一种混联机器人的运动学标定方法技术

本发明专利技术公开了一种混联机器人运动学标定方法，包括如下步骤：步骤1：基于旋量理论建立混联机器人几何误差模型；步骤2：基于激光跟踪仪空间位置检测信息获取混联机器人末端位姿误差；步骤3：基于Liu估计方法辨识几何误差源；步骤4：基于修正控制器输出方法分步实施误差补偿。本发明专利技术精度、高效率、便于工业现场应用的、可基于机器人末端全维或少维位姿误差检测信息实施的一种混联机器人运动学标定方法。本发明专利技术方法可以建立满足完备性、极小性、连续型的误差模型，且模型变量均物理意义明确，有效解决辨识矩阵病态问题，提高误差源辨识精度以及辨识结果的稳定性，进而提高补偿精度。

A kinematic calibration method for a hybrid robot

The invention discloses a kinematic calibration method of a hybrid robot, which includes the following steps: Step 1: Based on the rotation theory, the geometric error model of the hybrid robot is set up; step 2: Based on the space position detection information of the laser tracker, the end pose error of the hybrid robot is obtained; step 3: the geometric error identification is identified based on the Liu estimation method. Difference source; step 4: step by step error compensation based on the modified controller output method. The invention is accurate, efficient, and is convenient for industrial field application, and can be based on a kinematic calibration method of a hybrid robot based on the full or small dimension position error detection information at the end of the robot. The method can establish an error model which satisfies the completeness, minimum and continuous type, and the model variables are both clear in physical meaning, effectively solve the ill posed problem of the identification matrix, improve the accuracy of the identification of the error source and the stability of the identification results, and then improve the compensation precision.

