一种工程机械臂的在线标定方法技术

本发明专利技术公开了一种工程机械臂的在线标定方法，该方法包括：标靶安装步骤，将至少三个标靶安装在所述工程机械臂的末端，使这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点成预定位置关系；机械臂末端位姿计算步骤，获取所述至少三个标靶的位置信息、所述标靶的结构尺寸参数和安装尺寸参数、以及机械臂各关节的运动量值，利用所述预定位置关系和预设的理想运动学模型，计算得到该机械臂末端的位姿实测值和理论值；模型修正步骤，对比该机械臂末端的位姿实测值和理论值，根据对比结果结合预先构建的误差模型来修正所述理想运动学模型，得到修正后的运动学模型。该方法提高标定效率和运动学模型的准确性，改善施工质量。

An On-line Calibration Method for Construction Robot Arm

The invention discloses an on-line calibration method for an engineering manipulator. The method comprises the following steps: target installation step, installing at least three target at the end of the construction manipulator, so that at least three target are in a predetermined position relationship with the setting point of the central axis of the mechanical arm; the calculation step of the position and posture of the end of the manipulator, obtaining the position information of at least three target, and the description. The measured and theoretical values of the position and posture of the end of the manipulator are calculated by using the preset position relationship and the preset ideal kinematics model. The model modification steps are used to compare the measured and theoretical values of the position and posture of the end of the manipulator, and according to the comparison results, the pre-constructed error model is combined with the pre-constructed error model. The improved kinematics model is obtained by modifying the ideal kinematics model. This method improves the calibration efficiency and the accuracy of kinematics model, and improves the construction quality.

【技术实现步骤摘要】
一种工程机械臂的在线标定方法
本专利技术涉及工程机械领域，尤其涉及一种工程机械臂的在线标定方法。
技术介绍
利用激光跟踪仪的标定方法应用在离线标定系统中时，激光跟踪仪一般安装在机械臂前方，而靶球安装在机械臂末端，以保证激光跟踪仪能时刻检测到靶球位置。而进行在线标定机械臂工作时，大多是将激光跟踪仪架设在地上，且对激光跟踪仪的架设位置的选择有一定的要求，以保证靶球不被遮挡，因此每次进行标定时，都需人工对激光跟踪仪进行重新安装以及设站，测量标定效率较低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题之一是需要提供一种适用于在线标定的且标定效率高、准确度较好的工程机械臂标定方法。为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种工程机械臂的在线标定方法，该方法包括：标靶安装步骤，将至少三个标靶安装在所述工程机械臂的末端，使这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点成预定位置关系；机械臂末端位姿计算步骤，获取所述至少三个标靶的位置信息、所述标靶的结构尺寸参数和安装尺寸参数、以及机械臂各关节的运动量值，利用所述预定位置关系和预设的理想运动学模型，计算得到该机械臂末端的位姿实测值和理论值；模型修正步骤，对比该机械臂末端的位姿实测值和理论值，根据对比结果结合预先构建的误差模型来修正所述理想运动学模型，得到修正后的运动学模型。优选地，还包括：根据所述机械臂结构中的臂架连杆DH几何参数来构建误差模型。优选地，在安装三个标靶时，所述预定位置关系为三个标靶以机械臂臂架的中轴线为中心，相邻两标靶与中轴线上的设定点之间连线彼此相差设定角度。优选地，在所述机械臂末端位姿计算步骤中，包括如下步骤：实测姿态计算步骤，确定标靶坐标系相对于末端臂架坐标系的第一姿态矩阵，以及所述标靶坐标系相对于机械臂载体坐标系的第二姿态矩阵，根据第一姿态矩阵和第二姿态矩阵确定末端臂架坐标系相对于机械臂载体坐标系的姿态矩阵，从而得到该机械臂末端的姿态信息。优选地，在所述机械臂末端位姿计算步骤中，还包括如下步骤：实测位置计算步骤，根据标靶的结构尺寸参数以及安装尺寸参数，分别获取机械臂中轴线上的设定点和末端臂架关节中心点的距离以及该设定点在机械臂载体坐标系下的坐标，进而获取末端臂架关节中心点在机械臂载体坐标系下的坐标。优选地，在实测姿态计算步骤中，根据三个标靶在机械臂载体坐标系下的坐标以及标靶坐标系与三个标靶之间的位置关系可求得所述第一姿态矩阵；根据获取的所述至少三个标靶的位置信息以及这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点构成预定位置关系确定所述第二姿态矩阵。优选地，在所述机械臂末端位姿计算步骤中，还包括如下步骤：理论值计算步骤，将获取的机械臂各关节的运动量值代入所述理想运动学模型中，求得机械臂末端在理想状态下的位置和姿态。优选地，还包括：工况变化判断步骤，判断机械臂载体的工况是否发生变化，若发生变化，则将当前修正后的运动学模型作为理想运动学模型，并重新执行机械臂末端位姿计算步骤和模型修正步骤。优选地，根据实际施工强度设定一个标定周期，每经过一个标定周期对机械臂进行一次重新标定。与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：1、将激光跟踪仪安放在台车固定处，在进行标定时，无需每次都对激光跟踪仪进行设站，简化测量过程，提高测量效率。2、将至少三个可折叠的靶球结构安装在机械臂末端，根据这些靶球与该末端臂架的中轴线上的设定点(一般为末端臂架的尾端在中轴线上的点，后面可简称中心点)的位置关系，结合获取的靶球的位姿信息，能够得到末端臂架相对于机械臂载体坐标的位姿信息(位姿实测值)，将这些数值与通过理想运动学模型得到的理论值进行比对，修正该理想运动学模型，从而完成对该机械臂的标定，提高了标定的准确度。3、根据挠度变形情况对施工面进行预分区，然后在分区内均匀的选取测量点，进行标定，从而起到标定效果，提高标定效率和运动学模型的准确性，改善施工质量。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术的技术方案而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。附图说明附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。图1为本申请的工程机械臂的在线标定方法的示例一的流程示意图。图2为本申请的一个例子中靶球相对于机械臂中轴线上的设定点(简称中心点)A’安装的安装示意图。图3为本申请的一个例子中建立的标靶、标靶坐标系以及末端臂架关节坐标系之间的机械臂载体坐标系位姿关系示意图。图4为本申请的一个例子中的靶球机构的示意图。图5为图4所示的靶球机构展开的运动简图。图6为本申请的一个例子的计算末端臂架位置的简图。图7为本申请的由臂架挠度变形导致的末端位置的变化示意图。图8为本申请的工程机械臂的在线标定方法的示例二的流程示意图。图9为本申请的工程机械臂的在线标定方法的计算框图。具体实施方式以下将结合附图及实施例来详细说明本专利技术的实施方式，借此对本专利技术如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本专利技术的保护范围之内。本专利技术实施例的技术原理简要概括如下：将至少三个可折叠的靶球结构安装在机械臂末端，根据这些靶球与该末端臂架的中轴线上的设定点(一般为末端臂架的尾端在中轴线上的点，后面可简称中心点)的位置关系，结合获取的靶球的位姿信息，能够得到末端臂架相对于机械臂载体坐标的位姿信息(位姿实测值)，将这些数值与通过理想运动学模型得到的理论值进行比对，修正该理想运动学模型，从而完成对该机械臂的标定。为了进一步了解本专利技术，下面说明本申请涉及到的几个实施例。第一实施例首先，介绍以下本例中用到的测量工具：激光跟踪仪(坐标信息采集器的一个例子)、可折叠靶球机构(标靶的一个例子，具体结构可如图4所示)。该可折叠靶球机构能够通过电机的驱动进行展开和闭合，以保证在标定过程中，防止出现由于机械臂的运动导致的靶球被遮挡的情况，保证测量标定的正常进行。有关该靶球机构的结构，此处不做限定，只要能够具备上述功能的靶球均可。如图4所示，在附图中各附图标记的含义如下：在附图中各附图标记的含义如下：1、底座，2、可折叠式靶球，3、保护板，10、靶球支撑卡座，11、保护板支撑卡座，12、中间传动架，13、齿条，14、第一滑槽，15、第二滑槽，16、第一滑动销，17、第二滑动销，18、电机，19、丝杠，21、翻转臂，22、支撑臂，23、靶球本体，31、回转轴，32、齿轮。下面介绍一下该靶球机构的结构。如图4所示，本实施例提供了一种靶球机构，包括：底座1，设置在所述底座1上的可折叠式靶球2，所述可折叠式靶球2构造成能够所述底座1上折叠或伸展。优选地，所述底座1设置有可折叠的保护板3，所述可折叠式靶球2处于折叠状态时，所述保护板3处于折叠状态并覆盖在所述可折叠式靶球2的上方。优选地，所述底座1包括连接所述可折叠式靶球2的靶球支撑卡座10，以及连接所述保护板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工程机械臂的在线标定方法，其特征在于，该方法包括：标靶安装步骤，将至少三个标靶安装在所述工程机械臂的末端，使这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点成预定位置关系；机械臂末端位姿计算步骤，获取所述至少三个标靶的位置信息、所述标靶的结构尺寸参数和安装尺寸参数、以及机械臂各关节的运动量值，利用所述预定位置关系和预设的理想运动学模型，计算得到该机械臂末端的位姿实测值和理论值；模型修正步骤，对比该机械臂末端的位姿实测值和理论值，根据对比结果结合预先构建的误差模型来修正所述理想运动学模型，得到修正后的运动学模型。

