1.本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种机械臂零位自动标定装置及方法。
背景技术：
2.机械臂零位标定是指将机械臂的各关节位置移动到一个已定义的参考坐标位置，然后机械臂才能够以此零位为基础指定其运动的位置和方向。扦样机作为一种特殊用途的机械臂，目前，有一些通过在关节处加装传感器来进行标定，但这种标定方法会由于加工装配误差、关节到臂杆之间存在误差放大等原因，导致零位标定不精确。
3.现有技术中还公开了一些标定方法，例如cn105806309a公开了一种基于激光三角测距的机器人零位标定系统与方法，包括标定器、靶标和控制器，标定器由两个具有绝对位移测量功能的激光三角位移传感器和一个外壳组成，两个激光三角位移传感器的读数直接传送到控制器，控制器通过数据处理实现机器人零位标定；cn110779554a公开了一种机械臂、基于imu的初始位姿的校准系统与方法，获取安装于机械臂各关节处的imu所采集到的初始姿态角；当对全部所述imu以及机械臂各关节处的电机通电后，根据初始姿态角计算得到机械臂任意相邻两个关节的相对旋转角度；根据相对旋转角度和预设角度的差值作为机械臂各关节处电机的执行角度，实现机械臂初始零位校准。
4.由于扦样机体型庞大、且要在距离地面一定高度的滑轨支架上进行作业，会导致标定设备安装困难，且会对后续作业造成障碍，因此并不适合采用上述外置式的标定方式。同时由于扦样机除旋转关节外还具有平移关节，因此单纯依靠imu也不能实现各关节的初始零位标定。
技术实现要素：
5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种机械臂零位自动标定装置及方法，能够适用于体型庞大的扦样机零位标定，提高零位标定效率、准确性和安全性。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：第一方面，本发明的实施例提供了一种机械臂零位自动标定装置，包括：平移标定模块，包括超声波测距传感器、平移标定遮挡件和第一光电开关，所述超声波测距传感器置于扦样机滑轨的一端，用于测量与滑轨配合的平移底座距坐标原点的x轴向距离；所述第一光电开关固定于平移底座底面，平移标定遮挡件固定于滑轨一端设定位置，且所述位置满足平移标定遮挡件由第一光电开关的槽口穿过时，平移底座中心位于坐标原点处；俯仰标定模块，包括倾角传感器，所述倾角传感器用于测量扦样机俯仰悬臂的俯仰角度，以根据俯仰角度值标定俯仰零位；旋转标定模块，包括激光测距传感器和多个第二光电开关，激光测距传感器用于标定俯仰悬臂关节处的旋转零位，第二光电开关用于判断俯仰悬臂所处方位区间。
7.作为进一步的实现方式，所述滑轨一端安装限位挡板，超声波测距传感器固定于
限位挡板中间位置，且超声波测距传感器轴线与滑轨轴线平行。作为进一步的实现方式，所述限位挡板还设有限位挡块，以通过限位挡块端面确定超声波测距传感器检测盲区。
8.作为进一步的实现方式，所述滑轨另一端设置有限位遮挡件，限位遮挡件与平移标定遮挡件位于同一平面内；所述限位遮挡件穿过第一光电开关的槽口时，平移底座与滑轨端部具有设定距离。作为进一步的实现方式，所述倾角传感器的安装面与俯仰悬臂的下表面平行。
9.作为进一步的实现方式，所述俯仰悬臂通过旋转支座连接旋转支柱，旋转支柱靠近旋转支座的一端安装有固定圆盘；多个第二光电开关间隔布置于固定圆盘，第二光电开关上侧设有与旋转支座同轴安装的旋转辨位盘；所述激光测距传感器固定于扦样杆顶部。作为进一步的实现方式，所述旋转辨位盘朝向第二光电开关的一侧表面具有高度不同的凸起，以形成凸半环和凹半环。
