刀具标定方法加速了六轴工业机器人的实现

随着机器人变得越来越复杂，它们正被应用到更多的工业过程中。六自由度(6DoF)机器人能够进行复杂的运动，使它们能够很好地完成许多复杂的工业任务，如码垛、搬运、粘合和焊接。一个六自由度机器人可以抬起并熟练地操纵沉重的有效载荷，精确地移动它们与复杂的几何形状。

由于其高性能和灵活性，6DoF机器人使用各种各样的工具被分配许多工业任务。然而，要利用这些机器人的功能，每次引入新工具时都需要精确地重新校准。重新校准通常耗时且不准确，会抑制工业流程，并延误生产。

有一种有效的教位方法，可以快速校准六自由度机器人使用的新工具，而不依赖于制造商的测量或外部传感器。该方法简便、准确，在实际应用中具有实用价值。

校准一个六自由度机器人

一个六自由度机器人拿着并移动一个工具来执行任务。机器人在工作时必须知道工具的确切位置。每次安装不同的工具时，必须对机器人进行精确的重新校准。

校准6自由度机器人的方法包括:触摸参考部件、使用距离传感器和使用激光干涉测量。机器人还可以使用外部传感器(如摄像系统)进行校准，这些传感器可以连接到不同的机器人位置，以获取参考物体的精确位置。

这些方法既耗时又复杂。作为一种更简单的替代方法，我们开发了一种教学体位法，并已取得了良好的效果。

确定刀具中心点

运动学校准方法用于确定工具中心点(TCP)，所有机器人定位都与此点相关。TCP是相对于世界坐标系定义的，世界中任何一点的笛卡尔坐标系总是相对于机器人保持静止(参见图1)。

工具坐标系定义了工具的位置和方向，在TCP上处于零位置。机器人的TCP在执行笛卡尔运动时移动到编程位置。改变工具会改变工具坐标系，需要重新校准以启用新的TCP并准确地到达目标。

在许多机器人应用中，TCP的运动轨迹表示机器人工作空间中的复杂路径，通常是直线路径，机器人会改变工具的方向。工具本身可能需要偶尔或更频繁地更换。每次更换工具时，必须确定并分配一组新的几何参数，然后才能继续操作。

对于大多数工业应用来说，teach-position方法是编写机器人任务最实用的方法。使用这种方法，工具参数必须具有高精度(通常从制造商处获得)。刀具的角偏移量及其笛卡尔偏移量对于生成具有控制刀具方向的直线路径是必要的。

通常情况下，作业人员需要在某些约束条件下识别工具几何形状，例如:

• 没有事先从制造商那里了解刀具尺寸
• 没有可用的硬件支持
• 不知道工具如何安装在机器人法兰上。

面对这些限制，每次更换工具时，操作人员都必须进行耗时的校准程序。

使用教位法进行精确校准

开发了一种无需拆卸工具而无需外部传感器、视觉或其他辅助工具即可快速准确估算工具几何形状的方法。通过使用这种教位方法，操作者只需将6DoF机器人的TCP带到几个不同的位置/方向，然后自动输入到工具尺寸估计算法。算法可以快速确定新工具的精确校准，并为使用做好准备。

该校准方法的精度随着更多的刀具位置/方向被用作算法的输入而提高。实验表明，虽然使用倒齐次矩阵不一定能得到理想的结果，但使用最小二乘估计可以得到精确校准的值。

测试教学姿势法

测试使用带有安装工具的6DoF机器人、六个高性能伺服驱动器和一个控制器进行。教位法涉及分析计算，不需要拆卸工具。估计XYZ尺寸，并假设工具尖端处于恒定的笛卡尔位置。

不言而喻，所有指向同一位置的机器人配置都必须放置在球体上，且工具尖端位于球体的中心(见图2)。测量放置在球体上的点可以计算TCP。

方程1:

R²= (x - x_t）²+ (y - y_t）²+ (z - z_t）²

在方程1中，有4个未知参数(R, X_tY_t, Z_t)，其中t为中心。X, Y, Z的值由直接运动学计算。为了达到可接受的精度，该方法需要至少四个点来定义一个球体。因此，这四种配置包括:

R²X = (₁- X_t）²+ (Y)₁- Y_t）²+ (Z₁- - - - - - Z_t）²

R²X = (₂- X_t）²+ (Y)₂- Y_t）²+ (Z₂- - - - - - Z_t）²

R²X = (_3.- X_t）²+ (Y)_3.- Y_t）²+ (Z_3.- - - - - - Z_t）²

R²X = (₄- X_t）²+ (Y)₄- Y_t）²+ (Z₄- - - - - - Z_t）²

如果这四个点定义了一个圆(三个点在圆中有一个冗余点)，那么这些点可以存在于许多球上，在这种情况下，球的圆心是不可计算的。

通过方程减法，不仅消除了未知变量R，而且消除了方程中的所有非线性分量。这就留下了一组1次多项式方程，可以用线性最小二乘拟合来求解。取四个以上的点可以得到更多的方程和更高的精度。

逐步的方法需要考虑至少四个度量，如图4所示。

一种体位教学法

该方法快速、准确、廉价，无需拆卸工具即可对工具进行校准。该方法无需专用硬件，在安装新工具时节省时间和精力。机器制造商可以轻松实现该方法，并受益于快速、精确和几乎零成本的6DoF机器人工具重新校准，这将增强和加快各种应用中的生产。

伊兰Korkidi他是一名软件和应用工程师米尔科Borich他是Servotronix运动组的一名经理。由CFE Media副内容经理艾米丽·冈瑟编辑，控制工程，eguenther@cfemedia.com．

更多的建议

关键概念

• 一个teach-position该方法可加快工具校准速度。
• 六个自由度机器人在执行多种工业任务中发挥着关键作用。
• 一个teach-position该方法将加快生产速度，对机械制造商来说是具有成本效益的。

考虑一下这个

这教位法加速你的机器人在更换工具后重新启动?

在线额外

相关报道链接如下。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。