本發明涉及機器人技術領域，特別是涉及一種機器人標定系統、距離測量裝置及標定方法。

背景技術：

隨著科學技術的發展，機器人得到了廣泛的應用，并逐漸成為核心的生產力。在機器人的推廣應用中，用戶對機器人的絕對精度要求也越來越高，在出廠前，生產商會對機器人進行標定校準，以提高其絕對精度。

目前，對機器人進行標定多采用攝像頭、激光跟蹤儀等標定技術。采用攝像頭標定時，標定精度容易受現場的光線影響，且標定精度也相對較低。在一些生產現場，當出現操作失誤引起碰撞時，機器人的模型參數會發生改變，采用攝像頭及激光跟蹤儀進行標定時，操作過程較為復雜，無法實現對機器人的快速標定。

技術實現要素：

基于此，有必要提供一種能夠實現快速標定、且標定精度較高的機器人標定系統、距離測量裝置及標定方法。

一種距離測量裝置，用于對機器人的機械臂末端的位置進行測量，包括：

固定于測量平臺上的固定組件，所述固定組件包括殼體及卷輪，所述卷輪設于所述殼體內，并與所述殼體轉動連接；

拉繩，所述拉繩的一端卷繞于所述卷輪上；

導向組件，包括轉軸及導向輪，所述轉軸的一端與所述殼體連接，另一端與所述導向輪固定連接，所述轉軸的軸線與所述導向輪的周緣相切，所述轉軸相對所述殼體旋轉，以帶動所述導向輪運動；

連接件，能夠安裝于所述機器人的機械臂末端，所述拉繩沿所述轉軸的軸線穿設于所述轉軸，并繞過所述導向輪后與所述連接件連接，所述機器人帶動所述連接件運動，所述連接件帶動所述拉繩運動，以改變所述拉繩伸出所述導向輪的長度及所述拉繩繞于所述導向輪上的部分所相對的圓心角；及

測量組件，所述測量組件能夠測量所述拉繩伸出所述導向輪的長度及所述拉繩繞于所述導向輪上的部分所相對的圓心角。

在其中一個實施例中，所述測量組件包括長度編碼器及角度編碼器，所述長度編碼器靠近所述卷輪設置，所述角度編碼器靠近所述導向輪設置，所述長度編碼器能夠測量所述拉繩伸出所述導向輪的長度，所述角度編碼器能夠測量所述拉繩繞于所述導向輪上的部分所相對的圓心角。

在其中一個實施例中，所述測量組件還包括信號處理板，所述信號處理板設于所述殼體內，且與所述長度編碼器及所述角度編碼器分別電連接。

在其中一個實施例中，所述連接件包括第一連桿、第二連桿、第三連桿、第一旋轉關節及第二旋轉關節，所述第一連桿的一端與所述機器人的機械臂末端連接，另一端通過所述第一旋轉關節與所述第二連桿轉動連接，所述第三連桿通過所述第二旋轉關節與所述第二連桿轉動連接，所述第一旋轉關節的軸線與所述第二旋轉關節的軸線之間相互垂直，所述第三連桿上設有連接柱，所述拉繩通過所述連接柱與所述第三連桿連接。

在其中一個實施例中，所述拉繩的橫截面呈梅花狀結構，所述拉繩包括中心繩股及外層繩股，所述外層繩股為多個，多個所述外層繩股圍設于所述中心繩股周圍，所述中心繩股與所述外層繩股的橫截面均呈梅花狀結構，所述中心繩股包括第一中心繩線及多個第一外層繩線，多個所述第一外層繩線圍設于所述第一中心繩線周圍，所述外層繩股包括第二中心繩線及多個第二外層繩線，多個所述第二外層繩線圍設于所述第二中心繩線周圍。

