的机械手标定方法，其特征在于：步骤c和步骤f中“选取所述感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置，通过与选取的三个或三个以上所述位置相关的所述标定孔的坐标计算得到选取的三个或三个以上所述位置在所述标定板坐标系中的坐标”的过程为：选定位于该圆形运动轨迹上的三个或三个以上所述标定孔作为“所述感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置”，被选定的三个或三个以上所述标定孔为“与选取的三个或三个以上所述位置相关的所述标定孔”，通过被选定的三个或三个以上所述标定孔的坐标计算得到选取的三个或三个以上所述位置在所述标定板坐标系中的坐标。

3、  根据权利要求1所述的机械手标定方法，其特征在于：所述标定板上设有方位孔；步骤c和步骤f中“选取所述感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置，通过与选取的三个或三个以上所述位置相关的所述标定孔的坐标计算得到选取的三个或三个以上所述位置在所述标定板坐标系中的坐标”的过程为：选取所述感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上所述位置，所述感应器件处于该三个或三个以上所述位置中的每一个时，所述感应器件捕捉到一个或一个以上方位孔及两个或两个以上标定孔，根据所述方位孔与所述标定孔的位置判断所述感应器件在所述坐标系中的方位，所述感应器件根据捕捉的所述标定孔中的两个及所述感应器件三者之间的位置关系和距离，结合该两个所述标定孔在所述坐标系中的坐标计算得到所述位置在所述标定板坐标系中的坐标。

4、  根据权利要求1、2或3所述的机械手标定方法，其特征在于：根据各关节臂各自两端关节的坐标计算关节臂与所述横坐标轴或纵坐标轴之间的夹角。

5、  根据权利要求4所述的机械手标定方法，其特征在于：在第一关节的坐标测定的步骤a中，感应器件设置在机械手的操作端；在除第一关节外的关节的初始坐标测定的步骤d中，感应器件设置在机械手的操作端。

