制造业是国民经济的基石,支撑着国家在不同时期的稳定发展。随着工业机器人应用技术的发展,人工示教形式的在线编程难以高效地完成复杂的生产作业,制造业企业对机器人离线编程技术的需求日益增加。然而,目前工业机器人通常具有很高的重复定位精度（0.1mm左右或更好）,但其绝对定位精度偏低（数毫米或更差）,这成为限制工业机器人应用范围的重要因素,尤其是在离线编程等精度要求较高的应用场合,机器人标定则是解决这一问题的有效技术手段。传统机器人标定方法借助昂贵、笨重的外部测量设备获取机器人位姿,存在成本高、便携性差等缺点。自标定方法是指利用物理约束、传感器等方式替代外部测量设备的标定方法,可以克服传统标定的大部分缺点。良好的机器人自标定方法应具备误差参数满足连续性、完备性的标定模型,和测量范围大、精度可靠、低成本且便携的标定测量装置。针对上述问题,本文提出了一种由安装在机器人末端法兰的球心坐标测量装置、相对机器人基座固定的三球座和可移动的双球座组成的便携式、低成本自标定装置,分别利用球面约束、点约束和距离约束,可在广域工作空间内对机器人进行距离误差测量,提高了标定结果的精度和可靠性;同时,利用三球座可定义用于描述机器人工作单元中各个坐标系的外部参考坐标系,并在局部工作空间内对机器人进行位置误差测量。根据所设计的装置,分别提出了基于距离误差的双球座标定算法、基于位置误差的三球座标定算法以及结合距离、位置误差信息的两步自标定算法。提出的两步标定方法在第一步利用大范围工作空间内的距离误差信息对机器人运动学参数进行标定;然后,在第二步建立外部参考坐标系,并利用位置误差信息实现机器人基坐标系位姿的标定,同时也进一步提高了第一步标定得到的标定精度;最终,得到一个在外部参考坐标系下描述的精确运动模型,提高了机器人的绝对定位精度,进而提高了机器人离线编程等应用的可靠性和精度,是一种相对可靠的标定方法。针对提出的3种标定算法,不同于局部指数公式在已有机器人标定研究中的应用,本文采用了旋量前置式的局部指数积公式,并引入位置伴随变换矩阵,建立了形式进一步简化、结构线性统一,同时误差参数满足完备性、连续性要求的自标定模型。最后,对自标定算法进行了仿真,仿真结果表明提出的双球标定算法和两步自标定算法均能在噪声干扰下快速收敛至噪声幅度所在的量级,验证了标定算法的有效性和鲁棒性。基于所设计的装置和提出的算法,搭建了机器人自标定系统,并对其开展了实验研究。实验结果验证了提出的两步标定算法和三球标定算法在实际标定实验中对机器人位置误差补偿的有效性,同时也表明了设计的自标定测量装置具有一定的实用性。