一種機器人標定系統，包括：

上述的距離測量裝置；

控制器，與所述機器人連接，所述控制器能夠控制所述機器人帶動所述連接件運動；及

工作站，與所述控制器及所述測量組件分別通訊連接。

在其中一個實施例中，還包括交換機，所述控制器通過所述交換機與所述工作站通訊連接，所述距離測量裝置通過所述交換機與所述工作站通訊連接。

一種機器人標定方法，利用上述的機器人標定系統對機器人進行標定，包括以下步驟：

將所述控制器與所述機器人及所述工作站分別連接，將所述距離測量裝置與所述機器人及所述工作站分別連接；

在所述控制器內設定運動參數，所述控制器根據設定的運動參數驅動所述機器人依次運動至多個位置；

所述距離測量裝置依次對所述機器人在多個位置處時，所述拉繩伸出所述導向輪的長度及所述拉繩繞于所述導向輪上的部分所相對的圓心角進行測量，得到多組所述拉繩伸出所述導向輪的長度及所述拉繩繞于所述導向輪上的部分所相對的圓心角數據；

根據多組所述拉繩伸出所述導向輪的長度及所述拉繩繞于所述導向輪上的部分所相對的圓心角數據，并結合所述控制器內所述機器人的理論數學模型及設定的運動參數，計算得到所述機器人的實際數學模型；

根據所述機器人的實際數學模型，對所述控制器內所述機器人的理論數學模型進行修正。

在其中一個實施例中，根據多組所述拉繩伸出所述導向輪的長度及所述拉繩繞于所述導向輪上的部分所相對的圓心角數據，并結合所述控制器內所述機器人的理論數學模型及設定的運動參數，計算得到所述機器人的實際數學模型的步驟還包括：

根據多組所述拉繩伸出所述導向輪的長度及所述拉繩繞于所述導向輪上的部分所相對的圓心角數據，并結合所述連接件的長度信息，計算得到多組所述機器人的機械臂末端的實際位置參數；

根據所述控制器內所述機器人的理論數學模型及設定的運動參數，計算得到多組所述機器人的機械臂末端的理論位置參數；

根據多組所述機器人的機械臂末端的理論位置參數及實際位置參數，計算得到所述機器人的實際數學模型。

在其中一個實施例中，根據所述機器人的實際數學模型，對所述機器人的理論數學模型進行修正的步驟之后還包括：

對所述機器人的運動精度進行驗證。

上述機器人標定系統結構簡單，便于攜帶，可在工業現場隨時對機器人進行快速標定，操作簡單便捷。而且，其不易受環境影響，標定精度較高。同時，上述機器人標定系統的價格較為低廉，適用性較強。

附圖說明

圖1為本發明一實施例的機器人標定系統的結構示意圖；

圖2為圖1中所示機器人標定系統中距離測量裝置與機器人的連接示意圖；

圖3為圖2中所示距離測量裝置的內部結構示意圖；

圖4為圖2中所示距離測量裝置中連接件與換向組件的結構示意圖；

圖5為圖2中所示距離測量裝置中拉繩的橫截面示意圖；

圖6為本發明一實施例的機器人標定方法流程圖；及

圖7為圖6中所示S400的流程圖。

具體實施方式

為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳實施方式。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所描述的實施方式。相反地，提供這些實施方式的目的是使對本發明的公開內容理解的更加透徹全面。

需要說明的是，當元件被稱為“固定于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術語“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及類似的表述只是為了說明的目的，并不表示是唯一的實施方式。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施方式的目的，不是旨在于限制本發明。本文所使用的術語“及/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

如圖1所示，本發明一實施例的機器人標定系統10包括距離測量裝置100、控制器200、工作站300及交換機400。具體的，控制器200與機器人20連接，用以驅動機器人20的機械臂運動。距離測量裝置100與機器人20的機械臂末端連接，以對機器人20的機械臂末端的位置信息進行測量。控制器200、距離測量裝置100及工作站300分別與交換機400電連接，控制器200與距離測量裝置100均通過交換機400與工作站300進行信息共享。工作站300能夠對從控制器200與距離測量裝置100獲取的數據信息進行運算處理。

