一种用于工业机器人TCP测量装置及方法

本发明涉及工业机器人，特别是涉及一种用于工业机器人tcp测量装置及方法。

背景技术：

1、随着工业机器人技术的快速发展，工业机器人的应用领域越来越广泛。目前已经成功应用于焊接、切削、装配等领域。通过安装不同的末端工具，工业机器人能够完成多种作业任务。其中，工具中心点(tool center point，tcp)的位姿标定精度直接影响工业机器人的作业精度。

2、工业机器人的末端工具(如螺柱焊枪、切削刀具等)安装后需要进行tcp的标定。同时经过长时间工作之后，会出现一定的位姿偏差，从而导致工业机器人无法完成预设功能等问题。目前，针对工业机器人末端工具tcp的标定主要采用离线人工示教的多点法。该方法首先将工业机器人末端工具的tcp对齐到一固定点上，然后通过调整工业机器人的末端姿态，实现tcp标定。

3、但该方法存在一定的弊端：(1)多点法的tcp标定过程主要受人为因素(如操作经验等)的影响，不可避免地引入较大的误差；(2)标定过程耗时较长，将影响工业机器人的生产作业效率；(3)为实现对生产线地周期性标定，将耗费大量的人力资源，同时降低了生产线的总体产能。工业机器人tcp快速在线准确的标定直接关系到生产线的产品质量和生产效率，因此，亟待提出一种应用于工业机器人的tcp测量装置及方法，既能够保证工业机器人的作业精度，又可以提高工业机器人的自动化程度。

技术实现思路

1、本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种用于工业机器人tcp测量装置及方法，本发明克服现有技术在工业机器人tcp标定技术的缺陷和不足，该装置能够保证工业机器人的作业精度，又可以提高工业机器人的自动化程度。

2、本发明的技术方案，一种用于工业机器人tcp测量装置，tcp测量装置固定安装在工业机器人的一侧，且tcp测量装置位于工业机器人的运动范围以内；

3、tcp测量装置包括由装置上壳、装置下壳组成的外壳体，设置在外壳体内部的tcp接触装置、光栅测量单元和光电编码器；

4、tcp接触装置设置在光栅测量单元的顶端；装置上壳顶部预留开口；tcp接触装置和光栅测量单元均从顶部开口处伸出；tcp接触装置用于与工业机器人的末端工具tcp点固定在一起；光电编码器包括x轴光电编码器、y轴光电编码器，其与光栅测量单元一同用于测量当前位姿下的工业机器人的坐标数据。

5、在一个可选的实施例中，外壳体内部还设置有用于安装x轴光电编码器和y轴光电编码器的x轴旋转支架、y轴旋转支架、x轴光电编码器安装支架和y轴光电编码器安装支架以及测量固定框架，x轴光电编码器通过x轴光电编码器安装支架固定安装在测量固定框架上；y轴光电编码器通过y轴光电编码器安装支架固定安装在测量固定框架上。x轴光电编码器的中心轴线与y轴光电编码器的中心轴线共面且正交。

6、优选的，x轴光电编码器与x轴旋转支架固定安装，绕x轴光电编码器的中心轴线旋转；y轴光电编码器与y轴旋转支架固定安装，绕y轴光电编码器的中心轴线旋转。x轴旋转支架和y轴旋转支架均是圆弧形状，x轴旋转支架和y轴旋转支架中心均设置方形滑槽，光栅测量单元的另外一端固定安装方形滑块，方形滑块穿过x轴旋转支架和y轴旋转支架的方形滑槽。

7、在一个可选的实施例中，tcp接触装置的形状根据实际的末端工具的tcp点形状进行更换。

8、在一个可选的实施例中，光栅测量单元内部设置弹簧复位装置用于在工业机器人不接触时，自行复位。

9、一种工业机器人tcp测量方法，使用上述的tcp测量装置进行测量，包括以下具体步骤：

10、s1、工业机器人的末端工具与tcp测量装置的tcp接触装置接触，并将tcp接触装置向下压缩一定行程，记录当前的工业机器人的位姿和tcp测量装置的x轴光电编码器、y轴光电编码器以及光栅测量单元的数值；