6、  根据权利要求5所述的机械手标定方法，其特征在于：所述感应器件为数码摄像头。

机械手标定方法
【技术领域】
本发明涉及机械手，尤其是一种可准确测定机械手各关节臂的实际臂长、各关节臂角度方向的机械手标定方法。
【背景技术】
SCARA机械手广泛应用于工业自动化生产线，如：货物搬运、高速分选、在无尘环境下进行精密组装等等。这种产品在国外发展已日趋于成熟，如：日本TOSHIBA，雅玛哈，美国adept等等。
在结构上，这种机械手一般有三节关节臂：大臂、小臂、U轴，各关节臂之间连接有活动关节，关键参数如下：大臂长度L₁、小臂长度L₂、U轴长度L₃；各关节臂初始角度分别为θ₁、θ₂、θ₃。
高精度SCARA机械手的制造过程中，XY轴位置精度要求在0.01mm～0.05mm范围。由于零件加工过程可能产生误差，各部件组装在一起时也有可能产生装配误差，因此每台机械手装配完成后同一类臂长的实际长度都会有1mm左右的累积误差。对于高精度机械手，这个误差是不容忽视的。消除这种误差是保证机械手作业过程中的定位精度的重要前提。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种可准确测定机械手各关节臂的实际臂长、各关节臂角度方向的机械手标定方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种机械手标定方法，包括以下步骤：
第一关节的坐标测定：
a.制作标定板，标定板上设有三个或三个以上标定孔，标定板上设定由横坐标轴和纵坐标轴构成的坐标系，横坐标轴和纵坐标轴的位置精度、坐标刻度精度符合机械手系统的精度要求，标定孔的位置精度符合机械手系统的精度要求，各标定孔在坐标系下的坐标已知；在机械手的除第一关节之外的任一关节上设置可感应标定孔的坐标的感应器件；将标定板置于使标定板的坐标系平行于机械手运动平面的位置且标定板对向感应器件，标定板的横坐标轴与机械手系统的一个坐标轴平行；第一关节为离机械手的操作端最远的关节；在机械手的除第一关节之外的任一关节上设置感应器件都可以达到测定第一关节坐标的目的；
b.使机械手的第一关节处于活动状态且位置固定、感应器件与第一关节之间的关节锁定以使第一关节与感应器件之间的距离不变；这样，当机械手运动时感应器件可以以第一关节为圆心、感应器件与第一关节之间的直线距离为半径作圆周运动；感应器件与第一关节之间的关节锁定的目的是使感应器件以固定半径作圆周运动；
c.机械手以第一关节为圆心运动得到圆形运动轨迹，选取感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置，通过与选取的三个或三个以上位置相关的标定孔的坐标计算得到选取的三个或三个以上位置在标定板坐标系中的坐标，根据选取的三个或三个以上位置的坐标计算第一关节的坐标：圆周上任意一点到圆心的距离都等于半径，(x-x_o)²+(y-y_o)²＝R²，取圆形运动轨迹上三个不同的感应器件位置坐标(x，y)就可以计算得出第一关节的坐标(x_o，y_o)；
除第一关节外的关节的初始坐标测定：
d.在机械手的待测关节靠近操作端一侧的任一关节上设置感应器件；采用步骤a中的标定板，标定板和第一关节二者之间的位置关系与步骤a中相同；
e.使机械手的待测关节位于开机后的初始位置且位置固定，待测关节处于活动状态、感应器件与待测关节之间的关节锁定以使待测关节与感应器件之间的距离不变；
f.机械手以待测关节为圆心运动得到圆形运动轨迹，选取感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置，通过与选取的三个或三个以上位置相关的标定孔的坐标计算得到选取的三个或三个以上位置在标定板坐标系中的坐标，根据选取的三个或三个以上位置的坐标计算待测关节的坐标；计算过程与步骤c相同；
各关节臂的长度测定：根据各关节臂各自两端关节的坐标计算关节臂的长度，(x₁，y₁)和(x₂，y₂)分别为一个关节臂两端关节的坐标，该关节臂的长度为L=((x2-x1)2+(y2-y1)2);]]>或者，在除第一关节外的关节的初始坐标测定过程的步骤d中，在机械手的待测关节靠近操作端一侧的最近关节上设置感应器件，这样，步骤f中根据三个标定孔的坐标计算待测关节的坐标时得到的圆形轨迹的半径即为除第一关节臂外的关节臂的长度，这种情况下第一关节臂的长度测定过程为：在第一关节的初始坐标测定过程的步骤a中，在机械手的第一关节靠近操作端的最近一个关节上设置感应器件，这样，步骤c中根据三个标定孔的坐标计算第一关节的坐标时得到圆形轨迹的半径即第一关节臂的长度，第一关节臂为直接连接在第一关节上的关节臂。
在此基础上，进一步地：
当有足够多的标定孔位于步骤c和步骤f中的圆形轨迹上时，步骤c和步骤f中“选取感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置，通过与选取的三个或三个以上位置相关的标定孔的坐标计算得到选取的三个或三个以上位置在标定板坐标系中的坐标”的过程为：选定位于该圆形运动轨迹上的三个或三个以上标定孔作为“感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置”，被选定的三个或三个以上标定孔为“与选取的三个或三个以上位置相关的标定孔”，三个点可以确定一个圆的轨迹，被选定的三个或三个以上标定孔可以决定，通过被选定的三个或三个以上标定孔的坐标计算得到选取的三个或三个以上位置在标定板坐标系中的坐标。
当以不在步骤c和步骤f中的圆形轨迹上的标定孔的坐标作为计算的参照基础时，标定板上设有方位孔；步骤c和步骤f中“选取感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置，通过与选取的三个或三个以上位置相关的标定孔的坐标计算得到选取的三个或三个以上位置在标定板坐标系中的坐标”的过程为：选取感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置，感应器件处于该三个或三个以上位置中的每一个时，感应器件捕捉到一个或一个以上方位孔及两个或两个以上标定孔，根据方位孔与标定孔的位置判断感应器件在坐标系中的方位，感应器件根据捕捉的标定孔中的两个及感应器件三者之间的位置关系和距离，结合该两个标定孔在坐标系中的坐标计算得到感应器件位置在标定板坐标系中的坐标。具体实施本发明方法时，感应器件捕捉到的标定孔和方位孔具体是标定板上的哪一个标定孔或方位孔，可借助人工识别。