10.第二方面，本发明的实施例还提供了一种机械臂零位自动标定方法，采用所述的标定装置，平移零位标定、俯仰零位标定和旋转零位标定依次进行；所述平移零位标定过程为：通过超声波测距传感器判断平移底座中心相对于原点的位置区间，以判断移动速度区间划分和移动方向，带有槽口的第一光电开关用于配合超声波测距传感器实现x轴方向零位标定；所述俯仰零位标定过程为：判断倾角传感器所测得俯仰角度值的正负，根据俯仰角度值正负控制俯仰悬臂向下或向上转动，直至俯仰角度值等于0，停止俯仰悬臂转动；所述旋转零位标定过程为：采用第二光电开关和旋转辨位盘判断俯仰悬臂所处方位区间，采用激光测距传感器标定旋转零位。
11.作为进一步的实现方式，所述平移零位标定过程中，以超声波测距传感器检测距平移底座一端端面之间的距离为u，当平移底座中心回到坐标原点时，以超声波测距传感器检测到平移底座一端端面之间的距离为u0，以u1为低速运动区间，
△
u为微小判别区间；当检测到u0
△
u《u≤u1时，平移底座以慢速向一端移动，直到第一光电开关检测到平移标定遮挡件从槽口穿过时，使平移底座停止；当检测到u0《u≤u0
△
u时，平移底座以慢速向一端移动，当第一光电开关检测到平移标定遮挡件从槽口穿过时，使平移底座停止；当检测到u0
‑△
u≤u《u0时，平移底座以慢速向另一端移动，当第一光电开关检测到平移标定遮挡件从槽口穿过时，使平移底座停止；当检测到u《u0
‑△
u时，平移底座以慢速向另一端移动，直到第一光电开关检测到平移标定遮挡件从槽口穿过时，使平移底座停止。
12.作为进一步的实现方式，俯仰悬臂所处方位划分为多个区间；当旋转臂驱动电机的绝对编码器转动|q2-q1|/2的圈数，最后停止转动，既此位置为旋转零位；其中，q1表示扦样杆运动到a点上方时旋转臂驱动电机的绝对编码器数值，q2表示扦样杆运动到b点上方时旋转臂驱动电机的绝对编码器数值；激光测距传感器的激光竖直轴线与滑轨一侧边线交点为a，另一侧边线交点为b。
13.本发明的有益效果如下：（1）本发明通过设置平移标定模块、俯仰标定模块和旋转标定模块，能够适用于体型庞大的扦样机零位标定，且不会对后续作业造成影响，能够有效避免零位标定不准确的问题，提高了零位标定的效率、准确性和安全性。
14.（2）本发明采用超声波测距传感器判断平移底座中心相对于原点的位置区间，并配合带有槽口的第一光电开关实现平移零位标定，能够在不同的范围区间采用不同的移动速度，能够有效避免因移动速度过快、惯性过大和响应延迟导致的平移零位标定不准确，也能够避免因移动速度过慢而导致标定过程效率低等问题。
15.（3）本发明采用安装在俯仰悬臂中部的倾角传感器进行俯仰零位标定，能够减少在关节处因加工装配误差等原因导致的俯仰零位标定不准确，提高了俯仰零位标定的准确性。
16.（4）本发明采用第二光电开关和旋转辨位盘实现俯仰悬臂所处方位区间判断，采用激光测距传感器进行旋转零位标定，方位区间判断是为了让俯仰悬臂能够判断所处方位范围，以便用最短的时间旋转至零位，采用安装在杆臂末端的旋转零位标定方式，能够有效避免由于加工装配误差、关节到臂杆之间存在误差放大等原因导致的标定不准确，解决了现有旋转零位标定方式导致的误差问题。
附图说明
17.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