11、s2、根据三轴极坐标系，已知x轴光电编码器、y轴光电编码器以及光栅测量单元的数值，可以转换为笛卡尔坐标系下的三维坐标。

12、一种工业机器人tcp标定方法，使用上述的tcp测量装置进行标定，包括以下具体步骤：

13、s1、控制工业机器人变换姿态，同时记录tcp测量装置的输出值；

14、s2、工业机器人的位姿关系式如下：

15、

16、式中，b表示工业机器人的极坐标系，e表示工业机器人末端法兰的坐标系，t表示tcp坐标系，i表示第i个位姿；表示在工业机器人的极坐标系下工业机器人末端法兰坐标系的位姿矩阵，表示在工业机器人末端法兰坐标系下tcp坐标系的位姿矩阵，表示在工业机器人的极坐标系下tcp坐标系的位姿矩阵；

17、将上式展开可以得到如下：

18、

19、式中，表示的旋转矩阵，bpe表示的位置向量；表示的旋转矩阵；ept表示的位置向量表示的旋转矩阵；bpt表示的位置向量；

20、s3、由于人为操作经验不同，存在误差，因此将以上矩阵修改为：

21、

22、式中，m表示tcp测量装置的参考坐标系，s表示测量点；表示在工业机器人的极坐标系下tcp测量装置的参考坐标系的位姿矩阵，表示在tcp测量装置的参考坐标系下tcp坐标系的位姿矩阵；

23、将以上公式展开：

24、

25、将上式整理为：

26、

27、式中的ept为待求位置向量，和bpei可以从工业机器人的控制器中读取，mpsi为tcp测量装置测量得到；

28、将第一点作为初始点，然后后续位姿点与第一点做差，可以得到如下公式：

29、

30、当可以保证工业机器人的极坐标系和tcp测量装置的测量坐标系同向时，则为单位矩阵，此时只需要测量3个位姿点则可以计算得到ept；若不做以上约束，未知数还包含该矩阵由三个位姿角确定，此时需要测量6个位姿点计算得到ept和

31、s4、构建目标函数如下：

32、

33、通过智能优化算法可以辨识得到ept和

34、与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

35、本发明能够自动实现工业机器人的tcp标定，避免引入人为误差；有效地提升了工业机器人的作业精度，保障了生产质量；该装置具有测量过程连续、操作简单、成本低等优点。

1.一种用于工业机器人tcp测量装置，其特征在于，tcp测量装置(2)固定安装在工业机器人(1)的一侧，且tcp测量装置(2)位于工业机器人(1)的运动范围以内；

2.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人tcp测量装置，其特征在于，外壳体内部还设置有用于安装x轴光电编码器(205)和y轴光电编码器(206)的x轴旋转支架(209)、y轴旋转支架(208)、x轴光电编码器安装支架(210)和y轴光电编码器安装支架(211)以及测量固定框架(207)。

3.根据权利要求2所述的一种用于工业机器人tcp测量装置，其特征在于，x轴光电编码器(205)通过x轴光电编码器安装支架(210)固定安装在测量固定框架(207)上；

4.根据权利要求3所述的一种用于工业机器人tcp测量装置，其特征在于，x轴光电编码器(205)的中心轴线与y轴光电编码器(206)的中心轴线共面且正交。

5.根据权利要求4所述的一种用于工业机器人tcp测量装置，其特征在于，x轴光电编码器(205)与x轴旋转支架(209)固定安装，绕x轴光电编码器(205)的中心轴线旋转；

6.根据权利要求5所述的一种用于工业机器人tcp测量装置，其特征在于，x轴旋转支架(209)和y轴旋转支架(208)均是圆弧形状，x轴旋转支架(209)和y轴旋转支架(208)中心均设置方形滑槽，光栅测量单元(204)的另外一端固定安装方形滑块(212)，方形滑块(212)穿过x轴旋转支架(209)和y轴旋转支架(208)的方形滑槽。

7.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人tcp测量装置，其特征在于，tcp接触装置(203)的形状根据实际的末端工具的tcp点形状进行更换。

8.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人tcp测量装置，其特征在于，光栅测量单元(204)内部设置弹簧复位装置用于在工业机器人(1)不接触时，自行复位。

9.一种工业机器人tcp测量方法，使用权利要求1-8任一项所述的tcp测量装置(2)进行测量，其特征在于，包括以下具体步骤：

10.一种工业机器人tcp标定方法，使用权利要求1-8任一项所述的tcp测量装置(2)进行标定，其特征在于，包括以下具体步骤：