利用leica激光跟踪仪对工业机器人现场标定的方法

Leica ALS60机载激光扫描仪检校方法浅析刘玉萍;李鹏【摘要】机载LiDAR（激光探测测距仪）是一款新型空间测量设备，通过在航空平台对地发射、接收激光脉冲，实现地表空间三维坐标快速、精确获取，通过机载POS数据解算，重构目标场景的3D离散化数据模型，再现地表的实时的、真实的形态特性。

因此被有些专家称为：“继GPS空间定位技术之后在测绘领域的又一项测绘技术新突破，是一种崭新的革命性的测量工具”。

由于LiDAR设备的物理特性，激光扫描仪的检校精度起着至关重要的作用，直接影响着激光点云的解算测量精度，现介绍和探讨 Leica ALS60机载激光扫描仪的相关检校方法，仅供同行参考。

【期刊名称】《测绘技术装备》【年(卷),期】2013(000)001【总页数】3页(P47-49)【关键词】LiDAR;点云精度;激光扫描仪检校参数;检校方法【作者】刘玉萍;李鹏【作者单位】河南省遥感测绘院河南郑州 450003;河南省遥感测绘院河南郑州450003【正文语种】中文Leica ALS60机载LiDAR主要由激光扫描仪、航空数码相机、POS单元（定位定姿惯性导航系统）及相关控制系统组成。

为了得到高精度的激光点云，需要在设备安装在飞机平台后，进行检校场飞行，须在合适航高下，完成反向飞行和十字交叉飞行，利用所获取的激光数据和检校场野外采集的地面检测点数据，经计算分析，测定出激光扫描仪的参数配置，其检校参数可应用于快速生成测区内的标准激光点云，以下对激光扫描仪各检校参数和检校方法具体介绍。

2.1 基本检校参数机载LiDAR激光扫描仪需检校的基本参数有：强度距离检校（IBRC）、脉冲转换频率、扫描镜角度检校。

2.1.1强度距离检校（IBRC）反映了激光在不同反射率下的速度纠正参数，激光从高反射率表面反射速度快，因此测得的高程会高于实际的高程。

激光从低反射率表面反射速度慢，因此测得的高程会低于实际的高程。

IBRC表（图1所示），包含了激光对于反射强度从0-255每一个级别的距离纠正值。

基于激光跟踪仪的机器人误差测量系统标定摘要：机器人视觉被认为是机器人最重要的感知能力。

机器人视觉不仅具有视觉测量技术的优点，而且具有机器人运动范围大、柔性等特点，但其本体绝对定位精度低，使得机器人视觉测量系统的测量精度达不到要求。

为了测量出工业串联机器人的空间定位误差，根据工业机器人定位误差测量系统的特点，采用基于距离约束的方法实现了6自由度串联机器人Tool0坐标系与测量靶标坐标系之间的位置矩阵（机械手中心坐标系）的自动化标定过程，同时分步实现了机器人基坐标系与测量设备基坐标系之间的位姿矩阵（基坐标系）自动化标定过程；建立了基于激光跟踪仪的工业串联机器人空间定位误差测量系统，并根据测量数据具体标定出了涉及到的各个坐标系，验证了算法的有效性，为工业串联机器人空间定位误差的测量打下了基础。

关键词：基于激光跟踪仪；机器人；误差测量；系统标定前言一般工业机器人重复定位精度很高，但空间绝对定位精度很差。

为了提高机器人的性能及拓展工业机器人的应用范围，需要对机器人运动学模型的参数进行标定来降低它的绝对定位误差。

机器人标定一般分 4 个步骤进行：建模、测量、辨识与补偿。

为了测量出机器人在其工作空间内的各个测量点的定位误差，需要对测量靶标中心在机器人末端的位置（机械手中心坐标系）及机器人基坐标系与测量设备坐标系之间的转换矩阵（基坐标系）进行标定，以将直接从机器人中获取的末端法兰盘中心测量数据与测量设备测得的靶标中心的数据统一到一个坐标系下。

因此在工业机器人空间定位误差测量过程中涉及到串联机器人空间的位姿（位置及姿态）和基坐标系标定的问题。

1、工业机器人定位误差测量系统描述如图1所示，工业串联机器人空间定位误差测量系统由测量设备、测量靶标及工业机器人组成。

图1图中P表示待测量的靶标中心，Base为机器人基坐标系，Tool0为机器人法兰盘坐标系，Measure为测量设备坐标系。

在此工业机器人定位误差测量系统中，测量设备可以直接测量出靶标中心P在Measure坐标系下的坐标，同时机器人本身也可以作为测量装置获得被机器人抓着的靶标中心P在机器人Base坐标系下的坐标，两者进行坐标变换便可以统一到同一个坐标系下，进而进行比较获得工业机器人在其工作空间内各个测量点的位置误差。

leica激光跟踪仪工作原理
Leica激光跟踪仪的工作原理涉及激光技术和跟踪技术。

首先，激光技术利用激光器产生一束高度聚焦的激光束，这个激光束可以
被用来精确测量距离和位置。

其次，跟踪技术利用传感器和算法来
检测和跟踪特定目标的运动。

Leica激光跟踪仪通过将激光束投射
到目标上并使用传感器来测量激光束的反射或散射，从而确定目标
的位置和运动轨迹。

这些数据可以被用来实现目标的跟踪和定位，
适用于各种应用领域，如工业制造、建筑测量、医学影像等。

通过
精密的激光技术和跟踪技术的结合，Leica激光跟踪仪能够实现高
精度的目标跟踪和定位。

基于非水平位移的激光跟踪仪测角误差标定方法+李辉，伍嘉豪，赵伟康，马大智，周志龙，于斌超，刘巍(大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116023)摘要：激光跟踪仪因测量范围大、精度高等优势被广泛应用于大型航空构件的大尺寸测量。

