(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211100934.3 (22)申请日 2022.09.09 (71)申请人 上海钊晟传感技 术有限公司 地址 200240 上海市闵行区剑川路951号 零 号湾三号楼N3210室 (72)发明人 赵辉　吕娜　 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 19/00(2006.01) (54)发明名称 基于6激光束的机器人TCP位姿校准系统与 方法 (57)摘要 本发明公开一种基于6激光束的机器人TCP 位姿校准系统， 内置的三组正交的测量单元， 每 个测量单元内置双束平行激光， 通过激光测距原 理， 可以实现机器人TCP三维坐标与姿态的非接 触测量与校准， 该校准系统具有高精度、 小型化、 集成化、 通用化的突出优势。 本发明不仅标定精 度高， 而且对机器人本体没有影响； 本发明适用 于新机器人设计， 也适用于在役机器人的附件安 装， 具有最佳的通用性。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 115284301 A 2022.11.04 CN 115284301 A 1.一种基于6激光束的机器人TCP位姿校准系统， 其特征在于， 所述校准系统包括： 校准 器、 靶标和控制器， 其中： 所述的校准器内置有三个测量单元； 每个测量单元均内含有两束平行激光， 通过三角 测距原理进 行测距， 既可以测量靶标的距离， 还可以测量靶标的偏转角度； 三个测量单元的 激光束出射方向互相垂直正交； 三个测 量单元的双光束所在平面也互相垂直正交； 三个测 量单元内均采用串行总线输出数据， 由此三个测量单元的输出可以采用一根串行总线进 行 串联连接； 三个测量单元安装于金属外壳之内， 相对位置准确、 可靠、 稳固， 同时起到电磁屏 蔽作用、 提高抗干扰能力， 而且使得 校准器具有良好的抗冲击能力； 所述的靶标为正方体， 六面正交， 而且有三个相交于同一个角点的表面分别垂直正对 校准器内的三组测量单元 的双光束； 靶标表面为漫反射特质， 以保证激光测距的准确 性与 可靠性； 靶标安装于 机器人末端工具坐标系中， 并随机器人末端一同移动； 所述的控制器为一体式集成工控机， 具有串行总线接口、 可以接受来自校准器的检测 数据， 并进 行数据处理， 最 终得到靶标中心的三 维坐标值与三维姿态角度值； 该检测结果将 直接传送给机器人控制器， 从而实现机器人TCP的三维位置与姿态校准。 2.根据权利要求1所述的基于6激光束的机器人TCP位姿校准系统， 其特征还在于， 所述 的测量单 元由激光器、 滤光片、 成像镜、 光电器件、 处 理电路、 外壳组成， 其中： 所述的激光器共有两个， 分列于测量单元的两侧， 两个激光器发出的激光束方向平行， 在靶标表面形成两个距离不变的光斑； 所述的滤光片置于测量单元的前端， 为窄带滤光片， 其中心波长与激光器的波长一致， 其带宽为 窄带带宽； 所述的成像镜共有两个， 为光学玻璃镜片， 分别瞄准两个激光器在靶标表面形成的两 个光斑， 并成像到光电器件表面并形成两个 像斑； 所述的光电器件为线阵光电探测器， 可将两个 像斑的位置信息传送至处 理电路； 所述的处理电路为高集成度电路， 对光电器件送来的数据进行处理， 同时得出两个激 光束的距离值。 3.一种根据权利要求1 ‑2任一项所述校准系统的机器人TCP三维位姿校准方法， 具体如 下： （1） 控制器同步采集 三个测量单 元的两个测量 值， 并予以保存; （2） 对于每 个测量单 元， 采取两个距离值的平均值作为该 方向的坐标值; （3） 对于每个测量单元， 采取两个距离值的差值与两束激光的距离之比作为该方向的 姿态角度值。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115284301 A 2基于6激光束 的机器人TCP位姿校准系统与方 法 技术领域 [0001]本发明涉及一种机器人校准系统， 具体地， 涉及一种基于6激光束的机器人TCP位 姿校准系统与方法。 背景技术 [0002]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， 因此机器人 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。 [0003]通过对机器人进行标定， 获取机器人准确的结构与位姿参数， 可以将机器人的位 姿误差大幅度降低， 进而将 机器人的绝对精度提高到重复精度的水平。 近年来， 各国学者提 出了许多机器人标定的方法， 主要有运动学回路法和轴线测量两种。 运动学回路法是通过 测量装置获取机器人末端的位姿， 通过求解机器人的运动学方程 获得机器人关节参数的方 法。 例如， 天津大学、 浙江大学、 中 国海洋大学等采用机器人末端按照摄像机的方法， 在机器 人处于某个姿态时采集空间特征点的图像信息， 并通过数据处理获得该点的三维坐标数 据， 也就是建立起机器人处于任意姿态 时， 其关节变量到末端法兰盘坐标系位姿之间的准 确映射关系。 南京理工大学在机器末端固定激光器， 在机器人工作空间内放置一个位置传 感器位置敏感检测器ＰＳＤ， 使激光以多个位姿定位到位置传感器的中心， 实现点约束。 轴 线测量法是将机器人的关节轴线抽象成一条空间中的直线， 利用关节轴线间的几何关系求 出模型中运动学参数的方法。 与运动学回路法相比， 轴线测量法标定过程简单， 可操作性 强， 所以在对机器人标定的过程中被广泛采用。 例如， 沈阳自动化所、 天津大学和华中科大 利用激光跟踪仪和线性方程 最小二乘解对机器人进行 标定方法。 [0004]但是， 目前 各种现有的机器人 标定方法都存在诸多问题： （1） 费用高： 以激光跟踪仪有位突出， 动辄上百万的投入， 是几倍于机器人本体 的 价格， 性价比很低。 [0005]（2） 效率低： 无论是双目立体视觉标定法， 还是激光跟踪仪方法， 都需要在机器人 末端安装相应的测量部件 （靶镜或靶标） ， 并配合以一定规律的运动控制与方法。 因此， 很难 满足高效生产的需求。 [0006]（3） 体积大、 重量大： 现有标定方法基本上是以激光和视觉为主， 均为分离部件 （摄 像机、 镜头、 反射镜、 激光器等） 组装构成标定系统， 具有体积大、 重量大的问题； （4） 在机器人末端安装电子器件， 将导致机器臂增加电子器件电缆安装。 这在机器 人运动过程中， 将不可避免的产生电缆拖曳和 转动， 大幅度降低系统工作的可靠性与稳定 性。 [0007]因此， 急需一种低成本、 高效率、 小体积、 高度集成、 且无电缆拖曳的一体化通用机 器人TCP位置与姿态校准系统， 使用简单方便、 对机器人本体性能没有影响， 既可以适合新说　明　书 1/4 页 3 CN 115284301 A 3