需要指出的是，在其他實施例中，控制器200、距離測量裝置100及工作站300還可以與交換機400通過無線通信連接，也同樣能夠實現信息共享。而且，在其他實施例中，交換機400還可以省略。此時，控制器200直接與工作站300連接，距離測量裝置100直接與工作站300連接。

另外，在其他實施例中，上述交換機400還可以替換為路由器，也能實現同樣的技術效果。

具體在本實施例中，交換機400內還設有供電器(未示出)，從而可以將交換機400的通信接口與供電器的電源接口集成在一起，以較大程度的減少各元件之間連接的插接件和線纜的數目，也提高了系統的穩定性。

結合圖2、圖3及圖4所示，具體在本實施例中，距離測量裝置100包括拉繩110、固定組件120、導向組件130、連接件140及測量組件150。固定組件120固定于測量平臺上。導向組件130安裝于固定組件120上。連接件140能夠安裝于機器人20的機械臂末端。拉繩110的一端與固定組件120連接，經導向組件130導向后與連接件140連接。

具體的，固定組件120包括殼體121及卷輪122。卷輪122設于殼體121內，并與殼體121轉動連接。導向組件130包括轉軸131及導向輪132。轉軸131的一端與殼體121連接，另一端與導向輪132固定連接，轉軸131的軸線與導向輪132的周緣相切，轉軸131相對殼體121旋轉，以帶動導向輪132運動。拉繩110的一端卷繞于卷輪122上，并沿轉軸131的軸線穿設于轉軸131，拉繩110繞過導向輪132后與連接件140連接。機器人20的機械臂帶動連接件140運動，連接件140帶動拉繩110運動，導向輪132及轉軸131同時相對殼體121旋轉，以保持與連接件140相對。在機器人20的機械臂運動的過程中，拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角也分別發生改變。

具體在本實施例中，測量組件150包括長度編碼器(未示出)、角度編碼器(未示出)及信號處理板151。長度編碼器安裝于固定組件120上，且靠近卷輪122設置。角度編碼器安裝于導向組件130上，且靠近導向輪132設置。長度編碼器通過測量卷輪122的旋轉角度，以獲得拉繩110伸出導向輪132的長度。角度編碼器能夠測量拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角。信號處理板151設于殼體121內，且與長度編碼器及角度編碼器分別電連接。長度編碼器及角度編碼器所測量得到的信息能夠通過信號處理板151進行整合。

連接件140包括第一連桿141、第二連桿142、第三連桿143、第一旋轉關節144及第二旋轉關節145。第一連桿141的一端與機器人20的機械臂末端連接，另一端通過第一旋轉關節144與第二連桿142轉動連接，第三連桿143通過第二旋轉關節145與第二連桿142轉動連接，第一旋轉關節144的軸線與第二旋轉關節145的軸線之間相互垂直。第三連桿143上設有連接柱143a，拉繩110遠離輪轂的一端與連接柱143a連接。第三連桿143相對第二連桿142旋轉時，第三連桿143上任意一點至第一旋轉關節144的軸線與第二旋轉關節145的軸線的交點的距離始終不變。

具體的，長度編碼器測量得到的拉繩110伸出導向輪132的長度，即為AQ的長度，角度編碼器能夠測量得到∠OMA的大小。其中，O為轉軸131與導向輪132的交點，也為拉繩110與導向輪132的一個切點，A為拉繩110與導向輪132的另一個切點，M為導向輪132的中心，Q為第三連桿143上連接柱143a所在的位置、P為第一旋轉關節144的軸線與第二旋轉關節145的軸線的交點，N為機器人20與第一連桿141的連接處，即為機器人的機械臂末端。由于PQ為一定值，且P、Q、A始終位于同一直線上，通過弧OA與AQ、PQ的長度之和、∠OMA的大小及連接件140的尺寸信息，經過幾何計算，即可得到ON的長度，即為機器人20的機械臂末端的實際位置。