然而，随着测量范围的增大，其测量精度将受到测角误差的严重影响。

为了实现激光跟踪仪测角误差的准确评估，提出了一种基于非水平位移的激光跟踪仪测角误差标定方法。

以空间任意运动位移为约束,采用三坐标测量机与高精度位移台分别对空间任意位移的角度与长度进行高精求解，进而利用激光跟踪仪的干涉测长距离为约束，实现转角的有效表征，进而实现角度误差的高精标定。

通过实验室试验，实现了激光跟踪仪测角误差的有效标定。

关键词:测角误差；激光跟踪仪；角度标定；非水平位移；大尺寸测量中图分类号:TH744;TB922文献标志码:ACalibration Method of Angle Error of Laser Tracker based on Non-horizontal Displacement LI Hui,WU Jiahao,ZHAO Weikang,MA Dazhi,ZHOU Zhilong,YU Binchao,LIU Wei(College of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116023,China) Abstract:Laser tracker was widely used in large-scale measurement of large aviation components due to its advantages oflargerangeandhighprecision However!withtheincreaseofmeasurementrange!the measurementaccuracy wasseri-ouslya f ectedbytheanglemeasurementerror Inordertorealizeaccurateevaluationofangleerror!acalibration methodof angleerroroflasertrackerbasedonnon-horizontaldisplacementwasproposed Theangleandlengthofarbitrarydisplace-mentinspaceweresolvedbythreecoordinatemeasuring machineandhighprecisiondisplacementplatformrespectivelywith theconstraintofarbitraryspatialmotiondisplacement Andthee f ectiverepresentationofanglewasrealizedbyusingthein-terferencemeasurementdistanceoflasertrackerasconstraint!thenthehigh-precisioncalibrationofangleerrorwas made Theexperimentalresultsshowedthattheangleerrorlasertrackerwascalibratede f ectivelyKey words:angle measurement error,laser tracker ,angle calibration ,non-horizontal displacement,large-scale meas­urement激光跟踪仪具有测量范围大、单点测量精度高等优点,被广泛应用于航空航天装备制造过程中的大尺寸几何测量&12'（随着大型构件尺寸与制造精度的极值化，测量精度和可靠性的要求愈发提高（为了有效评估几何量测量结果的可靠性，需要对测量仪器的系统误差进行评估激光跟踪仪为非正交测量系统，通过干涉测长与2个角度编码器的角度测量，实现了球坐标系下三维坐标的测量。

应用 Application激光跟踪仪测量系统在SCARA 机器人行业的应用叶勇（海克斯康测量技术（青岛）有限公司，山东省青岛市266000）1前言随着“中国制造2025”的有序推进，信息技术与制造技术深度融合的数字化、网络化和智能化制造成为行业 趋势，这也推动了中国智能机器人在制造业的广泛应用。

SCARA 机器人作为一种快速、高效、安装方便和成本低 廉的方案，得到很多产业的青睐，特别是计算机、通信和消费性电子等产业尤其注重。

长期以来，SCARA 机器人的校准及测量一直缺少准确而高效的测量手段，也缺少相 关测试标准工具。

Leica 激光跟踪仪测量系统以其完善的 测量附件及快速高效的测量软件等给SCARA 机器人校准及测试树立了新的标准。

2 Leica 激光跟踪仪测量系统介绍Leica 公司是激光跟踪仪技术的开创者，如图1所示。

Leica AT960绝对激光跟踪仪是全新一代的便携式三坐标 测量系统，高度精密并易于使用的大空间尺寸测量解决方案，总体重量不足14 kg,运输便捷，几乎在任何地方都 可以快速开箱，迅速启动，并进行高性能的测量作业，可提供六自由度（6DoF ）探测、扫描、自动化检测和反射球 测量的全面测量解决方案，帮助用户实现绝对速度、准确度和便携性。

Leica 绝对干涉仪（AIFM ）能够对移动目标实现高度、高速度测量作业，而创新型Powerlock 功能能够确保在没有用户干涉的情况下实现断光续接，从而减轻 操作人员工作负荷并降低其训练要求。

直观的触摸屏控制 功能，可以最大程度降低用户错误的可能性。

设备具有自检和补偿功能，允许现场进行基本调整，其坚固耐用的设 计能够最大程度地减少校准和维护作业。

图1激光跟踪仪AT960的测量空间直径最高可以达到160 m,能够兼容T-Probe, T-Mac 和T-Scan 等各种测量附件，而对于 SCARA 机器人测试来说，主要使用的是Leica 专利技术 的SCE 超级猫眼反射球（见图2 ）及TMAC 六维智能测头（见图3） o-60-******************.cn .应用 Application图2 SCE 超级猫眼反射球 图3 TMAC 六维智能测头TMAC 是Leica 公司针对机器人测试的专业智能六维测试工具，具备高效的六自由度测试能力，可以在一次采集即可获取准确的位置及角度准确度（优于0.01° ）,同时可以动态最高1 kHz 采集运动姿态数据，高效便捷。