【技术实现步骤摘要】
一种混联机器人的运动学标定方法
本专利技术属于机器人领域，涉及工业机器人的运动学标定技术，尤其涉及一种混联机器人运动学标定方法。
技术介绍
由三自由度并联机构与两(三)自由度串联转头搭建而成的五(六)自由度混联机器人是一种新型多轴联动加工装备，其结合了串联机器人工作空间大和并联机器人加速度大、刚度高的特点，以高速高精加工为目标，在大尺度非结构环境下的加工制造领域具有广泛的应用前景。如Tricept、Exechon等混联机器人已在航空航天、汽车制造等领域开展了初步应用，并取得了良好效果。几何精度是该类混联机器人的重要性能指标之一。在具备良好基础制造精度的前提下，运动学标定是进一步提高该类装备精度的有效手段。通常情况下，运动学标定分为以下四个步骤：误差建模、误差检测、误差辨识和误差补偿。前期研究表明，上述方法在用于该类混联机器人的运动学标定时尚存在两类主要问题，制约了其工程应用。其一，该类混联机器人关节数目较多，每一关节存在六项误差源，关节两两之间又存在多项结构误差，误差源数量众多，难于建立满足完备性、极小性、连续型的误差模型；其二，该类混联机器人在误差辨识环节中存在辨识矩阵病态问题，传统辨识方法(如最小二乘法)鲁棒性差、辨识结果不稳定，导致难于实现高精度误差补偿。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种高精度、高效率、便于工业现场应用的、可基于机器人末端全维或少维位姿误差检测信息实施的一种混联机器人运动学标定方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种混联机器人运动学标定方法，包括如下步骤：步骤1：基于旋量理论建立混联机器人几何误差模型，具体地：(1)建立并联模块所有几何误差源与机器人末端位姿误差旋量之间的映射模型，其中，$P,t为并联模块几何误差源在末端引起的位姿误差旋量，ΔξP为并联模块主动关节运动误差向量，ΔηP为并联模块其余几何误差源构成的误差向量，为对应的误差映射矩阵；(2)建立串联转头所有几何误差源与机器人末端位姿误差旋量之间的映射模型，$S,t＝JSΔξS+GSΔηS其中，$S,t为串联转头几何误差源在末端引起的位姿误差旋量，ΔξS为串联转头主动关节运动误差向量，ΔηS为串联转头其余几何误差源构成的误差向量，JS、GS为对应的误差映射矩阵；(3)依据混联机器人构型特点，并综合考虑并联模块、串联转头几何误差源对机器人末端位姿误差旋量的贡献度规律，建立整机几何误差模型$t＝BΔχ其中，$t为混联机器人末端位姿误差旋量，Δχ为混联机器人几何误差源全集构成的误差向量，B为误差映射矩阵；步骤2：基于激光跟踪仪空间位置检测信息获取混联机器人末端位姿误差，具体地：(1)设定混联机器人初始位形及相应坐标系统；(2)当机器人运行至工作空间中任一位形处时，利用激光跟踪仪检测机器人末端若干点位(至少不共线3点)的空间位置误差，建立激光跟踪仪误差测量值与机器人末端位姿误差旋量之间的映射模型，Δpk＝Pk$t,k其中，脚标k表示第k个测量位形，Δpk为激光跟踪仪空间位置误差测量值构成的向量，$t,k为混联机器人末端位姿误差旋量，Pk为相应的误差映射矩阵；(3)考虑所有n个测量位形，建立混联机器人几何误差源与激光跟踪仪误差测量值之间的误差映射模型，其中，Δp为所有n个测量位形下激光跟踪仪误差测量值构成的向量，ε为测量噪声向量，H为误差映射矩阵；(4)通过分析矩阵H的性态，剔除线性相关几何误差源，并得到缩减后的几何误差模型。步骤3：基于Liu估计方法辨识几何误差源，具体地：(1)求解Liu参数d；(2)求解混联机器人几何误差源向量的估计值，其中，为混联机器人几何误差源Liu估计辨识结果，Im为m阶单位矩阵，d为Liu参数，为混联机器人几何误差源最小二乘法辨识结果。步骤4：基于修正控制器输出方法分步实施误差补偿，具体地：(1)在混联机器人处于初始位置时，采用机械手段调整末端构件位姿，使其尽可能接近理想位姿；(2)在仅考虑混联机器人主动关节零点误差的前提下实施零点误差补偿，使补偿后机器人在工作空间中均匀分布各点的均方根误差最小，补偿值为其中，为主动关节误差补偿值，为零点误差最小二乘辨识值。(3)在考虑混联机器人全部几何误差源的前提下实施全参数误差补偿，进一步提高机器人工作精度，补偿值为其中，为主动关节误差补偿值，为零点误差Liu估计辨识值，为除零点误差之外的所有几何误差源Liu估计辨识值，J为主动关节误差映射矩阵，G为其余几何误差映射矩阵。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：(1)建立满足完备性、极小性、连续型的误差模型，且模型变量均物理意义明确。(2)有效解决辨识矩阵病态问题，提高误差源辨识精度以及辨识结果的稳定性，进而提高补偿精度。附图说明图1是一种混联机器人工作站的结构示意图。图2是混联机器人结构示意图。1-混联机器人2-立柱，3-工作台，4-末端执行器，10-并联模块，11-串联转头，101-支链1，102-支链2，103-支链3，104-支链4，12-测量夹具，121-激光跟踪仪测量点具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术加以详细说明，以已授权专利技术专利“CN105058376B——一种具有三对称运动学性能的过约束高刚度机器人”为例。混联机器人1由并联模块10、串联转头11构成，通过立柱2与工作台3固定连接，混联机器人1的末端可固定连接末端执行器4实现相应功能。在运动学标定过程中，将包含四个激光跟踪仪测量点121的测量夹具12固定连接于串联转头末端开展误差测量。本专利技术的一种混联机器人运动学标定方法，它包括以下步骤：步骤1：基于旋量理论建立混联机器人1几何误差模型。(1)仅考虑并联模块10几何误差源对机器人1末端位姿误差的影响，可以得到其中，$P,t为并联模块10支链几何误差源在机器人1末端引起的位姿误差旋量，ni为支链i的连接度，Δξa,j,i为支链i第j个关节的运动误差，为支链i第j个关节轴线的单位旋量，为支链i关节结构误差引起的机器人1末端位姿误差旋量。支链1(101)、支链2(102)、支链3(103)均为UPS支链，支链4(104)为UPRRR支链，其中，U代表虎克铰，P代表移动副，S代表球铰，R代表转动副。利用对偶向量空间基本性质，综合考虑四条支链的误差映射关系，建立并联模块10所有几何误差源与机器人1末端位姿误差旋量之间的映射模型，其中，$P,t为并联模块10几何误差源在末端引起的位姿误差旋量，ΔξP为并联模块10主动关节运动误差向量，ΔηP为并联模块10其余几何误差源构成的误差向量，JP、GP为对应的误差映射矩阵。(2)采用与并联模块10类似的手续，可建立串联转头11所有几何误差源与机器人1末端位姿误差旋量之间的映射模型其中，Δξa,j,4为支链4第j个关节的运动误差，为支链4第j个关节轴线的单位旋量，为串联转头11关节结构误差引起的机器人1末端位姿误差旋量，$S,t为串联转头11几何误差源在末端引起的位姿误差旋量，ΔξS为串联转头11主动关节运动误差向量，ΔηS为串联转头11其余几何误差源构成的误差向量，JS、GS为对应的误差映射矩阵。(3)依据混联机器人1构型特点，并综合考虑并联模块10、串联转头11几何误差源对机器人1末端位姿误差旋量的贡献本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混联机器人的运动学标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于旋量理论建立混联机器人几何误差模型；步骤2：基于激光跟踪仪空间位置检测信息获取混联机器人末端位姿误差；步骤3：基于Liu估计方法辨识几何误差源；步骤4：基于修正控制器输出方法分步实施误差补偿。