18.图1是本发明根据一个或多个实施方式的零位自动标定装置结构示意图；图2是本发明根据一个或多个实施方式的传感器布置示意图；图3是本发明根据一个或多个实施方式的标定过程流程图；图4是本发明根据一个或多个实施方式的m处移动关节局部放大图；图5是本发明根据一个或多个实施方式的n处旋转关节局部放大图；图6是本发明根据一个或多个实施方式的旋转关节传感器布置示意图；图7是本发明根据一个或多个实施方式的水平零位标定原理图；图8是本发明根据一个或多个实施方式的旋转辨位盘结构示意图；图9是本发明根据一个或多个实施方式的旋转零位标定原理图。
19.其中，1、滑轨支架，11、限位挡板，12、超声波测距传感器，13、限位挡块，14、平移标定遮挡件，15、限位遮挡件；2、平移底座，21、第一光电开关，22、旋转支柱，23、第二光电开关；3、旋转臂，31、旋转辨位盘，32、旋转支座；4、俯仰悬臂，41、倾角传感器；5、扦样杆，51、激光测距传感器。
具体实施方式
实施例一：本发明的一个典型实施例中，如图1所示，给出一种机械臂零位自动标定装置。
20.本实施例的零位自动标定装置针对粮食扦样机，粮食扦样机包括滑轨支架1、平移底座2、旋转臂3、俯仰悬臂4、扦样杆5，滑轨支架1顶部安装滑轨，平移底座2与滑轨滑动配
合，使平移底座2能够沿滑轨移动；平移底座2顶部安装旋转支柱22，旋转支柱22顶部安装旋转臂3，使旋转臂3可相对于平移底座2旋转；旋转臂3与俯仰悬臂4一端相连，俯仰悬臂4另一端与扦样杆5铰接，俯仰悬臂4能够相对于旋转臂3上下转动。扦样杆5可以通过平行四边形机构或者电机驱动使其能够一直处于竖直下垂状态，以便能够实现垂直扦样工作。
21.如图1和图4所示，滑轨支架1的两端分别固定一个限位挡板11。为了便于描述，本实施例按照图1视图方向定义“左”、“右”。
22.需要说明的是，本实施例中的平移标定遮挡件14定义为用于平移零位标定过程中与第一光电开关21配合产生感应信号的部件；限位遮挡件15定义为用于限定平移底座2移动位置的部件，旋转辨位盘31定义为用于分辨方位区间的盘状结构。
23.首先进行坐标定义，如图2所示，定义沿滑轨轴线向右为x轴正方向，垂直滑轨轴线向外为y轴正方向，垂直滑轨轴线竖直向上为z轴正方向，坐标原点定义在距离滑轨支架1左端面适当距离，该距离应该保证平移底座2在回原点后，不会与滑轨支架1左端部限位挡板11相撞，且要留有一定距离。
24.其次定义从俯视看绕旋转臂3轴线逆时针旋转为的正方向，并定义扦样杆5旋转至右侧与x轴处于同一平面内为旋转角度=0
°
，可实现360
°
旋转。最后定义从正视看俯仰悬臂4绕其关节逆时针旋转为的正方向，并定义旋转臂3旋转至平行于x轴为旋转角度= 0
°
，只能实现正负不超过90
°
的旋转，具体要结合硬件尺寸和扦样需求来设计。
25.具体的，如图4所示，平移标定模块包括超声波测距传感器12、平移标定遮挡件14和第一光电开关21，超声波测距传感器12固定于滑轨支架1左端限位挡板11的中间位置，安装时使其轴线与滑轨轴线平行，用于测量平移底座2到坐标原点沿x轴的距离。
26.滑轨支架1侧面距左端一定距离设置平移标定遮挡件14，距右端一定距离设置有限位遮挡件15；第一光电开关21固定安装在平移底座2底面，并与滑轨支架1侧壁之间有一定距离。第一光电开关21朝向滑轨支架1一侧开有槽口，该槽口为u型槽，安装时需要保证平移底座2在沿滑轨x轴方向移动时，平移标定遮挡件14能够从第一光电开关21的槽口中穿过，以便能够产生感应信号；并且要使得平移标定遮挡件14穿过槽口时，平移底座2的中心能够停在坐标原点o处。
