一种基于视觉测量的SCARA机器人标定方法_王文双.pdf

收稿日期：20220521一种基于视觉测量的SCARA机器人标定方法王文双1，姚书杰2，曾钰1，谢启旋2（1.广州智能装备研究院有限公司，广州510530；2.华南农业大学 工程学院，广州510642）摘要：为提高SCARA机器人的精度，以SCARA机器人的零点标定方法为研究对象，校正因机械加工误差、装配间隙误差和零件磨损等因素造成实际臂长与设计臂长的偏差，还有因SCARA机器人的大小臂没有完全重合在一条直线上造成实际零点位置与理论位置的偏差。通过相机和图像识别技术，精确地定位出标定器上两个辅助点的位置，依据SCARA机器人的正反解和两点法标定的方法，以此标定出零点的实际位置和机器人大小臂的实际长度。所提出的SCARA机器人零点标定方法操作简单，精度较高，与一般的零点标定方法相比，该方法不需要依靠昂贵的设备，能满足大部分情况下机器人的工作要求。实验结果表明，经过标定后，机器人的位置误差在0.06 mm以内，大臂的长度误差在0.03 mm以内，小臂的长度误差在0.025 mm以内。关键词：零点标定；机械人标定；视觉测量；SCARA机器人中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02018204A SCARA Robot Calibration Method Based on Vision MeasurementWang Wenshuang1，Yao Shujie2，Zeng Yu1，Xie Qixuan2（1.Guangzhou Intelligent Equipment Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510530,China;2.College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China）Abstract:In order to improve the accuracy of SCARA robot,the zero calibration method of SCARA robot was taken as the research object tocorrect the deviation between the actual arm length and the design arm length caused by machining error,assembly clearance error and partwear,as well as the deviation between the actual zero position and the theoretical position caused by the incomplete reconnection of the largeand small arms of the manipulator.The positions of the two auxiliary points on the calibrator were accurately located through the camera andimage recognition technology.According to the positive and negative solution of SCARA robot and the calibration method of two-point method,the actual position of the zero point and the actual length of the manipulator were calibrated.The experimental results show that the method caneffectively improve the accuracy of the robot.After calibration,the position error of the robot is less than 0.06 mm,the length error of the boomis less than 0.03 mm,and the length error of the jib is less than 0.025 mm.Key words:zero calibration;robot calibration;visual measurement;SCARA robot2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.041王文双，姚书杰，曾钰，等.一种基于视觉测量的SCARA机器人标定方法 J.机电工程技术，2023，52（02）：182-185.0引言SCARA机器人在生产过程中，不可避免地存在机械加工误差。此外，在装配、维修和长时间使用后，SCARA 机器人还会产生杆件变形、磨损、间隙等问题。这些问题都会导致 SCARA 机器人的参数发生变化，影响SCARA机器人的精度，使SCARA机器人无法完成精准的操作任务。为了提升末端执行器位姿的控制精度，使 SCARA 机器人能够正常工作，不得不重新进行标定，确定 SCARA 机器人的零点位置和大小臂的实际长度。何沁珊等1采用定位销的方式将大小臂固定理想位置来完成零点标定，该方式操作简单方便，但精度不高。许允斗等2做了2RPU/UPR+RP过约束混联机器人零点标定和全标定理论研究，有效提高混联机器人的定位精度，但必须借助激光跟踪仪这种高精度的测量设备。梅江平3等提出了一种基于末端转角误差信息的快速零点标定方法，该零点标定方法的鲁棒性好，准确性高，但该方法只适用于并联机器人。