第 40卷第 2期 2007年 2月天津大学学报 Journa l of T i a n ji n Un i versity Vol . 40 No . 2Feb . 2007收稿日期 :2006203210; 修回日期 :2006209206.基金项目 :天津市应用基础研究重点资助项目 (05YFJZJC01700 .作者简介 :叶声华 (1934— , 男 , 中国工程院院士 , shhuaye@tju . edu . cn .基于激光跟踪仪的机器人运动学参数标定方法叶声华 , 王一 , 任永杰 , 李定坤(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 , 天津 300072摘要 :工业机器人的连杆参数误差是影响其绝对定位精度的最主要因素 , 为改善机器人的绝对定位精度 , 借助了高精度且可以实现绝对坐标测量的先进测量仪器———激光跟踪仪 , 以及功能强大的 C AM2M easure 4. 0配套软件 , 从机器人自身的运动约束出发 , 构建起实际的 D 2H 模型坐标系 , 进而对运动学参数进行了修正 , 获得了关节变量与末端法兰盘中心位置在基坐标系下的准确映射关系 . 结果表明 , 400/0以上 , 且该方法易于实现 , 通用性强 , 能明显改善精度 .关键词 :工业机器人 ; 绝对定位精度 ; 激光跟踪仪 ; D 2H 模型 ; 中图分类号 :TP243. 2文献标志码 :A 02li ti c Param eters sed on La ser Tracker YE Sheng 2hua, WANG Yi, RE N Yong 2jie, L ID ing 2kun(State Key Laborat ory of Precisi on Measuring Technol ogy and I nstru ments, Tianjin University, Tianjin 300072, ChinaAbstract :L ink parameter err ors of the industrial robot contribute t o the most influence on its accuracy . I n or 2der t o i m p rove the accuracy of the robot, a laser tracker, which can i m p lement highly accurate measurement and abs olute distance measurement (ADM , as well as the corres ponding CAM2Measure 4. 0s oft w are were em 2p loyed . Based on the movements constrain of the r obot itself, the actual D 2H model coordinate frames were re 2built . Accordingly, the kinematic parameters were identified and p recise mapp ing from the joint variables t o the center positi on of the end 2effector in the base frame was obtained . Results show that mean error and r oot mean sguare err or are i mp r oved more than 400/0. The p roposed calibrati on method is p ractical and generic . In addition, it can achieve better accuracy .Keywords :industrial robot; abs olute accuracy; laser tracker; D 2H model; movements constrain工业机器人的运动精度对于它在生产中的应用可靠性起着至关重要的作用 . 机器人各连杆的几何参数误差是造成机器人定位误差的最主要环节 , 它主要是由于制造和安装过程中产生的连杆实际几何参数与理论参数值之间的偏差造成的 , 一般被视为系统误差 . 除此之外 , 其他影响因素还包括由环境 (例如温度的变化、对运动参数的不确切认知、齿轮传动误差以及由于负重、应力和磨损等引起的机械变形误差等等 , 这些一般被视为随机误差 . 机器人的重复性精度只与随机误差有关 , 可以保证在 0. 1mm 以下 ; 绝对定位精度与系统误差有关 , 可以达到 2~3mm , 甚至更大 [1]. 国内外的许多学者就机器人运动学参数识别和标定问题进行了大量研究 [2— 8]. 通常采用的方法是先建立适当的运动学模型 , 然后精确测量几组位姿 , 接着推导参数识别算法或建立机构误差模型 , 最后获得实际模型参数并运用正向运动学求解真实位姿 [9]. 最近 , 世界著名工业机器人生厂商 ABB 公司运用了莱卡激光跟踪仪以保证其产品的精度 . 使用激光跟踪仪标定机器人不再需要其他的测量工具 , 从而也就省去了标定测量工具的繁琐工作 ; 同时 , 这一方法是对机器人的各个运动学参数进行修正 , 结果会使机器人在整个工作空间内的位姿得到校准 , 而不会像用迭代求解的方法那样 , 只是对某些测量姿态进行优化拟合 , 可能会造成在非测量点处残留相对较大的误差 ; 再者 , 随着机器人的机械磨损 , 机器人的运动学参数需要重新标定 , 而激光跟踪仪测量系统配置起来简单 , 特别适合于工业现场标定 . 正是鉴于以上优点 , 笔者采用激光跟踪仪作为测量工具去修正机器人的运动学参数 .1机器人模型的建立标定对象是 ABB 公司生产的 6自由度 I RB2400/10型串联机器人 , 测量工具是 F ARO 公司的 X i 型激光跟踪仪 , 该仪器测量绝对距离的精度为10μm +0. 4μm /m. D 2型 [10]. 为遵从这一模型 , (1 确定 z i 轴 . z i i 1的轴向 .(2 O i . :O i 在过 z i -1和 z i 轴的公法线上 .(3 确定 x i 轴 . 基本原则是 :x i 轴过 z i -1和 z i 轴的公法线方向 , 从 z i -1指向 z i .(4 确定 y i 轴 . 基本原则是 :y i =z i ×x i , 使坐标系为右手坐标系 . 这样就能建立起如图 1所示的坐标系系统.图 1机器人的 D 2H 模型坐标系F i g . 1 D 2H coord i n a te fram es of the robotD 2H 参数的定义如下 :杆件长度 a i 定义为从 x i -1到 x i 的距离 , 沿 x i 轴指向为正 ; 杆件扭角αi 定义为从 z i -1到 z i 的转角 , 绕x i 轴正向转动为正 , 且规定αi ∈ (-π, π];关节距离 d i 定义为从 x i -1到 x i 的距离 ,沿 z i -1轴指向为正 ; 关节转角θi 定义为从 x i -1到 x i 的转角 , 绕 x i -1轴正向转动为正 , 且规定θi ∈ (-π, π].有了这样的定义 , 可以得到相邻关节之间的齐次坐标变换矩阵[10]为i -1A i =Trans z (d i Rot z (θi Trans x (a i Rot x (αi =c i -c αi s i s αi s i a i c is ic αi c i -s αi c ia i s i 0s αi c αi d i1i =1, 3, 4, 5, 6然而 , 当相邻 2根轴线平行或近乎平行时 , 末端法兰盘的位置误差并不能通过修正 D 2H 参数来消除 . 为了避免这种数值不稳定的奇异性 , 再引入一个绕 y 轴的转角参数 , 记作β[11].i -1A i =Trans z (d i Rot z (θi Trans x (a i Rot x (αi ・Rot y (βiy (i =ii 10-sin βi0cos βii =2最后 , 根据正向运动学求解可以得到末端法兰盘坐标系到机器人基坐标系的坐标变换矩阵 0A 6=A 11A 22A 33A 44A 55A 6.2标定原理与数据测量机器人标定的目的是提高其绝对定位精度 , 也就是确定从关节变量到末端执行器在工作空间内真实位置的更为精确的函数关系 . 在本文中 , 实际模型参数的获得是通过建立真实的机器人 D 2H 坐标系实现的 , 其中的关键任务是确定机器人各根转轴的相互位置 . 一个点绕不经过它的直线旋转一周后 , 会在空间内形成一个圆周轨迹 , 圆周所在的平面与轴线垂直且圆心位于轴线上 . 据此 , 令机器人的某一根轴从零位位姿开始作步进转动 , 并保持其余 5根轴不转动 , 这样 , 各个姿态时的法兰盘中心点就位于同一条圆弧上 , 那么过该圆弧圆心且与圆弧所在平面垂直的直线方向 (或是相反方向就是转动轴的轴线方向 . 考虑到各种噪声的混入 , 采取最小二乘法拟合圆弧及其所在平面 . 为了减小噪声的影响 , 应该测量尽可能多的目标点 . 测量时 , 激光束会遇到机器人本体的阻挡 , 所以在末端关节上增加了辅助支架以扩大测量范围 . 该支架的引入只会造成旋转半径的变化 , 而不会影响到轴线位置的确定 . 因此 , 支架只要具有一定刚性 , 并通过简单的螺纹装配即可 , 并无其他设计和精度上的要求 . 同时 , 轴 4和轴6的圆弧半径显著增大 , 减小了扰动对测量结果的影响 .测量过程中还需要注意 3个问题 . 第一 , 轴 1会影・302・ 2007年 2月叶声华等 :基于激光跟踪仪的机器人运动学参数标定方法响到基坐标系原点的确定 , 作用尤为重要 , 所以应尽量使轴 1能够转动出整个圆周轨迹 ; 解决方法是调整机器人姿态 (而不是相对于零位位姿 , 使轴 1可以转动 ±180°. 第二 , 由于四杆机构的存在 , 轴 2的转动会使得轴 3也相应转动 , 从而将轴 3的误差带入到测量结果 ; 为了解决这一问题 , 可以在连杆 2上牢固地胶粘一个靶标球座 , 并将靶标球置于其上 , 这样测量结果中就不再包含轴 3的影响 . 第三 , 激光跟踪仪的测量精度与测量距离有关 , 测量距离越大则精度越低 . 所以 , 在保证一定测量范围的同时应尽量减小跟踪仪与机器人间的距离 . 标定现场如图 2所示 . 按照表 1对机器人进行编程、测量 , 共获得 428组数据.图 2实验设备配置F i g . 2 Conf i gura ti on of the exper i m en t a l setup 表 1数据的获得Tab . 1 Da t a acqu i re m en t序号范围 /(°递增 /(°测量点数1-180, 1805732-100, 1103713-60, 602614-200, 2005815-120, 1203816-180, 180661在实际操作中 , 除了基坐标系以外 , 所有的中间坐标系都能唯一地确定下来 . 为了确定基坐标系 , 在这里先简要说明一下机器人的装配过程 :先用基准尺构造两个互相垂直的平面 (水平面和竖直面 , 机器人基平面平行于水平面 , 基坐标系 z 轴位于竖直面内 ; 然后在外部工具的帮助下使机器人的各根轴处于横平竖直的姿态 , 此时安装电机编码盘并调零 , 且认为这时的姿态就是零位姿 , 以后的电机转动都以编码盘读数为准 ; 最后以基坐标系 z 轴与基平面的交点为坐标原点 , 由坐标原点指向法兰盘中心在基平面上投影点的直线方向为 x 轴的方向 . 由此 , 按照以下步骤确定基坐标系 .步骤 1确定基平面 . 直接使用靶标球对机器人的安装平面进行测量 , 尽可能在平面上分布地多取些点 , 以获得平面的真实面貌 . 由于安装平面并不与基平面重合或是平行 , 可以多测量几组 , 然后挑选出最佳的一组作为基平面 . 步骤2确定基坐标系的原点 . 轴 1与基平面的交点作为基坐标系的原点 . 步骤 3确定基坐标系 x 轴的方向 . 因为机器人的重复性定位精度很高 , 所以在建模时也按照机器人在装配时定义 x 轴的方法那样确定 x 轴方向 .3 , 利用 CAM2Measure 4. , 拟2所示 , 修正前后运动学参数的对比见表 3和表 4. 表 2平面和圆弧的拟合误差Tab . 2 Pl ane and arc f it errors on m ea sured da t a mm序号平面拟合误差弧度拟合误差10. 02990. 031820. 00870. 036630. 02630. 029440. 01370. 008650. 01220. 030860. 01250. 0271基平面0. 1206表 3 D 2H 参数的名义值Tab . 3 No m i n a l k i n e ma ti c param eters序号a i /mmαi /(°d i /mmθi /(°βi /(°1100-906150270500-9003135-90004090755050900180685・402・天津大学学报第 40卷第 2期表 4 D 2H 参数的修正值Tab . 4 I den ti f i ed k i n ema ti c param eters序号a i /mmαi /(° d i /mmθi /(° βi /(° 1100. 050-90. 010614. 7150. 001 2705. 554-0. 0200. 003-90. 060-0. 03 3135. 456-89. 99000. 02040. 15690. 017754. 918-0. 01050. 11089. 980-0. 102179. 96060. 0300. 01084. 940-0. 010注:β2 为 z1到 z2轴的转角 , 绕 y1轴正方向为正 .为了对修正结果进行验证 , 又另外随机测量了 30个点 , 由表 5可以看出 , 标定之后平均误差较之前改善了 41. 870/0,均方根误差改善了 42. 440/0. 这里的均方根误差e RM S =∑mi =1(pr-p n 2i(m =30 , p r际坐标向量 , pn5Tab . 5 Va li da ti of the ca li bra ti on result mm 验证参数标定前标定后 (不带β参数标定后 (带β参数最大误差 1. 711. 330. 99平均误差 1. 060. 910. 62均方根误差 1. 160. 960. 664结语通过参数所起的作用进一步证明了将其引入的必要性 , 而且在进一步的工作中可以尝试再次引入其他模型参数 , 如沿 y 轴方向的平移参数 , 以期待有更加满意的标定效果 . 同时也可以看出 , 由于基平面的测量是通过安装平面的测量间接实现的 , 而安装平面并没有达到精加工的程度 , 故相比之下拟合误差比较大 , 有望提高安装平面的加工水平或是采取新的测量方法以减小基平面的拟合误差 .参考文献 :[1]韩翔宇 , 都东 , 陈强 , 等 . 基于运动学分析的工业机器人轨迹精度测量的研究 [J ].机器人 , 2002, 24(1 :12 5.Han Xiangyu, Du Dong, Chen Q iang, et al . Study of mea 2sure ment of traject ory p recisi on f or industrial r obot based on kinematics analysis[J ].R obot, 2002, 24(1 :125(in Chi 2 nese .[2] Gong Chunhe, Yuan J ingxia, N i Jun . Nongeometric err or identificati on and compensati on f or r obotic syste m by inverse calibrati on [J ].International Journal of M achine Tools & M anufacture, 2000, 40(14 :211922137.[3]刘振宇 , 陈英林 , 曲道奎 , 等 . 机器人标定技术研究 [J ].机器人 , 2002,24(5 :4472450.L iu Zhenyu, Chen Yinglin, Qu Daokui, et al . Research on r obot calibration[J ].Robot, 2002, 24(5 :4472450(in Chi 2 nese .[4] Motta J M S T, de Carvalho G C, M c Master R S . Robot ca 2 librati using a 3D visi on ment syste m with a single J Integrated M anu 2[m er C E, Horning R J, et al . Calibra 2 a Mot oman P8r obot based on laser tracking [C ]∥ Proceedings of the 2000IEEE International Conference on Robotics &A uto m ation . San Francisco, C A, 2000:35972 3602.[6] Bai Ying, Zhuang Hanqi, Roth Zvi S . Experi m ent study of P UMA r obot calibrati on using a laser tracking syste m [C ]∥ Proceedings of the 2003IEEE InternationalW orkshop on Soft Co m puting in Industrial A pplications . B ingha m t on, New York, 2003:1392144.[7]张建忠 . 机器人连杆参数的视觉标定 [J ].制造业自动化 , 2004,26(11 :32234.Zhang J ianzhong . V isual de marcating f or link para meters of a r obot[J ].M anufacturing A uto m ation, 2004, 26(11 :322 34(in Chinese .[8] Gursel A lici, B ijan Shirinzadeh . A syste matic technique t o esti m ate positi oning err ors for r obot accuracy i m p r ove ment using laser interfer ometry based sensing[J ].M echanis m and M achine Theory, 2005, 40(8 :8792906.[9] Roth Zvi S, Mooring Benja m in W , Ravanil Bahra m. An overvie w of r obot calibrati on [J ].IEEE Journal of R obotics and A uto m ation, 1987, RA 23(5 :3772385.[10] Denavit J, Hartenberg R S . A kine matic notati on f or l ower 2 pair mechanis m s based on matrices[J ].Journal of A pplied M echanics, 1955, 22(2 :2152221.[11] Hayati S A. Robot ar m geometric link para meter esti m ati on [C ]∥Proceedings of 22th IEEE D ecision and Control Confe 2 rence . San Ant oni o, T X, US A, 1983:147721483.・ 5 0 2・2007年 2月叶声华等 :基于激光跟踪仪的机器人运动学参数标定方法。