具體在本實施例中，拉繩110包括中心繩股111及外層繩股112。外層繩股112為多個，多個外層繩股112圍設于中心繩股111周圍，以使拉繩110的橫截面呈梅花狀結構。具體的，外層繩股112為六個，且均勻分布于中心繩股111周圍。六個外層繩股112緊貼中心繩股111的周緣，且纏繞于中心繩股111上。

如圖5所示，中心繩股111包括第一中心繩線111a及多個第一外層繩線111b，多個第一外層繩線111b圍設于第一中心繩線111a周圍，以使中心繩股111的橫截面均呈梅花狀結構。具體的，第一外層繩線111b為六個，六個第一外層繩線111b緊貼第一中心繩線111a的周緣設置。

外層繩股112包括第二中心繩線112a及多個第二外層繩線112b，多個第二外層繩線112b圍設于第二中心繩線112a周圍。與外層繩股112的橫截面均呈梅花狀結構，具體的，第二外層繩線112b為六個，六個第二外層繩線112b緊貼第二中心繩線112a的周緣設置。

具體的，第一中心繩線111a、第一外層繩線111b、第二中心繩線112a及第二外層繩線112b均為直徑相等的鋼絲。在其他實施例中，第一外層繩線111b、第二外層繩線112b及外層繩股112還可以為能夠將圓周均分的其他任意數目。

上述拉繩110具有較好的剛度及柔韌性，既能保證在不同拉力下的變形量，也能保證拉繩110的柔軟順滑。

上述距離測量裝置100中，僅需要機器人20的機械臂的末端帶動連接件140運動，以改變拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角，并通過測量組件150對拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角數據進行采集，即可以得到機器人20機械臂末端的位置信息，測量過程簡單快捷，且測量不受測量環境的影響，測量精度較高。

如圖6所示，本發明還提供了一種機器人標定方法，利用上述的機器人標定系統10對機器人20進行標定。

具體在本實施例中，機器人標定方法包括以下步驟。

S100，將控制器200與機器人20、工作站300分別連接，將距離測量裝置100與機器人20、工作站300分別連接。

具體的，將控制器200與機器人20連接，將控制器200與工作站300連接，從而在控制器200控制機器人20的機械臂運動時，機械臂的運動參數能夠傳輸至工作站300。

將距離測量裝置100與機器人20連接。將固定裝置固定于測量平臺上，將連接件140安裝于機器人20的機械臂末端，將測量組件150與工作站300連接，測量組件150測量得到的數據信息能夠傳輸至工作站300。

具體的，控制器200與工作站300之間還連接有交換機400，距離測量裝置100與工作站300之間也通過交換機400連接，控制器200與距離測量裝置100均通過交換機400與工作站300進行信息共享，控制器200與距離測量裝置100內的數據信息能夠經交換機400傳輸至工作站300。

S200，在控制器200內設定運動參數，控制器200根據設定的運動參數驅動機器人20依次運動至多個位置。

在控制器200內設定機器人20的機械臂末端的運動參數，控制器200根據設定的運動參數驅動機器人20運動。機器人20的機械臂末端運動至某一設定位置后，在此位置保持預定的時間后，運動至下一設定位置，直至完成全部設定的運動路徑。

具體的，在本實施例中，在控制器200內寫入具有五十組設定位置的機器人20運動程序，以使機器人20的機械臂末端依次到達設定位置。

S300，距離測量裝置100依次對機器人20在多個位置處時，拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角進行測量，得到多組拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角數據。

當機器人20的機械臂運動時，機械臂帶動連接件140及拉繩110運動。當機械臂末端在某一位置保持穩定后，長度編碼器對當前位置處拉繩110伸出導向輪132的長度進行測量，角度編碼器對當前位置處拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角進行測量，從而得到一組拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角數據。通過測量多個位置，從而得到多組拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角數據。