【技术特征摘要】
1.一种混联机器人的运动学标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于旋量理论建立混联机器人几何误差模型；步骤2：基于激光跟踪仪空间位置检测信息获取混联机器人末端位姿误差；步骤3：基于Liu估计方法辨识几何误差源；步骤4：基于修正控制器输出方法分步实施误差补偿。2.根据权利要求1所述的一种混联机器人运动学标定方法，其特征在于，所述基于旋量理论建立混联机器人几何误差模型的过程如下：(1)建立并联模块所有几何误差源与机器人末端位姿误差旋量之间的映射模型，其中，$P,t为并联模块几何误差源在末端引起的位姿误差旋量，ΔξP为并联模块主动关节运动误差向量，ΔηP为并联模块其余几何误差源构成的误差向量，为对应的误差映射矩阵；(2)建立串联转头所有几何误差源与机器人末端位姿误差旋量之间的映射模型，$S,t＝JSΔξS+GSΔηS其中，$S,t为串联转头几何误差源在末端引起的位姿误差旋量，ΔξS为串联转头主动关节运动误差向量，ΔηS为串联转头其余几何误差源构成的误差向量，JS、GS为对应的误差映射矩阵；(3)依据混联机器人构型特点，并综合考虑并联模块、串联转头几何误差源对机器人末端位姿误差旋量的贡献度规律，建立整机几何误差模型$t＝BΔχ其中，$t为混联机器人末端位姿误差旋量，Δχ为混联机器人几何误差源全集构成的误差向量，B为误差映射矩阵。3.根据权利要求1所述的一种混联机器人运动学标定方法，其特征在于，所述基于激光跟踪仪空间位置检测信息获取混联机器人末端位姿误差的过程如下：(1)设定混联机器人初始位形及相应坐标系统；(2)当机器人运行至工作空间中任一位形处时，利用激光跟踪仪检测机器人末端至少不共线的3个点位的空间位置误差，建立激光跟踪仪误差测量值与机器人末端位姿误差旋量之间的映射模型，Δpk＝Pk$t,k其中，脚标k表示第k个测量位形，Δpk为激光跟踪仪空间位置误差测量值构成的向量，$t,k为混联机器人末端位姿误差旋量，Pk为相应的误差映射矩阵；(3)考虑所有n个测量位形，建立混联机器人几何误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄田，尹福文，田文杰，赵东，刘海涛，丁雅斌，肖聚亮，梅江平，秦旭达，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12