激光跟踪仪与机器人坐标系转换方法研究向民志;范百兴;李祥云;隆昌宇【摘要】In order to solve the conversion parameters of the laser tracker and the robot coordinate system quickly and accurately,a coordinate transformation method based on tool calibration and common point conversion is proposed.Firstly,the target ball was fixed on the robot end tool,the robot was taught to teach six different positions,and the center coordinates were measured by the laser tracker.Then,the position of the target ball in the robot coordinate system was calculated based on the distance constraint method;Finally,the least squares iteration based on Rodrigue matrix was adopted to coordinate transformation.The experimental results show that this method is simple and can avoid the influence of fitting error and improve the precision of coordinate transformation.%为了快速准确求解激光跟踪仪与机器人坐标系转换参数,提出了一种基于工具标定与公共点转换相结合的坐标转换方法.首先,将靶球固定在机器人末端工具上,控制机器人示教6个不同位置,并同时用激光跟踪仪测量球心坐标;然后,采用基于距离约束的方法计算靶球在机器人基坐标系中的位置;最后,采用基于罗德里格矩阵的最小二乘迭代法进行坐标转换.试验表明:该方法操作简单,能够避免拟合误差的影响,提高坐标转换精度.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2018(061)001【总页数】4页(P98-101)【关键词】激光跟踪仪;机器人坐标系;罗德里格矩阵;坐标转换;定位误差【作者】向民志;范百兴;李祥云;隆昌宇【作者单位】解放军信息工程大学,郑州450001;解放军信息工程大学,郑州450001;解放军信息工程大学,郑州450001;北京卫星环境工程研究所,北京100094【正文语种】中文一般工业机器人重复定位精度很高，但绝对定位精度较差。