潘伯钊等4采用激光三坐标测量装置对机器人进行标定，该方法得到的精度较高，但设备价格昂贵。郎需林等5通过多点法计算零点的位置，但计算过程复杂，实现起来比较困难。SCARA 机器人的零点标定已经存在比较成熟的技术和研究，但是大多数的标定方法都需要借助一些昂贵的仪器，且操作过程十分复杂和繁琐，需要专业的人员才能完成工作，使用起来十分不方便。本文在前人研究的基础上，提出了一种简单，实用的 SCARA 机器人零点标定方法，用于解决 SCARA 机器人标定过程中存在的问题。该标定方法具有操作简单、设备便宜、精度高的优点，能满足绝大部分情况下 SCARA 机器人的工作要求。1821算法原理1.1SCARA机器人运动学正解如图1所示，在基坐标原点O处建立机器人的基坐标系xoy，OA为机器人的大臂，长度为L1，OB为机器人的小臂，长度为L2。点O和A在机器人的关节处，B与机器人的末端重合。末端处点B的x轴坐标值为向量OA与向量AB在x轴上的投影之和，y轴坐标值为向量OA与向量AB在x轴上的投影之和，故有：x=L1cos1+L2cos(1+2+2)y=L1sin1+L2sin(1+2+2)（1）式中：1为x轴与OA的夹角；2为OA与AB的夹角；2为机器人大臂与小臂的理论值与实际值的角度偏差。1.2SCARA机器人运动学反解如图2所示，建立机器人的基坐标系xoy，连接OB，过点 B 做 OA 的垂线 BC，交 OA 于点 C。在直角三角形OBC中，根据余弦定理，可得：cos（-2）=L21+L22-(x2+y2)2L1L2（2）记c2=cos2，s2=sin2，可得：|C2=(x2+y2)-L12-L222L1L2S2=1-C22（3）机器人处于右手系时，S2取正值；机器人处于左手系，S2取负值，特别的，机器人处于奇异位置时，则S2=0。根据式（3），可求得2：2=tan2(s2,c2)=tan2(y,x)（4）在AOB中，记r=|OB|，则有：|sin=|BC|OB|=L2s2rcos=|OC|OB|=|OC|+|AC|OB|L1+L2c2r=tan2(L2s2,L1+L2c2)1=-=tan2(x,y)-(L2s2,L1+L2c2)（5）scara机器人的运动学反解4为：1=tan2(x,y)-tan2(L1s2,L1+L2c2)2=tan2(s2,c2)（6）本文约定，当2（0，）（2，）时机器人处于右手系；当2（，0）（，2）时，机器人处于左手系。特别地，当22，0，2，机器人处于奇异位置。1.3误差分析机器人误差的主要来源为几何误差，即在机器人的制造与装配过程中，由于装配体本身存在间隙误差，装配精度低，机械加工误差，或长时间使用导致的零件磨损等因素，致使SCARA机器人的大臂关节轴线的位置和小臂关节轴线之间的相对位姿关系产生误差。一般通过提高加工与装配的精度来尽量避免这样的几何误差，但是由于数控加工机床本身加工精度以及不可避免的人工操作误差，这种方法显然不能完全避免这样的误差。所以，需要通过零点标定的方法来提高SCARA机器人的精度，即首先找出关键的几何误差参数，然后通过运动学标定方法求出参数实际值。SCARA机器人共有4个轴和4个运动自由度，其中有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动，即包括绕X、Y、Z轴的旋转和沿Z轴的平移自由度。其中大臂与基底的装配和磨损导致两臂轴线不完全重合所造成的误差，可由大臂长度进行补偿，垂直移动关节与小臂轴线不完全重合所造成的误差对零点位置的影响较小，可以忽略不计。其他的误差则由前面所得公式求出。根据前文所求出的SCARA机器人正解公式（1）和反解公式（6），可知机器人的几何误差主要包括大臂长度L1的误差，小臂长度L2的误差和大小臂之间实际值与理论值的角度偏差2。1.4零点和臂长的标定步骤及原理如图 3 所示，建立SCARA机器人的基坐标系xoy，其中，点O与机器人的基坐标系的原点重合。M、N 为标定器上的两个辅助点，他们分别为图 4 中标定器上的 圆 形 和 十 字 形 的 中点。A1（1）、A1（2）为相机图像中点与点M从两个不同方向完全重合时，机器人大臂和小臂的交点。标定步骤如下。图1运动学正解图图2运动学反解图图3标定图王文双，姚书杰，曾钰，等：一种基于视觉测量的SCARA机器人标定方法183（1）标定器固定在机器人末端上，拖动机器人，使点M与相机的中心点重合，并记录下此时两个关节的角度(1)1，(1)2。（2）机器人从另一个方向对准相机，使点M与相机的中心点重合，记录两个关节的角度(2)1，(2)2。（3）以同样的方法，使点 N与相机的中心点重合，并对关节角度进行记录，得到(3)1，(3)2，(4)1，(4)2。根据上述步骤在点M得到的关节角度和式（1），可得到以下方程组：|L1cos1(1)+L2cos(1(1)+2(1)+2)=L1sin1(2)+L2cos(1(2)+2(2)+2)L1sin1(1)+L2sin(1(1)+2(1)+2)=L1sin1(2)+L2sin(1(2)+2(2)+2)（7）同理，在点N处的方程组为：|L1cos1(3)+L2cos(1(3)+2(3)+2)=L1sin1(4)+L2cos(1(4)+2(4)+2)L1sin1(3)+L2sin(1(3)+2(3)+2)=L1sin1(4)+L2sin(1(4)+2(4)+2)（8）做变量代换：1=L12=L2cos23=L1sin2（9）根据式（9），可得零点偏移量为7：2=arctan（3/2）（10）大臂与小臂长度的比例值：KL=L2L1=2/cos21=21cos2（11）实际臂长为：|x1=(cos1(1)-cos1(3)+KLcos(1(1)+2(1)+2)-cos(1(3)+2(3)+2)y1=(sin1(1)-sin1(3)+KLsin(1(1)+2(1)+2)-sin(1(3)+2(3)+2