一种机器人三维重复定位精度测试系统

本发明涉及一种机器人三维重复定位精度测试系统，具体地，是一种基于激光位 移传感器和同步采集控制器的机器人三维重复定位精度测试系统。

机器人是一种开环的运动学结构，通过角度测量装置（通常是增量式码盘）得到关 节转动的角度值，通过机器人运动学模型得到当前机器人末端执行器的空间位姿。由于在 机器人生产过程中机械制造与装配、编码器、运动控制等环节均不可避免地存在各种误差， 在机器人的使用过程中的重力形变、热变形、间隙和磨损以及其他随机误差等，机器人末端 的实际空间位姿与理想值相比通常存在较大偏差，从而影响机器人的运动精度。因此，对机 器人末端的重复定位精度进行精确测试，是目前所有机器人生产过程中的不可或缺的环 节。

目前机器人三维重复定位精度测试主要采用三个互相正交的激光位移传感器通 过测量随机器人末端移动到反射体来实现，例如“一种工业机器人重复定位精度测量装置” （2014101018958）、“一种用于测量工业机器人重复定位精度的测试系统” （2015100985690），但是，目前这些方法存在以下问题：

（1）三个传感器相对独立工作，分别与PLC或者工控机等数据采集系统相连，无法保证 三个传感器采样的同步性。而且采集过程一般为逐个传感器依次进行通讯，实际得到的一 组三维坐标所需时间为单个传感器采样周期的三倍，由此导致整个系统的测试速度下降， 无法满足快速生产的需求；

（2）传感器与支架以及支架本身的定位方式不佳，三个传感器无法保证可靠而准确的 正交定位精度（例如2015100985690），或者三个传感器无法灵活调节（例如 2014101018958）；

（3）激光位移传感器的反射面直接采用机器人本体末端的表面，传感器的测量精度无 法保证，而且不同表面的精度无法保证一致；

（4）现有各种方法并不能保证三个激光位移传感器的测量线交点处于空间同一点，由 此将产生较大的定位测量误差。

针对目前机器人三维重复定位精度测试系统存在的上述问题，本发明提出一种基 于激光位移传感器和同步采集控制器的机器人三维重复定位精度测试系统，实现三维空间 坐标的同步检测，而且具有更高的定位精度和更快的测量速度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提出一种基于激光位移传感器和同步采集控制器的机器人三维重复定位精度 测试系统，所述系统包括：反射体、传感器、支架、控制器、立柱、底座等，其中：

所述的传感器共有三个，分别固定于三个支架之上；

所述的三个传感器成两两正交、互成90度直角，三个激光束同时投向反射体；

所述的传感器为具有外触发功能的激光位移传感器，通过同一个触发信号可以实现三 个传感器的同步采集，避免同步误差的产生；

所述的反射体为轻质材料制成的正方体，该正方体的一个表面安装有连接件，与机器 人末端刚性相连，并随机器人末端一同移动和转动；该正方体的另外五个表面上粘贴有漫 反射板，为传感器提供反射面；

优选地，所述反射体采用铝合金或者铜等材料加工而成，漫反射板采用白亚光漫反 射板；

所述的支架采用轻质合金制作，负责定位和固定传感器，并可靠固定于立柱之上；

所述支架采用矩形截面，可以最大限度地保证传感器的定位精度，避免测量方向产生 的误差；

所述的控制器为同步采集控制器，安置于立柱一旁，可以并行地将三路传感器测量信 号同步读入，整体打包之后作为一组数据上传至上位机，从而避免了三个传感器依次读数 造成的不同步问题和产生的测量误差；

所述的控制器由采集器、缓存、处理器、触发器、显示器、通讯接口等组成。

本发明提出一种基于上述传感器和控制器的同步采集方法：

（1）首先在处理器的统一控制下，由触发器向所有三个传感器发出触发信号；

（2）三个传感器接收到触发信号之后开始采样，并分别向控制器传输测量结果；

（3）采集器将三路传感器的测量结果同步采集并存储到缓存之中；

（4）处理器将三个传感器的测量结果进行打包，并生成一组新的数据包；

（5）处理器通过通讯接口将上述数据包上传到上位机，同时在显示器上进行显示测量 结果。

所述的立柱采用轻质合金材料制作，有利于减轻整体重量；立柱的截面采用矩形， 有利于提高立柱姿态的稳定性。

所述的底座采用金属制作，厚重而稳定，提高抗震性。底座的形状可为圆形或方 形，其径向尺寸需根据所在环境的振幅、立柱高度和三维定位精度等参数确定。

本发明提出一种用于校准三个传感器方位的定标器，为轻质材料制成的正方体， 该正方体的一个表面安装有连接件，与机器人末端刚性相连，并随机器人末端一同移动和 转动；该正方体的另外五个表面上制作有定位标志，定位标志中心为该表面的中心，可用于 三个传感器的定位调整之用；所述的定位标志可以采用十字线与同心圆相结合的方式，提 高瞄准定位精度。