海克斯康测量技术（青岛）有限公司 刘凯Leica 绝对激光跟踪仪在工业机器人校准及检测中的应用针对国产工业机器人的绝对定位精度较低，在某些高精度检测、加工及制造应用领域存在的较大应用短板，作为全球领先的计量方案提供商——海克斯康通过感知、解析及行动，推出了工业机器人校准及检测系统，提高工业机器人精度，以弥补其在应用领域存在的不足。

文章详细介绍了该工业机器人校准及检测系统中的关键技术及校准检测流程，并通过案例展示其在工业机器人参数补偿与性能检测中的巨大优势。

一．引言在新的国际国内环境下，立足于国际产业变革大势，2015年5月19日，国务院正式印发了《中国制造2025》，旨在全面提升中国制造业发展质量和水平,从制造大国迈向制造强国。

同时我国科技部印发了关于发布国家重点研发计划智能机器人等重点专项2017年度项目申报指南的通知，围绕了对工业机器人以及其他五个方向进行部署，落实《中国制造2025》等规划，推动我国工业机器人技术和产业快速发展（图1）。

图1 机器人在整车焊装车间应用通过近十年的发展，中国机器人产业从无到有、从小到大，目前已经形成了一百余家从事机器人研发设计、生产制造、工程应用以及零部件配套的产业集群， 国产机器人的应用已遍及汽车制造、工程机械、食品加工等行业。

