串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法及標(biāo)定系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法及標(biāo)定系統(tǒng)，通過(guò)光學(xué)定位儀在上位機(jī)中建立用于求得修正臂桿參數(shù)的被測(cè)關(guān)節(jié)及其相鄰關(guān)節(jié)的軸線模型、輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)角的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、并進(jìn)行零位誤差校準(zhǔn)。由于上述計(jì)算結(jié)果能夠真實(shí)反應(yīng)機(jī)器人的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)D-H參數(shù)進(jìn)行修正，因此能夠采用低成本的光學(xué)跟蹤定位測(cè)試儀器—NDI光學(xué)定位儀，從運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、關(guān)節(jié)傳動(dòng)回差和零位定位三方面，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度進(jìn)行了分析與誤差補(bǔ)償，既提高了精度，又降低了成本。
【專利說(shuō)明】串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法及標(biāo)定系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種機(jī)器人校準(zhǔn)方法和設(shè)備，具體涉及一種串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法及標(biāo)定系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人的機(jī)械臂一般通過(guò)多個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)臂桿組合實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)功能，在自動(dòng)搬運(yùn)、裝配、焊接、噴涂等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。由于串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人經(jīng)常工作在對(duì)精確性和安全性要求較高的應(yīng)用中，這就要求機(jī)器人具有很高的絕對(duì)定位精度。但重復(fù)精度較高、絕對(duì)定位精度較低是目前機(jī)器人應(yīng)用中眾所周知的事實(shí)，一般情況下絕對(duì)定位精度僅為2?3_，不能很好滿足機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用需要，因此對(duì)機(jī)器人絕對(duì)定位精度分析的研究具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]影響機(jī)器人絕對(duì)定位精度的絕對(duì)定位誤差主要包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差(制造及裝配導(dǎo)致的連桿長(zhǎng)度尺寸誤差、軸線角度誤差)、關(guān)節(jié)傳動(dòng)誤差(傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙、回差)和零位誤差(零位傳感器安裝誤差)。
[0004]由于存在加工和裝配誤差，用D-H參數(shù)法建立的理想運(yùn)動(dòng)學(xué)模型不能真實(shí)反映機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。為了解決這一問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中在機(jī)器人進(jìn)行精密加工與裝配后，利用測(cè)量?jī)x器手工多次測(cè)量機(jī)器人關(guān)節(jié)長(zhǎng)度、軸線夾角等數(shù)據(jù)，依此測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人D-H參數(shù)進(jìn)行修正。這種手工方法雖然具有簡(jiǎn)單、易操作、成本低的特點(diǎn)，但是測(cè)量、計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，自動(dòng)化程度不高，不可避免地引入人為誤差和隨機(jī)誤差，測(cè)量數(shù)據(jù)因受到不確定因素的影響而不唯一、精度低、可信度差。
[0005]目前機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的標(biāo)定集中在針對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)的理論方法研究上，常借助高精度的測(cè)試設(shè)備如:FAR0、萊卡等激光跟蹤儀。標(biāo)定過(guò)程中，通過(guò)單關(guān)節(jié)軸(沿軸線方向固定)的旋轉(zhuǎn)，采集其關(guān)節(jié)末端空間平面位置的三個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算該關(guān)節(jié)軸在此平面內(nèi)的軸心坐標(biāo)及關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)半徑長(zhǎng)度，則該半徑值為桿件長(zhǎng)度的修正值。