27.限位遮挡件15与平移标定遮挡件14处于同一平面内，保证限位遮挡件15在穿过第一光电开关21的槽口停止时，不应与滑轨支架1的右端部限位挡板11接触。
28.超声波测距传感器12由于存在盲区，因此要使其安装后的盲区小于到限位挡块13右端面，以此来保证超声波测距传感器12左端近距离处能够实现有效的检测。
29.由于需要扦样的粮车较长，因此滑轨支架1一般长度都较长，但是超声波测距的盲区及测量误差都会随着量程的增大而增加，不利于传感器布置以及精确标定，因此选择量程小于滑轨长度的超声波测距传感器12，当检测不到距离信息时则认为平移底座2处于右端远距离处，因为装置的目的是实现左端的零位标定，所以这种情况只需要控制平移底座2右移即可。
30.平移零位标定模块用于使扦样机的平移底座2中心能够准确的停在坐标原点o处，具体的水平零位标定原理如下：超声波测距传感器12因易受环境影响产生零点漂移而影响标定精度，因此配合第
一光电开关21使用，实现平移底座2水平移动方向的自动零位标定。具体的，超声波测距传感器12主要用来判断平移底座2中心相对于原点o的位置区间，以便实现移动速度区间划分和移动方向判断，第一光电开关21用来实现x轴方向零位标定。
31.如图7所示，定义超声波测距传感器12检测到平移底座2左端面之间的距离为u。当平移底座2的中心回到坐标原点时，定义超声波测距传感器12检测到平移底座2左端面之间的距离为u0。为了防止当初始时刻平移底座2的中心处于原点左右较小距离，但因超声波测距传感器12的测量误差而导致所处实际原点左右误判，定义微小判别区间为
△
u，定义平移最大速度为v。
32.u1定义为低速运动区间，当u《u1时应使得平移底座2以(0.1~0.2)v的速度移动，能够防止因速度过快带来的运动惯性以及响应延迟而导致未能准确到达原点o处；当u》u1时应使得平移底座2以(0.8~0.9)v的速度移动，以便能够快速到达原点，减少标定时间。
33.俯仰标定模块包括倾角传感器41，如图1所示，倾角传感器41安装于俯仰悬臂4中部的下端面，且倾角传感器41的安装面与俯仰悬臂4的下表面平行。判断倾角传感器41所测得俯仰角度值的正负，根据俯仰角度值正负控制俯仰悬臂4向下或向上转动，直至俯仰角度值等于0。
34.旋转标定模块包括第二光电开关23、旋转辨位盘31和激光测距传感器51，激光测距传感器51竖直安装于扦样杆5的顶部；如图5和图6所示，旋转臂3包括旋转支座32，旋转支座32底部安装旋转辨位盘31，旋转辨位盘31与旋转支座32底部的旋转轴线同轴固定安装，旋转辨位盘31能够相对于旋转支柱22旋转；旋转支柱22顶部靠近旋转辨位盘31安装有固定圆盘，第二光电开关23安装于固定圆盘朝向旋转辨位盘31的一侧表面。
35.在本实施例中，第二光电开关23为漫反射光电开关，共设置三个。
36.如图8所示，旋转辨位盘31为左右凸起高度不同的环状结构，即其一侧形成凸半环，另一侧形成凹半环。
37.三个漫反射光电开关分别编号为a、b、c，如图9所示，漫反射光电开关a和漫反射光电开关c安装于俯仰悬臂4顺时针旋转抬升45
°
时，激光测距传感器51的激光竖直轴线与滑轨支架1的滑轨两侧边线交点a和b，经旋转臂3轴心o的延长线与旋转辨位盘31内外环中间的圆的交点上。漫反射光电开关b安装于俯仰悬臂4顺时针旋转抬升45
°