采用本发明方法进行标定，还可以根据各关节臂各自两端关节的坐标计算关节臂与横坐标轴或纵坐标轴之间的夹角。
作为本发明方法的一种具体形式，在第一关节的坐标测定的步骤a中，感应器件设置在机械手的操作端；在除第一关节外的关节的初始坐标测定的步骤d中，感应器件设置在机械手的操作端。
感应器件可以选用数码摄像头。
本发明的有益效果是：采用本发明方法可准确测定机械手各关节臂的实际臂长、各关节臂角度方向，这样可以纠正机械手加工、安装过程中的误差，提高机械手控制的位置精度，有利于机械手的精确定位。
【附图说明】
下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明作进一步的详细说明：
图1是本发明一种具体实施方式的原理示意图；
图2是本发明另一种具体实施方式中获取数码摄像头坐标的原理示意图。
【具体实施方式】
实施例一
图1示出了本发明一种具体实施方式的原理。这里采用的SCARA机械手有三个关节和三段关节臂：第一关节1、第二关节2、第三关节3、第一关节臂4、第二关节臂5、第三关节臂6，第三关节臂6的自由端D为机械手的操作端，第三关节臂6的自由端D设置有数码摄像头。
a.采用本发明方法需要制作一块标定板，标定板上设有多个(三个或三个以上)标定孔，标定板上设定由横坐标轴和纵坐标轴构成的坐标系，横坐标轴和纵坐标轴的位置精度、坐标刻度精度符合机械手系统的精度要求，标定孔的位置精度符合机械手系统的精度要求，各标定孔在标定板坐标系下的坐标已知；将标定板置于数码摄像头下方，使标定板的坐标系平行于机械手运动平面，标定板的横坐标轴与机械手系统的一个坐标轴平行，标定板对向数码摄像头，第一关节1在标定板上的投影位于标定板坐标系的原点。
数码摄像头运动过程中捕捉到标定板上的标定孔后，得到被捕捉标定孔的坐标。
机械手系统开机后，机械手伺服电机使能后运行到其默认的伸展位置即为初始位置，此时第一关节1、第二关节2、第三关节3、第一关节臂4、第二关节臂5、第三关节臂6的位置状态为初始状态。
b.在初始状态下，使第一关节1处于活动状态且位置固定，第二关节2、第三关节3、第一关节臂4、第二关节臂5、第三关节臂6锁定。
c.控制机械手运动，数码摄像头以第一关节1为圆心、数码摄像头与第一关节1之间的直线距离为半径做圆周运动，标定板上的多个标定孔位于数码摄像头的圆形运动轨迹上，数码摄像头捕捉位于圆形运动轨迹(图1中的圆周A)上的三个或三个以上标定孔，在捕捉到的标定孔中选取三个，根据该三个标定孔的坐标计算第一关节的坐标：圆周上任意一点到圆心的距离都等于半径，(x-x₁)²+(y-y₁)²＝R₁²，取三个不同的标定孔坐标(x，y)就可以计算得出第一关节的坐标(x₁，y₁)；
d-f.在初始状态下，使第二关节2处于活动状态且位置固定，第一关节1和第三关节3锁定，控制机械手运动，数码摄像头以第二关节2为圆心、数码摄像头与第二关节2之间的直线距离为半径做圆周运动，数码摄像头捕捉位于圆形运动轨迹(图1中的圆周B)上的三个或三个以上标定孔，在捕捉到的标定孔中选取三个，根据该三个标定孔的坐标计算第一关节的坐标：圆周上任意一点到圆心的距离都等于半径，(x-x₂)²+(y-y₂)²＝R₂²，取三个不同的标定孔坐标(x，y)就可以计算得出第一关节的坐标(x₂，y₂)；
在初始状态下，使第三关节3处于活动状态且位置固定，第一关节1和第二关节2锁定，控制机械手运动，数码摄像头以第三关节3为圆心、数码摄像头与第三关节3之间的直线距离为半径做圆周运动，数码摄像头捕捉位于圆形运动轨迹(图1中的圆周C)上的三个或三个以上标定孔，在捕捉到的标定孔中选取三个，根据该三个标定孔的坐标计算第一关节的坐标：圆周上任意一点到圆心的距离都等于半径，(x-x₃)²+(y-y₃)²＝R₃²，取三个不同的标定孔坐标(x，y)就可以计算得出第一关节的坐标(x₃，y₃)；
根据第一关节1、第二关节2、第三关节3的坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₂)和(x₃，y₃)可以计算第一关节臂4的臂长(即R₁)、第二关节臂5的臂长(即R₂)和第三关节臂6的臂长(即R₃)；
根据第一关节1、第二关节2、第三关节3的坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₂)和(x₃，y₃)也可以利用三角函数计算第一关节臂4、第二关节臂5、第三关节臂6各自与横坐标轴或纵坐标轴之间的夹角。
根据以上计算结果，可以得到初始状态下第一关节臂4、第二关节臂5、第三关节臂6的实际臂长及各自角度方向，通过这些参数可以对机械手系统的误差进行调整，以提高机械手的定位精度。
上述标定过程中，数码摄像头的运动轨迹都位于标定板的范围之内。各关节坐标的测定过程中，第一关节1在标定板坐标系中的坐标位置不变。
实施例二
该实施例与实施例一的不同在于“选取感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置，通过与选取的三个或三个以上位置相关的标定孔的坐标计算得到选取的三个或三个以上位置在标定板坐标系中的坐标”的过程不同：选取感应器件在该圆形运动轨迹上的三个或三个以上位置，感应器件处于该三个或三个以上位置中的每一个时，感应器件捕捉到一个或一个以上方位孔及两个或两个以上标定孔，根据方位孔与标定孔的位置判断感应器件在坐标系中的方位，感应器件根据捕捉的标定孔中的两个标定孔及感应器件三者之间的位置关系和距离，结合该两个标定孔在坐标系中的坐标计算得到数码摄像头位置在标定板坐标系中的坐标。
感应器件为数码摄像头。图2为数码摄像头位于自身圆形运动轨迹上的一个被选取位置时所捕捉到的两个标定孔11、12和方位孔13，十字星10为数码摄像头的中心在标定板上的投影位置，根据方位孔13与标定孔11、12的位置判断数码摄像头在标定板坐标系中的方位，根据数码摄像头捕捉到的数码图像中方位孔13与标定孔11、12三者之间的距离可以确定方位孔13与标定孔11、12三者构成的三角形关系，得到该三角形三条边的长度，再结合标定孔11、12在标定板坐标系中的坐标计算得到数码摄像头位置在标定板坐标系中的坐标。
本发明方法也适用于其它关节数目和关节臂数目的机械手的标定。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。