焊接机器人的工具参数标定研究

摘 要：机器人标定是离线编程技术实用化的关键技术之一，本文介绍了焊接机器人的标定工具坐标系的六点法，实现了机器人工具坐标系标定。机器人工具坐标系的标定就是确定工具坐标系相对于末端坐标系的齐次转换矩阵，由此计算出工具参数。根据此算法进行标定和实际工具参数对比，精度达到了±0.4mm。实际的焊接试验表明该方法是一种可靠简便，精度高的系统标定方法，能完全满足实际焊接要求。

关键词：焊接机器人；标定；工具参数

中图分类号：TP274 文献标识码：A

1 工具坐标系的标定

机器人工具坐标系是由其末端坐标系决定的，若没有定义工具坐标系，则机器人末端坐标系被默认为工具坐标系。焊接机器人工作时，在机器人的末端必须固定焊枪。根据焊接工艺和要求的不同，需选择合适的焊枪。在更换焊枪时，必须重新标定焊接机器人的工具坐标系。机器人的工具坐标系由其末端坐标系与焊枪的位置和姿态决定。机器人工具坐标系{TCF}的标定就是指精确地确定出工具坐标系相对于机器人末端坐标系之间的位置和姿态。

2 确定工具坐标系原点相对于机器人末端坐标系的位置偏移

本文首先三点法来确定工具坐标系的位置参数。机器人各坐标系相互关系如图1所示。

机器人末端坐标系相对于机器人基准坐标系的转换关系由机器人的正运动学方程得到。机器人焊枪尖端处坐标系（工具坐标系）相对于机器人末端坐标系的转换关系为所求，其各个参数是固定不变的，由以下关系式得到：

其中：

上式中

，

表示关节到关节的转换矩阵，分别表示焊枪坐标系原点相对机器人末端的偏移。本文采用RPY法描述焊枪的空间姿态，RPY法是手部相对末端坐标系轴做3次连续转动获得规定姿态的描述方法。其中、P、W、R分别表示焊枪相对参考坐标系连续转动获得的姿态，P代表绕Z轴转动的翻滚角，W代表绕Y轴的俯仰角，R代表绕X轴的偏转角。

图2 三点标定位置

三点法就是从不同的方向到达一固定点，同时记录各关节角度。同时满足：

式中：

由于工具点相对机器人末端点一定的，即：

三个不同方向的工具到达同一点，则。

由此可得：

α、β、γ满足且不能满足。有上式可求出中的。

3 确定工具坐标系相对于机器人末端坐标系的旋转量

一旦工具确定了，就可以确定工具坐标系相对于机器人末端坐标系旋转量的确定方法如下：在工具的某一平面内取第四点确定机器人工具坐标系的原点，取第五点、第六点两点，如图3。第四点到第五点的向量方向为XT的方向，由P4、P5、P6三点确定的平面的法向量n为ZT的方向。在这部分操作过程中机器人末端姿态和焊枪的姿态没有变化，只是位置发生改变。

图3 标定坐标系

设工具末端在这3点的位置为P4、P5、P6，则，

，，然后分别对进行单位化。

可得到矩阵：

由在四点的各关节角算出在四点时的末端点姿态：

可得工具到末端的姿态矩阵为：

所以工具到末端的位姿转换矩阵为：

其中

机器人工具坐标系相对于末端坐标系的旋转量可由上式根据反RPY求出P、W、R。

3 算法的标定结果

由于实际现场应用的焊接焊枪的形状可能不规则，在建立工具坐标系时需要进行标定，出于对标定算法的验证，以生产线实际的有尺寸参数的焊钳进行标定和比较。

有机器人正逆解运动和标定算法得出：

而实际工具端点到法兰中心的旋转矩阵和参数为：

从以上两组数据可以看出，此工具标定算法误差小，准确和方便等优点。

结语

介绍了焊接机器人的用于工具坐标系标定的六点法，实现了机器人工具坐标系相对于机器人末端法兰中心的标定。标定工具坐标系的六点法对工具的形状和尺寸没用任何限制和约束，该方法不需使用外部测量设备，仅采用机器人关节角和坐标变换计算来求取机器人工件坐标系相对于末端的齐次坐标变换矩阵。通过机器人焊接试验可以看出所提方法的有效性。

参考文献

[1]孙树栋.工业机器人技术基础[M].西安：西安工业大学出版社，2006.