随着国产机器人应用场景越来越广泛,仅仅保证重复性指标已经不能满足需求，国产机器人绝对定位精度较低的弊端越来越凸显，成为限制国产工业机器人发展的绊脚石，如何提高绝对定位精度成为国产机器人厂家亟待解决的问题。

2016年我国正式开始建立实施机器人检测认证制度，以助力国产机器人质量控制和自主创新能力提升，助推国产机器人产业进步升级，增强我国在全球机器人产业标准和合格评定程序制定方面的话语权和国际竞争力。

机器人检测认证制度的实施，需要建立规范的标准及认证方式，也需要系统全面的检测手段支撑，然而在机器人整体性能指标检测领域，还并没有一套完备的解决方案。

利用激光跟踪仪对机器人进行标定的方法一、本文概述随着机器人技术的飞速发展，机器人在工业、医疗、军事等领域的应用越来越广泛。

机器人的定位精度和运动性能直接决定了其工作效率和准确性，因此，对机器人进行精确标定至关重要。

激光跟踪仪作为一种高精度测量设备，因其非接触性、高效率和高精度等特点，被广泛应用于机器人标定领域。

本文旨在介绍一种利用激光跟踪仪对机器人进行标定的方法，通过该方法可以实现对机器人位姿参数的精确测量和校准，提高机器人的定位精度和运动性能，为机器人在各领域的应用提供有力支持。

本文首先介绍了机器人标定的基本概念和重要性，以及激光跟踪仪的基本原理和优势。

接着，详细阐述了利用激光跟踪仪对机器人进行标定的具体步骤和方法，包括标定前的准备工作、标定过程中的数据采集和处理、以及标定结果的评估和应用。

本文还讨论了标定过程中可能遇到的问题和解决方法，以确保标定结果的准确性和可靠性。

通过本文的介绍，读者可以深入了解利用激光跟踪仪对机器人进行标定的基本原理和方法，掌握相关技术和应用，为机器人在各领域的应用提供有力支持。

本文也为相关领域的研究人员和技术人员提供了有益的参考和借鉴。

二、激光跟踪仪基本原理及特点激光跟踪仪是一种高精度、非接触式的测量设备，其基本原理基于激光测距和角度测量。

激光跟踪仪通过发射一束激光并追踪其反射光，测量激光发射器与目标点之间的距离。

通过内置的旋转关节和角度编码器，激光跟踪仪可以精确地测定目标点在空间中的方向。

结合距离和方向信息，激光跟踪仪能够计算出目标点在三维坐标系中的精确位置。

激光跟踪仪具有多种显著特点。

其测量精度高，可达到微米级甚至纳米级，适用于对机器人等精密设备的标定工作。

激光跟踪仪的测量速度快，能够实现实时跟踪和测量，提高工作效率。

激光跟踪仪具有非接触式测量的优点，不会对目标点产生任何机械力或热影响，从而避免了可能引起的误差。

激光跟踪仪的操作简单，只需将目标点置于激光束的照射范围内，即可进行自动跟踪和测量，无需复杂的操作和调整。

两种工业测量系统坐标转换精度分析工业测量系统是现代工业技术的主要组成部分，其具有较强的现场测量、计算和实时分析功能、能满足工业产品质量现场检测和控制的要求。

由于实际测量工作中在不同坐标系的点位误差的存在，对其进行精度检测是非常有必要的。

本文通过公共点转换法对工业测量系统中的全站仪测量系统和激光跟踪仪测量系统坐标转换测量精度进行分析和研究。

标签：工业测量系统公共点坐标转换精度分析1研究背景近年来随着我国国民经济的快速发展，先进的工业制造水平也对工业测量技术提出了许多新的要求，主要表现在：测量目标的尺寸越来越大，测量的精度要求越来越高，测量目标及现场环境越来越复杂，动态测量越来越多。

工业测量系统于各行各业中的作用日益凸显。

本文分别通过对全站仪测量系统、激光跟踪仪测量系统进行实验和数据的分析、对比其公共点坐标转换的精度。

具体工作是利用全站仪TDA5005和激光跟踪仪AT901-B，分别在每个系统下设计并进行了A、B、C三个测站，每个测站四个测回对十六个点进行测量，得出每个点的坐标。

选取公共点坐标转换的方法，多次分析不同位置、不同数量的公共点转换的精度。

2工业测量系统简介2.1全站仪全站仪也称为全站式电子速测仪，是由电子测角，电子测距，电子计算机和数据存储单元等组成的三维坐标测量系。

仪器的三轴中心O为测量坐标系原点，水平度盘为XOY平面，其中水平度盘零方向为Y轴，水平度盘垂线向上方向为Z轴。

测距采用红外测距原理，以棱镜和反射片为测距合作目标，通过相位法获得待测距离。

实验中采用TDA5005全站仪。

2.2激光跟踪仪简介激光跟踪仪实际上是由一台激光干涉测距和自动跟踪的全站仪[1]。

激光跟踪仪硬件基本包含五个部分：角度测量部分、距离测量部分、跟踪控制部分、激光跟踪仪控制器部分、支撑部分，激光跟踪测量系统的软件是系统的重要组成部分，软件主要实现控制、测量、校准、分析、计算等功能。

测量系统不仅可以测量静态点，还可以对动态目标进行连续跟踪测量，包括连续采样、格网采样和进行表面测量等动态测量建模[2]。

Leica AT901激光跟踪仪使用指导书Leica激光跟踪仪是一种高精密测量仪器，只有经过Leica服务工程师培训并合格的人员才能操作该机器。

激光跟踪仪系统组成：硬件系统和软件系统（1）激光跟踪仪硬件系统（3D）包括1；跟踪仪本体既跟踪仪主机、加长套筒、底盘、快速锁紧装置、跟踪仪控制器、电机电缆、传感器电缆及反射镜（0.5inch、1.5inch、75mm）、控制器电源线、RJ-45网线、环境气象站（AT METEO STATION）。