【技术特征摘要】
1.一种工程机械臂的在线标定方法，其特征在于，该方法包括：标靶安装步骤，将至少三个标靶安装在所述工程机械臂的末端，使这至少三个标靶与该机械臂臂架的中轴线的设定点成预定位置关系；机械臂末端位姿计算步骤，获取所述至少三个标靶的位置信息、所述标靶的结构尺寸参数和安装尺寸参数、以及机械臂各关节的运动量值，利用所述预定位置关系和预设的理想运动学模型，计算得到该机械臂末端的位姿实测值和理论值；模型修正步骤，对比该机械臂末端的位姿实测值和理论值，根据对比结果结合预先构建的误差模型来修正所述理想运动学模型，得到修正后的运动学模型。2.根据权利要求1所述的在线标定方法，其特征在于，还包括：根据所述机械臂结构中的臂架连杆DH几何参数来构建误差模型。3.根据权利要求1或2所述的在线标定方法，其特征在于，在安装三个标靶时，所述预定位置关系为三个标靶以机械臂臂架的中轴线为中心，相邻两标靶与中轴线上的设定点之间连线彼此相差设定角度。4.根据权利要求1所述的在线标定方法，其特征在于，在所述机械臂末端位姿计算步骤中，包括如下步骤：实测姿态计算步骤，确定标靶坐标系相对于末端臂架坐标系的第一姿态矩阵，以及所述标靶坐标系相对于机械臂载体坐标系的第二姿态矩阵，根据第一姿态矩阵和第二姿态矩阵确定末端臂架坐标系相对于机械臂载体坐标系的姿态矩阵，从而得到该机械臂末端的姿态信息。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞香，郑大桥，秦念稳，李正光，李庆，王华明，
申请(专利权)人：中国铁建重工集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43