[0006]但是，這些高精度的測(cè)試設(shè)備價(jià)格昂貴，普通研究開(kāi)發(fā)單位無(wú)力也無(wú)意購(gòu)買，因此，無(wú)法進(jìn)行相關(guān)的具體標(biāo)定工作。再者上述測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)分析不夠全面，僅對(duì)機(jī)器人桿件參數(shù)進(jìn)行修正，沒(méi)有對(duì)關(guān)節(jié)軸的軸線夾角進(jìn)行分析與修正，也沒(méi)有對(duì)關(guān)節(jié)傳動(dòng)誤差(傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙、回差)和零位誤差(零位傳感器安裝誤差)進(jìn)行分析與補(bǔ)償；在測(cè)試中多取三個(gè)點(diǎn)作為計(jì)算桿件長(zhǎng)度的修正值，數(shù)據(jù)的計(jì)算方法不夠嚴(yán)謹(jǐn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提出一種同時(shí)從D-H參數(shù)的修正、關(guān)節(jié)傳動(dòng)回差誤差校準(zhǔn)和零位誤差校準(zhǔn)三個(gè)方面，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的絕對(duì)定位誤差進(jìn)行分析與補(bǔ)償，能夠更加真實(shí)地反映機(jī)器人的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，有效提高關(guān)節(jié)傳動(dòng)精度的串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法；以及使用該方法的標(biāo)定系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:[0009]串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法，包括:
[0010]D-H參數(shù)的修正:在與被測(cè)關(guān)節(jié)連接的臂桿上設(shè)置標(biāo)識(shí)點(diǎn)，通過(guò)光學(xué)定位儀在上位機(jī)中建立所述被測(cè)關(guān)節(jié)的軸線模型，相鄰關(guān)節(jié)的軸線之間的最短距離則為所述臂桿的桿長(zhǎng)參數(shù)，相鄰關(guān)節(jié)的軸線之間的夾角則為所述臂桿的角度參數(shù)；
[0011]關(guān)節(jié)傳動(dòng)回差校準(zhǔn):利用所述光學(xué)定位儀測(cè)量所述被測(cè)關(guān)節(jié)以關(guān)節(jié)零位為起點(diǎn)以碼盤上相等步長(zhǎng)逐次做正向和負(fù)向轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際轉(zhuǎn)角作為樣本數(shù)據(jù)，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練；在訓(xùn)練完成的模型中以所述被測(cè)關(guān)節(jié)相對(duì)于所述關(guān)節(jié)零位的當(dāng)前位置和期望的旋轉(zhuǎn)方向作為輸入量，以電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)角為輸出量，控制所述電機(jī)；
[0012]零位誤差校準(zhǔn):機(jī)器人零位誤差校正的數(shù)學(xué)模型為:
[0013]q' = q\ + Aqi
[0014]其中，f丨為所述被測(cè)關(guān)節(jié)i相對(duì)于控制零位的名義轉(zhuǎn)角；€為所述被測(cè)關(guān)節(jié)i相對(duì)于控制零位的實(shí)際轉(zhuǎn)角；Aqi為所述被測(cè)關(guān)節(jié)i的零位誤差;在<=0時(shí)通過(guò)所述光學(xué)定位儀將零位傳感器的機(jī)械零位讀入所述上位機(jī)的機(jī)器人坐標(biāo)系中與控制零位進(jìn)行對(duì)比，得到所述被測(cè)關(guān)節(jié)i的進(jìn)而計(jì)算出Aqi并以校準(zhǔn)常數(shù)的形式保存在機(jī)器人控制系統(tǒng)中。
[0015]所述關(guān)節(jié)的軸線模 型的生成方法包括:
[0016]i)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)被測(cè)關(guān)節(jié)，帶動(dòng)所述臂桿逐次按照相等角度轉(zhuǎn)動(dòng)一周，使用光學(xué)定位儀測(cè)量并記錄所述標(biāo)識(shí)點(diǎn)的軌跡，通過(guò)所述軌跡擬合所述標(biāo)識(shí)點(diǎn)的圓心；
[0017]ii)沿所述被測(cè)關(guān)節(jié)的軸向調(diào)整所述標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置并分別擬合圓心，通過(guò)所述圓心擬合所述被測(cè)關(guān)節(jié)的軸線。
[0018]所述擬合的方法包括最小二乘法。
[0019]所述步驟i)中角度為10°。
[0020]所述關(guān)節(jié)傳動(dòng)回差校準(zhǔn)還包括，所述樣本數(shù)據(jù)在訓(xùn)練前進(jìn)行尺度變化，使所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)均落在[0，1]區(qū)間內(nèi)。
[0021]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型米用Leven berg Marquardt。
[0022]所述被測(cè)關(guān)節(jié)i相對(duì)于控制零位的實(shí)際轉(zhuǎn)角的獲取方法包括:將所述光學(xué)定位
儀中機(jī)械零位坐標(biāo)映射到所述機(jī)器人坐標(biāo)系中，得到所述零位傳感器在所述機(jī)器人坐標(biāo)系中的機(jī)械零位位置，并以此位置作為機(jī)器人規(guī)劃的目標(biāo)點(diǎn)，結(jié)合逆運(yùn)動(dòng)學(xué)反解計(jì)算出各個(gè)
關(guān)節(jié)相對(duì)于控制零位的實(shí)際轉(zhuǎn)角? β
[0023]一種使用如上述權(quán)利要求所述的串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于:它包括相互連接的光學(xué)定位儀和上位機(jī)，其中所述光學(xué)定位儀在所述上位機(jī)的控制下不斷調(diào)整，使得被測(cè)量點(diǎn)處于所述光學(xué)定位儀最佳測(cè)量范圍內(nèi)，并將測(cè)得的結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入所述上位機(jī)；所述上位機(jī)對(duì)光學(xué)定位儀的位姿進(jìn)行控制，并使用所述串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的D-H參數(shù)的修正、關(guān)節(jié)傳動(dòng)回差校準(zhǔn)和零位誤差校準(zhǔn)。
