CN109822574B

CN109822574B - 一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法

Info

Publication number: CN109822574B
Application number: CN201910213295.3A
Authority: CN
Inventors: 高培阳; 朱志红
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: CN109822574A

Abstract

本发明属于工业机器人标定领域，并公开了一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法。该方法包括下列步骤：(a)在六维力传感器测量过程中，构建关于传感器上测量的力、力矩和位移的关系式，传感器上力和力矩的零点值与所述负载工具质量中心的关系式；(b)采集多个姿态下六维力传感器测量的力和力矩的数据，采用最小二乘法计算获得六维传感器力和力矩的零点值；(c)构建关于负载工具重力的关系式并计算；(d)构建关于传感器坐标系与末端法兰坐标系沿Z轴上的安装角的关系式并以此计算。通过本发明，缩短标定时间，对标定结果进行补偿后提高测量精度。

Description

一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法

技术领域

本发明属于工业机器人标定领域，更具体地，涉及一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法。

背景技术

工业机器人广泛应用于工业生产的各个领域，在有些需要工业机器人与环境接触的作业任务中(如打磨、抛光、装配等)，单纯的位置控制不能满足任务的需求，如在打磨应用中，高刚度的机器人在进行位置控制时可能会造成打磨工件的损坏。因此需要机器人具备控制与环境接触力的功能。现有的实现方案一般都是在机器人末端安装六维力传感器，用来测量工作过程中机器人末端工具的受力情况以完成力控制。

六维力传感器通常安装在机器人末端，用于测量机器人工作过程中末端的受力信息，如图2所示。六维力传感器具有其自身固有的坐标系，能够测量自身坐标系中的三维正交力和三维正交力矩。六维力传感器在上电的时候，其各个轴上的读数并不为零，称为传感器的零点。传感器零点在每次上电后的大小都不一样，因此在安装负载工具后需要有一定的方法计算出传感器读数零点。

六维力传感器测量得到的力和力矩中不但包括零点，还包括负载工具的重力在每个轴上的力和力矩分量，而且在不同的姿态下负载工具重力在各个轴上的分量都不相同。因此需要知道工具重力后根据机器人姿态计算出每个轴上的分量，从传感器读数中减去负载工具重力分量。从而消除负载工具自身重力对测量结果的影响。六维力传感器直接测得的数据基于其自身的坐标系，而工业机器人也具有其自身固有的坐标系有基坐标系和末端法兰坐标系，将六维力传感器安装到机器人末端法兰，通过机械连接件可以保证传感器坐标系的Z轴和末端法兰坐标系的Z轴同轴，但不能保证传感器坐标系和末端法兰坐标系之间Z轴的安装角度。机器人在工作过程中的参考系是末端法兰坐标系，也就是工具坐标系，因为有传感器安装角度的存在，传感器X轴和Y轴上的力和力矩测量值并不是末端工具X轴和Y轴上受到的力。需要知道传感器安装角度后进行一次旋转变换，因此需要机器人能够标定出传感器的安装角度。现有的技术要进行传感器零点和工具重力标定，需要控制机器人到达一些指定的姿态，来完成标定。而这些姿态之间的变化很大，从一个姿态变化到另一个姿态需要一定的时间。而且无法进行传感器安装角的标定。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法，通过负载工具重力、传感器零点和传感器安装角度的求解关系式，然后采集传感器不同姿态下的力、力矩和关节角进行最小二乘法求解，以此实现六维力传感器的标定，根据该标定值结合实际传感器的读数可获得真实的测量值，减小机器人六维力传感器读数的误差。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)在六维力传感器测量过程中，根据传感器测量的负载工具的力与力矩，构建关于传感器上测量的力、力矩和位移的关系式(一)，根据该关系式构建传感器上力和力矩的零点值与所述负载工具质量中心的关系式(二)；

(b)采集r×s个姿态下六维力传感器测量的力和力矩的数据，其中每r个数据为一组，共s组，利用该s组数据根据关系式(一)计算求得s个位移，将该s个位移结合所述关系式(二)计算并获得所述六维传感器力和力矩的零点值；

(c)根据所述六维传感器力和力矩的零点值与负载工具重力之间的关系构建二者的关系式(三)，并以此计算所述负载工具重力；

(d)构建机器人基坐标系到末端法兰坐标系的旋转矩阵、六维传感器力的零点值、力矩的零点值和传感器坐标系与末端法兰坐标系沿Z轴上的安装角之间的关系式(四)，利用该关系式(四)计算所述安装角。

进一步优选地，在步骤(a),所述关系式(一)优选采用下列式子:

其中，F_x、F_y和F_z分别是传感器X轴、Y轴和Z轴上的力读数，M_x、M_y和M_z是X轴、Y轴和Z轴上的力矩读数，x、y和z分别是工具质量重心沿X轴、Y轴和Z轴的坐标，k₁、k₂和k₃是中间参数。

进一步优选地，在步骤(a),所述关系式(二)优选按照下列式子：

其中，F_x0，F_y0和F_z0分别为传感器在X轴、Y轴、Z轴上力的零点值，M_x0，M_y0和M_z0分别为传感器在X轴、Y轴、Z轴上力矩的零点值。

进一步优选地，在步骤(c),所述关系式(三)优选按照下列式子：

其中，g是工具重力。

进一步优选地，在步骤(d),所述关系式(四)优选按照下列步骤进行：

其中，R_ij是旋转矩阵第i行第j列的元素，θ是传感器坐标系与末端法兰坐标系沿Z轴上的安装角。

进一步优选地，在步骤(d),利用该关系式(四)计算所述安装角优选通过获取t个不同姿态下传感器X轴、Y轴、Z轴上的力读数F_x、F_y、F_z和机器人六个关节轴的关节角，然后利用所述关系是(四)建立下列方程，以此计算所述安装角θ，