2；主要的硬件部件作用：跟踪仪本体：发出及接受反射回的激光、是测量的核心部件；加长套筒：加高跟踪仪本体；底盘：带轮三角底盘即便于拖运又具有高的稳定性；快速锁紧装置：连接跟踪仪主机与加长套筒的装置；跟踪仪控制器：控制跟踪仪即发出指令、接受数据、处理数据、传递数据、为跟踪仪本体供电等；电机电缆：连接跟踪仪与跟踪仪本体的供电线路；传感器电缆：控制器与跟踪仪之间信号传递线路；反射镜：接受并返回激光束的耦合棱镜；控制器电源线：市电与控制器之间的供电线路；市电要求：220V（峰值小于10%）、50~60HZRJ-45网线：PC机与控制器之间通信线路；环境气象站：提供实时气象因素、为激光束提供补偿数据；（2）激光跟踪仪硬件安装1；带轮的三角底盘放置稳定（牢固）位置，调平三个支撑使其在此位置稳定；确保轮处于悬空状态；2；加长套筒用内六方扳手固定于带轮底盘上；3；安装快速锁紧装置于加长套筒上并用专用扳手锁紧它；4；置激光跟踪仪于快速锁紧装置上、并旋转快速锁紧装置上的锁紧把头；5；放置控制器于安全且与激光跟踪仪相距不超过10米的位置；6；取出电机电缆和传感器电缆，必先理顺此电缆，切忌电缆线不能交叉盘曲；7；按照控制器上的指示标记；依次插入电机电缆与控制器相连接；同时按照跟踪仪本体上的指示标记、插入电机电缆与跟踪仪本体相连接；8；按照控制器上的指示标记；依次插入传感器电缆与控制器相连接；同时按照跟踪仪本体上的指示标记、插入传感器电缆与跟踪仪本体相连接；9；必须再次确认所插接的电缆线是否与控制器及跟踪仪本体已经是完全接触；10；如果以上的硬件安装确认、稳定牢固、接触正确密切；则执行下一步；11；插入RJ-45网线（AXYZ在控制器中间LAN接口、其它软件在控制器上的右侧LAN接口）；RJ-45网线另一端插入计算机（PC）LAN接口；12；插入控制器电源线并连接到交流电插板或UPS上；11；先打开计算机（PC）电源；既打开应用计算机（PC）、确认计算机已经完全进入操作系统；间隔至少60秒；执行下一步；12；当你确认应用计算机在加电情况已经能正常工作时；再打开跟踪仪控制器电源开关；13；跟踪仪控制器POWER ON；请关注控制器前面板上的指示灯及LCD上的显示信息；▲1~12秒后、跟踪仪本体应该发出激光束；（这个时间一般取决于控制系统）▲LCD上信息在经过几次快速的显示刷新后，显示三行信息，▲当开机时间大约2分钟后；请确认你通过控制器上的LCD的显示已经看到你所使用的跟踪仪的型号（类型）及相应的FW版本号；既LCD上第二行的显示▲RESET键指示灯在经过大约1~2分钟后、应该是“灭”状态；其它状态均不正常；▲激光进入预热阶段，这个过程大约需要6~8分钟左右；请留意跟踪仪本体上的激光预热指示灯的闪烁状态；当指示灯处于常亮状态既表示激光预热完成；（3）激光跟踪仪软件系统1；控制器内部系统是封闭的；操作人员不能修改或者直接对其操作；2；软件系统分为两种类型：系统软件与应用软件/测量软件；3；系统软件EmScon：分为客户端与服务器端；在你使用的PC上安装的既为客户端软件；它的功能是：设置修改、现场检查、补偿及跟踪仪服务改动；位于控制器内部的是服务器端；4；测量软件；例如：METROLOG XG；（4）激光跟踪仪测量软件使用注意项（1）；测量软件使用的网络协议：METROLOG XG应用的TCP/IP Protocol,计算机本机IP地址（IP：192.168.0.2～254选区其中的任意一个整数即可）控制器(下位机)IP地址（IP：192.168.0.1）（2）；Metrolog XG软件操作流程：1；在 “（2）激光跟踪仪硬件安装” 时 连接AT Metro Station到控制器上的USB 接口（竖直向USB接口）；2；打开你桌面上的 Metrolog XG vXX.00X；(XX:标示你所使用的测量软件的主版本)3；软件跟踪仪将首先初始化→初始化完成→选择反射镜类型→点击“F8”或选择“CMM菜单→回鸟巢” →确认环境参数已读出；开始你的测量工作；（3）；出现下面问题的原因及处理：1；脱机原因：网线插入位置错误/你PC上的IP设置错误/控制器系统联机未完成/ 没有连接跟踪仪/服务器系统意外终止/TP未启动；处理方法：硬件检查、本地IP检查、查看控制器LCD上的显示及确认Reset按钮的状态 2；服务运行忙原因：测量软件被多次打开/客户端软件EMSCON后台运行/客户端软件EMSCON运行后未重启控制器/系统在补偿模式下运行/网络端口传输大量数据未终止；处理方法：重启计算机、重启动控制器、关闭计算机并间隔时间（至少一分钟或以上）再次启动计算机、关闭控制器并间隔时间（至少一分钟或以上）再次启动控制器（5）激光跟踪仪系统现场工作的建议1.现场供电电源，尽量使用UPS，防止机器突然断电2.跟踪仪电机电缆，传感器电缆连接：主机端、控制器端电缆头插到底，不要小角度弯折，扭曲。

激光跟踪仪现场精度检查及补偿方法探析摘要本文涉及大尺寸测量设备激光跟踪仪现场精度验证与校准领域，具体是激光跟踪仪在测试现场进行长时间测量数据时，由于数据点漂移的影响，影响测量數据的准确度。

本文提出一种激光跟踪仪现场测量精度的检查及补偿方法，可以及时发现误差，并进行修正。

关键词激光跟踪仪；移站检查；补偿方法前言激光跟踪仪在现场完成一项大型零部件或工装测量时，往往需要很长的时间周期，且需要不断移动站位，以获得足够多的数据用于产品分析，而激光跟踪仪经过长时间和多站位移动测量，由于数据点漂移以及码盘转动角度精度的影响，激光跟踪仪的测量数据出现漂移较大，曾经出现过激光跟踪仪与工装直线测量和成大角度测量时数据差距达0.20mm以上，而且这个误差在测量过程中极难被发现，造成对整个测量结果的误判，对产品造成质量隐患。