[0024]所述光學(xué)定位儀為NDI光學(xué)導(dǎo)航儀。
[0025]本發(fā)明的技術(shù)效果如下:
[0026]本方法提供了一種串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法，通過(guò)光學(xué)定位儀在上位機(jī)中建立用于求得修正臂桿參數(shù)的被測(cè)關(guān)節(jié)及其相鄰關(guān)節(jié)的軸線模型、輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)角的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、并進(jìn)行零位誤差校準(zhǔn)。由于上述計(jì)算結(jié)果能夠真實(shí)反應(yīng)機(jī)器人的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)D-H參數(shù)進(jìn)行修正，因此能夠采用低成本的光學(xué)跟蹤定位測(cè)試儀器一NDI光學(xué)定位儀，從運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、關(guān)節(jié)傳動(dòng)回差和零位定位三方面，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度進(jìn)行了分析與誤差補(bǔ)償，既提高了精度，又降低了成本。
[0027]本發(fā)明針對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)變量誤差，采用修正的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可更加真實(shí)地反映機(jī)器人的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)；對(duì)齒輪傳動(dòng)誤差和間隙引起的關(guān)節(jié)傳動(dòng)回差誤差進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)補(bǔ)償，可有效地提高關(guān)節(jié)傳動(dòng)精度；針對(duì)零位定位誤差，結(jié)合機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)反解出關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角進(jìn)行誤差補(bǔ)償，使得定位基準(zhǔn)更加準(zhǔn)確。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是本發(fā)明的標(biāo)定系統(tǒng)使用狀態(tài)示意圖
[0029]圖2是本發(fā)明的關(guān)節(jié)標(biāo)定原理不意圖
[0030]圖3是本發(fā)明的求解關(guān)節(jié)軸線位置方法示意圖
[0031]圖4是本發(fā)明的關(guān)節(jié)軸線擬合結(jié)果示意圖
[0032]圖5是本發(fā)明的零位誤差校準(zhǔn)的流程示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。
[0034]在以下描述中，一些具體細(xì)節(jié)為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)人員提供對(duì)本發(fā)明的整體理解。在實(shí)施例中，以示意圖或者框圖的形式表明實(shí)現(xiàn)具體功能的元件，以便突出技術(shù)重點(diǎn)，而不會(huì)在不必要的細(xì)節(jié)方面模糊本發(fā)明。比如，由于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的理解范圍中涵蓋了關(guān)于網(wǎng)絡(luò)通信、電磁信號(hào)指令技術(shù)、用戶端接口或輸入/輸出技術(shù)等本領(lǐng)域中公開(kāi)的、常識(shí)性的細(xì)節(jié)，因而在實(shí)施例中最大程度上省略了上述技術(shù)細(xì)節(jié)，而不認(rèn)為這些細(xì)節(jié)是獲得本發(fā)明完整技術(shù)方案所必須的特征。
[0035]如圖1所示，本發(fā)明的標(biāo)定系統(tǒng)包括相互連接的光學(xué)定位儀I和上位機(jī)2，使用時(shí)，在機(jī)器人3的各臂桿上設(shè)置靶球孔以安裝靶球，通過(guò)光學(xué)定位儀I來(lái)標(biāo)定靶球的相對(duì)位置，進(jìn)而計(jì)算出機(jī)器人3的結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中光學(xué)定位儀I在上位機(jī)2的控制下不斷調(diào)整，使得被測(cè)量點(diǎn)處于光學(xué)定位儀最佳測(cè)量范圍內(nèi)，并將測(cè)得的結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入上位機(jī)2 ;上位機(jī)2對(duì)光學(xué)定位儀I的位姿進(jìn)行控制，并使用本發(fā)明的絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法修正D-H參數(shù)，精確計(jì)算機(jī)器人3的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對(duì)計(jì)算機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳動(dòng)回差和零位誤差進(jìn)行分析與補(bǔ)償。本實(shí)施例的光學(xué)定位儀I優(yōu)選NDI光學(xué)導(dǎo)航儀。
[0036]下面通過(guò)一個(gè)串聯(lián)機(jī)器人機(jī)械臂為例對(duì)本發(fā)明的絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法進(jìn)行說(shuō)明。如圖2所示，本實(shí)施例中的串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人為具有六自由度機(jī)械臂的機(jī)器人，其中機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)參數(shù)如下表所示:[0037]
【權(quán)利要求】