时，激光测距传感器51的激光竖直轴线与滑轨支架1的滑轨中轴线交点，经旋转臂3轴心o的延长线与旋转辨位盘31内外环中间的圆的交点上。旋转辨位盘31的左右高低半侧的分界线应与俯仰悬臂4处于水平时的轴线在同一竖直平面内，其随旋转支座32一同旋转。
38.现有技术中，采用只基于旋转臂3旋转关节处的旋转件和固定件上的光电开关与遮挡件对准来实现旋转零位标定，由于扦样机的加工装配误差以及旋转关节处误差会在扦样杆5处放大，所以并不能保证当旋转关节标定为零位时，扦样杆5能够旋转至右侧与x轴处于同一平面内。
39.因此，本实施例采用的旋转零位标定方法具体为：采用三个漫反射光电开关和旋转辨位盘31来实现俯仰悬臂4所处方位区间判断，采用激光测距传感器51进行旋转零位标定，方位区间判断是为了让俯仰悬臂4能够判断所处方位范围，以便用最短的时间旋转至零位。
40.本实施例通过平移标定模块、俯仰标定模块和旋转标定模块，能够有效避免因零
位标定不准确，而导致实际扦样不能到达理论位置或随机扦样点生成到粮车之外，避免因无效扦粮而浪费时间，提高了粮食扦样机零位标定的效率、准确性和安全性。
41.实施例二：本实施例提供了一种机械臂零位自动标定方法，采用实施例一所述的标定装置，扦样机的工作流程如图3所示，首先开始上电后，依次进行平移零位、俯仰零位和旋转零位的自动标定，然后通过激光测距传感器51完成粮车定位，最后进行随机扦样，直到扦样结束。
42.其中，水平移动零位标定过程为：首先要在扦样机系统供电的初始时刻根据超声波测距传感器12测量得到的距离u来判断平移底座2所处初始位置区间，当没有检测到距离时，则认为平移底座2处于右端超出检测量程的位置，需要控制平移底座2以较快的速度左移，直到检测到距离u≤u1，让平移底座2先均匀减速然后以较慢速度向左移动，直到第一光电开关21检测到平移标定遮挡件14从中间穿过时让平移底座2停止。
43.当检测到u》u1时，需要让平移底座2以较快初始速度向左移动，直到u≤u1时让平移底座2先均匀减速然后以较慢速度向左移动，直到第一光电开关21检测到平移标定遮挡件14从中间穿过时让平移底座2停止；当检测到u0
△
u《u≤u1时，让平移底座2以较慢速度向左移动，直到第一光电开关21检测到平移标定遮挡件14从中间穿过时让平移底座2停止；当检测到u0《u≤u0
△
u时，让平移底座2以较慢速度向左移动，当第一光电开关21检测到平移标定遮挡件14从中间穿过时让平移底座2停止，若移动了2
△
u的距离第一光电开关21还未检测到信号，则认为是因为超声波测距传感器12的误差导致位置区间误判，此时需要停下然后以较慢速度向右移动，直到第一光电开关21检测到信号停止；当初始时刻第一光电开关21就检测到遮挡信号，并且u在u0的附近时，则认为平移底座2的中心就处于水平零位位置；当检测到u0
‑△
u≤u《u0时，让平移底座2以较慢速度向右移动，当第一光电开关21检测到平移标定遮挡件14从中间穿过时让平移底座2停止，若移动了2
△
u的距离第一光电开关21还未检测到信号，则认为也是因为超声波测距传感器12的误差导致位置区间误判，此时需要停下然后以较慢速度向左移动，直到第一光电开关21检测到信号停止；当检测到u《u0
‑△
u时，让平移底座2以较慢速度向右移动，直到第一光电开关21检测到平移标定遮挡件14从中间穿过时让平移底座2停止。
44.俯仰零位标定过程：首先要判断倾角传感器41所测得俯仰角度值的正负，当俯仰角度值大于0，则代表俯仰悬臂4处于俯仰零位之上，此时需要控制俯仰悬臂4向下转动，直到所测俯仰角度值等于0停止转动；当俯仰角度值小于0，则代表俯仰悬臂4处于俯仰零位之下，此时需要控制俯仰悬臂4向上转动，直到所测俯仰角度值等于0停止转动，实现俯仰零位的标定。