其中，^tR_ij是第t次旋转矩阵中第计算结果第i行第j列的元素，F_xt和F_yt是第t次传感器x轴和y轴力的读数。

进一步优选地，在步骤(d),所述旋转矩阵优选采用正动力学方程进行计算获得。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过测量多组在不同姿态下传感器的读数和机器人的关节角，然后构造负载工具重力、传感器零点和传感器安装角度的求解关系式，利用关系式并计算获得零点，以此实现六维传感器零点的标定，提高测量的精度；

2、本发明提供的方法进行标定明显缩短工业机器人末端六维力传感器的标定时间，标定结果准确，利用标定结果进行传感器读数补偿，明显提高传感器读数的准确性。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的机器人末端六维力传感器标定方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的机器人末端六维力传感器的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的机器人末端六维力传感器安装负载工具后的受力示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的机器人末端六维力传感器标定方法的流程图，如图所示，以下步骤具体说明本发明方法的推导过程：

步骤一：控制机器人变换不同的姿态，记录不同姿态下六维力传感器的读数，根据图3所示末端六维力传感器安装负载工具后工具重力在传感器坐标系中受力分析图(图中O代表传感器坐标系原点，G代表工具重力)构造方程：

其中F_x、F_y和F_z分别表示传感器X轴、Y轴、Z轴上的力读数(单位：N)，M_x、M_y和M_z分别表示X轴、Y轴、Z轴上的力矩读数(单位：Nm)。x、y和z表示工具质量重心的坐标(单位：m)。

其中Fx₀、F_y0、F_z0为传感器X轴、Y轴、Z轴上力的零点值，为待求的未知数，M_x0、M_y0、M_z0为传感器X轴、Y轴、Z轴上力矩的零点值，为待求的未知数。

步骤二：重复步骤一r次(r>＝3)，联立N个方程，形成方程组：

即M＝F·P，其中P＝[x y z ₁k ₂k ₃]^Tk，求解方程组得到P＝(F^TF)^-1F^TM，需要说明的是重复步骤一的时候选用的姿态必须是不同的。

步骤三：重复步骤二s次(s>＝3),联立s个方程，形成方程组：

其中x_s、y_s、z_s分别表示步骤二第s次的计算结果，k_1s、k_2s、k_3s分别表示步骤二第M次的计算结果。解这个方程F₀＝(A^TA)^-1A^TK，可得到六维传感器六个轴上的零点值F_x0，F_y0、F_z0、M_x0，M_y0和M_z0。

步骤四：控制机器人变换姿态，记录传感器六个轴上的读数，F_x、F_y、F_z、M_x、M_y和M_z。计算负载工具重力

步骤五：控制机器人变换不同的姿态，记录传感器X轴、Y轴、Z轴上的力读数F_x、F_y和F_z和机器人六个关节轴的关节角(单位：rad)Q＝[q₁ q₂ q₃ q₄ q₅ q₆]，利用机器人正运动学方程计算末端法兰坐标系到基坐标系的变换矩阵：

其中，

为机器人基坐标系到末端法兰坐标系的旋转矩阵，R_ij表示旋转矩阵第i行第j列的元素。选用旋转矩阵R中的部分元素构造方程：

其中θ表示传感器坐标系与末端法兰坐标系沿Z轴上的安装角。

步骤六：重复步骤五t次(t>＝3),联立t个方程，形成方程组：

即R·x＝F，其中x＝[sinθ cosθ]^T，其中F_xt和F_yt表示步骤五第t次的测量结果，^tR_ij表示步骤五第t次的计算结果，解此方程组可得到x＝(R^TR)^-1R^TF＝[x₁ x₂]^T。传感器安装角θ＝atan(x₂,x₁)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(b)采集r×s个姿态下六维力传感器测量的力和力矩的数据，其中每r个数据为一组，共s组，利用该s组数据根据关系式(一)计算求得s个位移，将该s个位移结合所述关系式(二)计算并获得所述六维力传感器力和力矩的零点值；

(c)根据所述六维力传感器力和力矩的零点值与负载工具重力之间的关系构建二者的关系式(三)，并以此计算所述负载工具重力；

(d)构建机器人基坐标系到末端法兰坐标系的旋转矩阵、六维力传感器力的零点值、力矩的零点值和传感器坐标系与末端法兰坐标系沿Z轴上的安装角之间的关系式(四)，利用该关系式(四)计算所述安装角；

所述关系式(四)按照下列步骤进行：

2.如权利要求1所述的一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法，其特征在于，在步骤(a),所述关系式(一)采用下列式子:

3.如权利要求1或2所述的一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法，其特征在于，在步骤(a),所述关系式(二)按照下列式子：

4.如权利要求1所述的一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法，其特征在于，在步骤(c),所述关系式(三)按照下列式子：

其中，g是工具重力。

5.如权利要求1所述的一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法，其特征在于，在步骤(d),利用该关系式(四)计算所述安装角通过获取t个不同姿态下传感器X轴、Y轴、Z轴上的力读数F_x、F_y、F_z和机器人六个关节轴的关节角，然后利用所述关系式(四)建立下列方程，以此计算所述安装角θ，

6.如权利要求1所述的一种工业机器人末端六维力传感器标定的方法，其特征在于，在步骤(d),所述旋转矩阵采用正动力学方程进行计算获得。