本发明提出一种基于上述定标器的传感器方位校准方法，具体如下：

（1）首先通过机器人运动，保证定标器处于零位，而且六个表面分别与相应的机器人三 个坐标方向平行或者垂直；

（2）将三个传感器的激光束分别对准定标器上相应表面的定位标志中心；

（3）沿着机器人的一维方向移动定标器，观测激光束在定标器上产生的光斑位置；如果 偏离了原有的中心，则调整传感器的姿态角；往复移动定标器，重复上述过程，直至传感器 在定标器上产生的光斑始终位于定位标志的中心；

（4）更换其他维度方向，重复上述过程，调节。

图1 是本发明的机器人三维重复定位精度测试系统的组成原理；

图2 是本发明的反射体组成原理示意图；

图3 是本发明的控制器的组成原理示意图；

图4 是本发明的定标器组成原理示意图；

图5是本发明的三传感器校准方法的原理示意图。

图中，1为机器人本体，2为反射体，3为传感器，4为支架，5为控制器，6为立柱，7为 底座，8为漫反射板，9为采集器，10为缓存，11为处理器，12为触发器，13为通讯接口，14为显 示器，15为定标器。

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的 实施例。

本发明提出一种基于激光位移传感器和同步控制器的机器人三维重复定位精度 测试系统，如图1所示。所述系统包括：反射体2、传感器3、支架4、控制器5、立柱6、底座7等， 其中：所述的传感器3共有三个3a、3b、3c，分别固定于三个支架4a、4b、4c之上；所述的三个 传感器成3a、3b、3c两两正交的方向，三个激光束同时投向反射体1。

所述的传感器3为具有外触发功能的激光位移传感器，通过同一个触发信号可以 实现三个传感器3的同步采集，避免同步误差的产生。

所述的反射体1为轻质材料制成的正方体，该正方体的一个表面安装有连接件，与 机器人1末端刚性相连，并随机器人1末端一同移动和转动；该正方体的另外五个表面上粘 贴有漫反射板8，为传感器提供反射面。

优选地，所述反射体1采用铝合金或者铜等材料加工而成，漫反射板8采用白亚 光漫反射板。

所述的支架4负责定位和固定传感器3，并可靠固定于立柱6之上；所述的支架6采 用矩形截面，可以最大限度地保证传感器3的定位精度，避免测量方向产生的误差。

所述的控制器5为同步采集控制器，安置于立柱6一旁，可以同时并行将三路传感 器3a、3b、3c的测量信号同步读入，整体打包之后作为一组数据上传至上位机，从而避免了 三个传感器3a、3b、3c依次读数造成的不同步问题和误差。

所述的控制器5由采集器9、缓存10、处理器11、触发器12、显示器14、通讯接口13等 组成。

本发明提出一种基于上述传感器和控制器的同步采集方法：

（1）首先在处理器11的统一控制下，由触发器12向所有三个传感器3a、3b、3c发出触发 信号；

（2）三个传感器3a、3b、3c接收到触发信号之后开始采样，并分别向控制器5传输测量结 果；

（3）采集器9将三路传感器3a、3b、3c的测量结果同步采集并存储到缓存10之中；

（4）处理器11将三个传感器3a、3b、3c的测量结果进行重新打包，并生成一组新的数据 包；

（5）处理器11通过通讯接口13将上述数据包上传到上位机，同时在显示器14上进行显 示测量结果。

所述的立柱6采用轻质合金材料制作，有利于减轻整体重量；立柱6的截面采用矩 形，有利于提高立柱6姿态的稳定性。

所述的底座7采用金属制作，厚重而稳定，提高抗震性。底座7的形状可为圆形或方 形，其径向尺寸需根据所在环境的振幅、立柱6高度和三维定位精度等参数确定。

本发明提出一种用于校准三个传感器3a、3b、3c方位的定标器15，为轻质材料制成 的正方体，该正方体的一个表面安装有连接件，与机器人1末端刚性相连，并随机器人1末端 一同移动和转动；该正方体的另外五个表面上制作有定位标志，定位标志中心为该表面的 中心，用于三个传感器3a、3b、3c的定位调整之用；所述的定位标志可以采用十字线与同心 圆相结合的方式，提高瞄准定位精度。

本发明提出一种基于上述定标器的传感器方位校准方法，具体如下：

（1）首先通过机器人1运动，保证定标器15处于零位，而且六个表面分别与相应的机器 人1 三个坐标方向平行或者垂直；

（2）将三个传感器3a、3b、3c的激光束分别对准定标器15上相应表面的定位标志中心；

（3）沿着机器人1的一维方向移动定标器15，观测激光束在定标器15上产生的光斑位 置，如果偏离了原有的中心，则调整传感器3的姿态角；往复移动定标器15，重复上述过程， 直至传感器3在定标器15上产生的光斑始终位于定位标志的中心；

（4）更换其他维度方向，重复上述过程，调节。

由于本发明的机器人三维重复定位精度测试系统采用具有外触发功能的激光位 移传感器和具有同步采集功能的控制器，可以有效消除采样产生的定位误差。新颖的定标 器及相应的定标方法可以有效调整传感器的姿态，保证测试系统的高精度。