45.旋转零位标定原理为：如图9所示，俯仰悬臂4所处方位划分为6个区间，滑轨中轴线与ao之间为1区；ao与bo延长线之间为2区；bo延长线与滑轨中轴线之间为3区；滑轨中轴线与ao延长线之间为4区；ao延长线与bo之间为5区；bo与滑轨中轴线之间为6区。
46.三个漫反射光电开关a、b、c检测到旋转辨位盘31的凸半环所产生的信号为“1”，检测到旋转辨位盘31的凹半环所产生的的信号为“0”。当检测到“a=1；b=1；c=0”时，代表俯仰悬臂4处于1区；当检测到“a=1；b=1；c=1”时，代表俯仰悬臂4处于2区；当检测到“a=1；b=1；c=
1”时，代表俯仰悬臂4处于3区；当检测到“a=0；b=0；c=1”时，代表俯仰悬臂4处于4区；当检测到“a=0；b=0；c=0”时，代表俯仰悬臂4处于5区；当检测到“a=1；b=0；c=0”时，代表俯仰悬臂4处于6区。
47.当初始时刻俯仰悬臂4位于1区时，首先控制旋转臂3逆时针旋转，当检测到激光测距传感器51的测量距离突变时，此时表示扦样杆5运动到了a点上方，记录此时旋转臂3驱动电机的绝对编码器数值q1，其次控制旋转臂3顺时针旋转，直到检测到激光测距传感器51的测量距离再次突变时，此时表示扦样杆5运动到了b点上方，记录此时旋转臂3驱动电机的绝对编码器数值q2，然后控制旋转臂3再逆时针旋转，使得旋转臂3驱动电机的绝对编码器转动|q2-q1|/2的圈数，最后停止转动，既可以认为此位置为旋转零位。
48.当初始时刻俯仰悬臂4位于2区或3区时，首先控制旋转臂3顺时针旋转，当检测到激光测距传感器51的测量距离突变时，此时表示扦样杆5运动到了a点上方，记录此时旋转臂3驱动电机的绝对编码器数值q1，其次控制旋转臂3继续顺时针旋转，直到检测到激光测距传感器51的测量距离再次突变时，此时表示扦样杆5运动到了b点上方，记录此时旋转臂3驱动电机的绝对编码器数值q2，然后控制旋转臂3逆时针旋转，使得旋转臂3驱动电机的绝对编码器转动|q2-q1|/2的圈数，最后停止转动，既可以认为此位置为旋转零位。
49.当初始时刻俯仰悬臂4位于4区或5区时，首先控制旋转臂3逆时针旋转，当检测到激光测距传感器51的测量距离突变时，此时表示扦样杆5运动到了b点上方，记录此时旋转臂3驱动电机的绝对编码器数值q1，其次控制旋转臂3继续逆时针旋转，直到检测到激光测距传感器51的测量距离再次突变时，此时表示扦样杆5运动到了a点上方，记录此时旋转臂3驱动电机的绝对编码器数值q2，然后控制旋转臂3顺时针旋转，使得旋转臂3驱动电机的绝对编码器转动|q2-q1|/2的圈数，最后停止转动，既可以认为此位置为旋转零位。
50.当初始时刻俯仰悬臂4位于6区时，首先控制旋转臂3顺时针旋转，当检测到激光测距传感器51的测量距离突变时，此时表示扦样杆5运动到了b点上方，记录此时旋转臂3驱动电机的绝对编码器数值q1，其次控制旋转臂3逆时针旋转，直到检测到激光测距传感器51的测量距离再次突变时，此时表示扦样杆5运动到了a点上方，记录此时旋转臂3驱动电机的绝对编码器数值q2，然后控制旋转臂3再顺时针旋转，使得旋转臂3驱动电机的绝对编码器转动|q2-q1|/2的圈数，最后停止转动，既可以认为此位置为旋转零位。
51.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。