在本實施例中，對機器人20的機械臂末端所到達的五十個位置，距離測量裝置100能夠測量得到五十組拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角數據。

S400，根據多組拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角數據，并結合控制器200內機器人20的理論數學模型及設定的運動參數，計算得到機器人20的實際數學模型。

工作站300能夠從位置測量組件150獲取測量得到的多組拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角數據，并能夠從控制器200獲取控制器200內機器人20的理論數學模型及設定的運動參數，通過相關數據計算處理，以得到機器人20的實際數學模型。

需要指出的是，對于相應型號的機器人20，控制器200內會存儲有其理論數學模型，而機器人20的理論數學模型包括機器人的理論DH參數、理論零位位置、理論減速比、理論耦合比等模型信息。

S500，根據機器人20的實際數學模型，對控制器200內機器人20的理論數學模型進行修正。

根據S400中得到的機器人20的實際數學模型，即可將其與控制器200內機器人20的理論數學模型進行比較，以對理論數學模型進行修正。

結合圖6及圖7所示，具體在本實施例中，步驟S400具體還包括以下步驟。

S410，根據多組拉繩110伸出導向輪132的長度、拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角數據，并結合連接件140的長度信息，計算得到多組機器人20的機械臂末端的實際位置參數。

對步驟S300測量得到的多組拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角數據，測量組件150能夠將其經交換機400傳輸至工作站300。工作站300對每一組拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角數據進行計算處理，即可得到一組OP的長度數據。通過對多組拉繩110伸出導向輪132的長度及拉繩110繞于導向輪132上的部分所相對的圓心角數據進行計算處理，從而得到多組OP的長度數據。

對任意一組OP的長度數據，結合連接件140中第一連桿141與第二連桿142的長度信息，即可計算處理得到一組機械臂末端的實際位置參數。通過對多組OP的長度數據進行計算處理，從而得到多組機械臂末端的實際位置參數。

S420，根據控制器200內機器人20的理論數學模型及設定的運動參數，計算得到多組機器人20的機械臂末端的理論位置參數。

工作站300能夠獲取S200中控制器200內設定的運動參數信息，同時，工作站300也能夠獲取控制器200內機器人20的理論數學模型，通過計算處理，以得到機器人20的機械臂末端運動至設定位置處時，機械臂末端的理論位置參數。

通過對控制器200內設定的多組運動參數信息進行處理，以得到多組機器人20的機械臂末端的理論位置參數。

S430，根據多組機器人20的機械臂末端的理論位置參數及實際位置參數，計算得到機器人20的實際數學模型。

工作站300通過對機械臂末端在某一位置處的實際位置參數與理論位置參數進行比較計算，即可得到機器人20在此位置處的運動偏差。通過對多個位置處的實際位置參數與理論位置參數進行比較計算，得到機器人20在多個位置處的運動偏差。

根據多個位置處運動偏差及機器人20的各關節參數，即可建立得到機器人20的實際數學模型。機器人20的實際數學模型包括機器人20的實際DH參數、實際零位位置、實際減速比、實際耦合比等模型信息。

具體在本實施例中，上述機器人標定方法還包括S600，對機器人20的運動精度進行驗證。

在對控制器200內機器人20的理論數學模型進行修正之后，還需要通過定位試加工的方式，以對前述的理論數學模型修正是否有誤進行驗證，從而實現對機器人20的運動精度的驗證。

需要指出的是，在其他實施例中，還可以通過其他方式對機器人20的運動精度進行驗證。

上述機器人標定系統10結構簡單，便于攜帶，可在工業現場隨時對機器人20進行快速標定，操作簡單便捷。而且，其不易受環境影響，標定精度較高。同時，相比激光跟蹤儀等昂貴的標定設備，上述機器人標定系統10的價格較為低廉，適用性較強。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。