基于超声波测距的TCP标定方法研究

吴乐平 , 顾晟吉,程伟国

(1. 南京旭上数控技术有限公司，江苏 南京 211167； 2. 南京机电职业技术学院，江苏 南京 211135)

0 引言

随着机器人在各行各业应用的逐渐深入,对机器人性能的要求也在逐渐提高[1]。工具中心点(tool center point，TCP)标定是机器人应用中不可避免的重要环节之一，而且TCP标定精度直接影响机器人的定位精度[2]。因此，就必须要研究一种快速、高精度的TCP标定方法。

机器人TCP标定是计算工具末端点相对于机器人末端坐标系的位置辨识过程，该位置是一个未知的确定位置。文献[3-4]分别采取SVD分解和投影约束的方法求解TCP参数，但都需要人工校准，而且人工校准带来的误差无法消除。文献[5]提出一种基于双目视觉的TCP标定方法，不需要手动校准，标定精度高，但是双目视觉系统的价格昂贵，不适合推广。

本文提出一种基于超声波测距的TCP标定方法，只需要将机器人任意移动到3个不同位置，不需要操作人员人工校准，实施简单，标定速度快，精度高，通用性强。

1 TCP标定方法分析

为了方便操作人员使用，在机器人系统中定义了多种坐标系，如图1所示的坐标系{B}为基坐标系；坐标系{R}为腕部坐标系；坐标系{T}为工具坐标系。TCP标定过程即获得坐标系{T}的原点在坐标系{R}下坐标值(xT,yT,zT)的过程。本文所述方法的标定流程共分为以下5个步骤：

1)如图2所示，首先在需要标定的工具坐标系原点安装超声波发送探头S1，在矩形底座的3个顶点处安装3个超声波接收探头R1、R2、R3，则R13⊥R12(Rij表示由Ri由指向Rj的向量)，并且已知|R12|=d1、|R13|=d2，R12、R13分别平行于基坐标x、y轴。以R1为坐标原点，R12、R13所在方向分别为x、y轴，建立如图1所示的标定坐标系{C}；并设定采样次数n，n为≥3的自然数。

图1 机器人坐标系示意图

图2 超声波传感器安装示意图

2) 将机器人移动到任意位置，探头S1发送超声波信号，同时开始计时。每个接收探头接收到信号后，立即记录从S1发送信号到接收所用时间，记ti为探头Ri接收到S1信号所用的时间(i=1,2,3)，即传输时间，并记录当前周围的环境温度k和机器人当前各关节角度值。

3)计算TCP点在坐标系下{C}的坐标值(x,y,z)。记li为探头S1到探头Ri之间的距离。则li=ti×(331.5+0.607k)，其中i=1,2,3,并且满足条件：

4)重复步骤2)和步骤3)共n次，得到n组(x,y,z)(记为(xi,yi,zi),i=1,2,…,n)和与之相对应的n组机器人各关节角度。

(1)

式中:

(2)

将式(2)代入式(1)，得

(3)

将式(3)中从第2行开始，每行减去第1行，整理得

(4)

记：

则式(4)可以表示为

解之得：

(xT,yT,zT)T=A+B

其中A+=(ATA)-1AT。

2 实验分析

采用上述办法，对NJ-XSM6机器人进行安装测试，取n=3,获得3组数据如表1所示。jm为第m个关节的角度，单位为(°)。并且已知机器人D-H参数表如表2所示，由D-H参数表可获得机器人正运动学方程。

表1 3次测量结果记录表

表2 机器人D-H参数表

将上述数值代入计算得：

(xT,yT,zT)=(50.03,0.03,199.98)

从设计图样中获得x、y、z的尺寸分别为50，0，200。由此可见，本文所述标定方法能够满足实际的工业需求。

3 结语

本文方法首先采用超声波传感器和温度传感器获得距离数据，机器人关节角度可以直接从机器人系统中读出。再经过坐标变换便可以直接获得TCP参数。经过验证表明：该方法有效可行，有效避免人工校准带来的误差，标定精度高。