为克服激光跟踪仪在现场大型零部件或工装测量中的误差，本文提出了现场精度检查方法，并通过双面精度校准对激光跟踪仪进行即时修正，修正码盘转动角度精度，减小多站位测量和数据漂移时的误差，确保了现场所测量数据的准确性和可靠性。

1 现场精度检查方法激光跟踪仪现场精度检查旨在发现现场测量大型零部件或工装测量过程中，长时间和多站位的数据测量，引起数据点漂移以及激光跟踪仪头部码盘转动角度精度下降所带来的测量误差，并通过双面精度校准对激光跟踪仪进行即时修正，减小多站位测量时的误差，保证大型零部件或工装测量的质量，具体的工作框图如下图2.1所示。

1.1 现场精度检查方案激光跟踪仪现场精度检查方案，主要是通过激光跟踪仪为中心，在位于激光跟踪仪鸟巢左边0°和90°，右边90°和180°约3米以外，分别测量1米标尺的长度。

测量过程，如图2.2所示，具体步骤如下：①连接测试好激光跟踪仪，打开测量软件，完成仪器初始化程序；②将激光跟踪仪置于中心位置；③前视方向（激光跟踪仪鸟巢正对方向）即鸟巢0°方向约3米外，测量标尺值，记录三组测量结果；④将标尺放置在距离激光跟踪仪3米外，处于鸟巢位置左方90°，测量标尺值，记录三组测量结果；⑤重复上述工作，在距离激光跟踪仪3米外，处于鸟巢右方90°和180°，分别测量标尺值，并记录三组测量结果；⑥将12组距离测量值进行比较，以最大值减去最小值记为激光跟踪仪现场精度检查误差，以Leica 激光跟踪仪为例，Leica激光跟踪仪综合测量不确定度为U=15μm+6μm/m，误差计算如下：其中：A——标尺A点距激光跟踪仪距离；B——标尺B点距激光跟踪仪距离。

利用激光跟踪仪对机器人进行标定的方法
任永杰;邾继贵;杨学友;叶声华
【期刊名称】《机械工程学报》
【年(卷),期】2007(43)9
【摘要】提出一种简单的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的方法。

通过将机器人运动学方程线性化,建立机器人末端凸缘盘位置误差与连杆D-H参数误差的关系方程。

利用激光跟踪仪确定机器人的基坐标系,并通过圆周法求解每个关节电动机的直线方程,进而可以求得机器人的连杆扭角。

通过激光跟踪仪测量机器人目标点的坐标值,并通过串口获得机器人6根轴的角度值建立标定方程。

通过求解此方程,获得机器人的实际D-H参数,并将此参数应用于修正系统的运动学模型,能够提高机器人的绝对精度。

最后对解算过程中的误差和原因进行说明,并对机器人的误差原因进行分析,指出标定过程中需要注意和改进的几个问题。

【总页数】6页(P195-200)
【关键词】机器人;定位精度;标定;激光跟踪仪
【作者】任永杰;邾继贵;杨学友;叶声华
【作者单位】天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TP24
【相关文献】
1.基于激光跟踪仪的机器人运动学参数标定方法 [J], 叶声华;王一;任永杰;李定坤
2.一种利用激光跟踪仪进行螺距补偿的方法 [J],
3.利用Leica激光跟踪仪对工业机器人现场标定的方法 [J], 李新; 茅晨; 马涛; 唐迅捷
4.基于激光跟踪仪的机器人参数标定方法 [J], 吴清锋;胡伟健
5.基于激光跟踪仪的混联机器人快速零点标定方法 [J], 潘伯钊;宋轶民;王攀峰;董罡;孙涛
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Leica绝对激光跟踪仪在工业机器人校准及检测中的应用作者：开军来源：《中国新技术新产品》2019年第23期摘; 要：该文通过对国产机器人的发展现状进行分析，详细介绍了激光跟踪仪的校准和检测技术，对激光跟踪仪的误差来源和影响进行分析，同时还提出了激光跟踪仪在工业机器人校准及检测中应用的具体流程。

国产工业机器人在高标准、高精度的加工制造领域技术仍然欠缺，所以，通过研究工业机器人校准及检测技术，弥补国产工业机器人的精度低的弊端，推动我国在工业机器人校准及检测方面科技的发展是目前研究的重点。

关键词：激光跟踪仪;工业机器人;校准;检测;误差分析;检测流程中图分类号：TP242.2; ; ; ; ; ; 文献标志码：A0 引言随着科学技术飞速的发展，我国发布了一些政策，目的是促进我国制造业的快速发展，提升我国工业机器人技术水平，从而实现从制造大国向制造强国的蜕变。

随着我国近几年来技术的迅猛发展，国产机器人实现了在工业生产中的从无到有，并形成逐渐强大的势头。

目前我国已经建成了集研发、制造、应用一条链的工业机器人产业，机器人的应用不仅仅在人们的生活服务方面，还被应用在工业制造、工程建设、食品加工等各个行业领域。

但随着国产工业机器人的大范围使用，对机器人的性能也有了极大的考验，国产工业机器人在一些高精度领域的应用更是暴露了精度低的问题，要想满足工业的需要，提高国际竞争力，就必须弥补这一缺陷，所以如何提高国产工业机器人的精度成了如今研究和讨论的重点。

1 国产工业机器人的现状1.1 国产工业机器人的不足该文主要从工业机器人的性能指标方面对工业机器人的问题进行讨论，主要涉及静态柔顺性、准确度、重复性、位置稳定时间、拐角偏差和互换性等方面，从这些观察分析中可以发现，工业机器人有2个重要的性能指标，分别是准确性和重复性。

准确性是指机器人在接到指令后，到达准确位置的能力。

重复性是工业机器人根据记忆重复到达某一位置的能力，即绝对定位精度和重复定位精度。