1.串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法，包括: D-H參數(shù)的修正:在與被測(cè)關(guān)節(jié)連接的臂桿上設(shè)置標(biāo)識(shí)點(diǎn)，通過(guò)光學(xué)定位儀在上位機(jī)中建立所述被測(cè)關(guān)節(jié)的軸線模型，相鄰關(guān)節(jié)的軸線之間的最短距離則為所述臂桿的桿長(zhǎng)參數(shù)，相鄰關(guān)節(jié)的軸線之間的夾角則為所述臂桿的角度參數(shù)； 關(guān)節(jié)傳動(dòng)回差校準(zhǔn):利用所述光學(xué)定位儀測(cè)量所述被測(cè)關(guān)節(jié)以關(guān)節(jié)零位為起點(diǎn)以碼盤上相等步長(zhǎng)逐次做正向和負(fù)向轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際轉(zhuǎn)角作為樣本數(shù)據(jù)，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練；在訓(xùn)練完成的模型中以所述被測(cè)關(guān)節(jié)相對(duì)于所述關(guān)節(jié)零位的當(dāng)前位置和期望的旋轉(zhuǎn)方向作為輸入量，以電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)角為輸出量，控制所述電機(jī)； 零位誤差校準(zhǔn):機(jī)器人零位誤差校正的數(shù)學(xué)模型為:
4=fi +Aff 其中，q:為所述被測(cè)關(guān)節(jié)i相對(duì)于控制零位的名義轉(zhuǎn)角；f「為所述被測(cè)關(guān)節(jié)i相對(duì)于控制零位的實(shí)際轉(zhuǎn)角；Aqi為所述被測(cè)關(guān)節(jié)i的零位誤差；在？丨=O時(shí)通過(guò)所述光學(xué)定位儀將零位傳感器的機(jī)械零位讀入所述上位機(jī)的機(jī)器人坐標(biāo)系中與控制零位進(jìn)行對(duì)比，得到所述被測(cè)關(guān)節(jié)i的<，進(jìn)而計(jì)算出Aqi并以校準(zhǔn)常數(shù)的形式保存在機(jī)器人控制系統(tǒng)中。
2.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述關(guān)節(jié)的軸線模型的生成方法包括: i)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)被測(cè)關(guān)節(jié)，帶動(dòng)所述臂桿逐次按照相等角度轉(zhuǎn)動(dòng)一周，使用光學(xué)定位儀測(cè)量并記錄所述標(biāo)識(shí)點(diǎn)的 軌跡，通過(guò)所述軌跡擬合所述標(biāo)識(shí)點(diǎn)的圓心； ii)沿所述被測(cè)關(guān)節(jié)的軸向調(diào)整所述標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置并分別擬合圓心，通過(guò)所述圓心擬合所述被測(cè)關(guān)節(jié)的軸線。
3.如權(quán)利要求2所述的串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述擬合的方法包括最小二乘法。
4.如權(quán)利要求2或3所述的串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述步驟i)中角度為10°。
5.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述關(guān)節(jié)傳動(dòng)回差校準(zhǔn)還包括，所述樣本數(shù)據(jù)在訓(xùn)練前進(jìn)行尺度變化，使所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)均落在[0,1]區(qū)間內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1或5所述的串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法，其特征在于:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型米用Leven berg Marquardt。
7.如權(quán)利要求1所述的串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述被測(cè)關(guān)節(jié)i相對(duì)于控制零位的實(shí)際轉(zhuǎn)角 < 的獲取方法包括:將所述光學(xué)定位儀中機(jī)械零位坐標(biāo)映射到所述機(jī)器人坐標(biāo)系中，得到所述零位傳感器在所述機(jī)器人坐標(biāo)系中的機(jī)械零位位置，并以此位置作為機(jī)器人規(guī)劃的目標(biāo)點(diǎn)，結(jié)合逆運(yùn)動(dòng)學(xué)反解計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)相對(duì)于控制零位的實(shí)際轉(zhuǎn)角
8.一種使用如權(quán)利要求1-7之一所述的串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法的標(biāo)定系統(tǒng)，其特征在于:它包括相互連接的光學(xué)定位儀和上位機(jī)，其中所述光學(xué)定位儀在所述上位機(jī)的控制下不斷調(diào)整，使得被測(cè)量點(diǎn)處于所述光學(xué)定位儀最佳測(cè)量范圍內(nèi)，并將測(cè)得的結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入所述上位機(jī)；所述上位機(jī)對(duì)光學(xué)定位儀的位姿進(jìn)行控制，并使用所述串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人絕對(duì)定位誤差校準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的D-H參數(shù)的修正、關(guān)節(jié)傳動(dòng)回差校準(zhǔn)和零位誤差校準(zhǔn)。
9.如權(quán)利要求8所述的一種標(biāo)定系統(tǒng),其特征在于:所述光學(xué)定位儀為NDI光學(xué)導(dǎo)航儀。
【文檔編號(hào)】G06N3/08GK103968761SQ201410231904
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】徐巖 申請(qǐng)人:中科華赫（北京）科技有限責(zé)任公司