一种提升工业机器人绝对定位精度的运动学方法技术

本发明专利技术涉及一种提升工业机器人绝对定位精度的运动学方法，包括S1：建立机器人的几何参数ɡ的误差模型，对机器人末端的位姿误差ΔX进行采集，采用辨识方法对机器人的DH几何参数误差Δɡ进行辨识；S2：在机器人控制器中分别设计名义逆运动学算法模块f

A Kinematics Method for Improving Absolute Positioning Accuracy of Industrial Robots

The invention relates to a kinematics method for improving the absolute positioning accuracy of industrial robots, including S1: establishing the error model of the geometric parameters of robots, collecting the position and posture error X at the end of robots, identifying the error X of the geometric parameters of DH of robots by identification method; S2: designing the nominal inverse kinematics algorithm module f in the robot controller respectively.

【技术实现步骤摘要】
一种提升工业机器人绝对定位精度的运动学方法
本专利技术涉及工业机器人
，具体的说是一种提升工业机器人绝对定位精度的运动学方法。
技术介绍
工业机器人由于加工装配过程的制造几何参数误差，连杆和关节的柔性，及减速机齿隙等诸多不可避免的因素导致机器人绝对定位精度差，而其中几何参数误差是机器人末端误差的主要来源。工业机器人的标定及对应的补偿算法是提升机器人的绝对定位精度的一种有效途径。为了能够使工业机器人能够满足更为精准的精细化作业以及离线编程仿真程序能够直接应用到现场，并将机器人的实际的几何运动学模型与仿真环境中的模型匹配一致，需要设计一种提高机器人的绝对定位精度的运动学方法，补偿相关误差。中国专利号为CN201710811069的专利中公开了一种用于工业机器人的误差补偿方法，其主要是通过动力学模型计算机器人末端力并结合重力、惯性力的刚度矩阵求解机器人末端受力状态的柔性偏移量，通过可接受误差反复迭代修正机器人末端位姿数据，最后通过逆运动学求解关节输入变量。此专利主要是通过动力学模型和刚度矩阵的方法补偿机器人各个零部件的弹性变形引起的末端位姿误差。弹性变形导致的误差通过此方法可以得到有效补偿。但是几何参数误差是机器人末端误差的主要来源。欧洲专利EP1250986A2于2001年公开了一种补偿弹性变形的运动学方法。美国专利US5162713于1992年公开了一种首先确定SCARA机器人几何参数中的杆长误差和关节变量误差，然后将这些误差和名义逆解联合求解新的修正笛卡尔坐标，最后将修正笛卡尔坐标作为机器人逆解的输入，从而获得补偿后的机器人关节变量。此专利仅针对SCARA类工业机器人补偿部分几何参数误差，适用范围有限，补偿精度也有限。
技术实现思路
为了避免和解决上述技术问题，有效提高机器人的绝对定位精度，本专利技术考虑影响绝对定位精度主要因素即几何误差，本专利技术提出了一种提升工业机器人绝对定位精度的运动学方法。本专利技术所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种提升工业机器人绝对定位精度的运动学方法，包括以下步骤：S1：首先建立机器人的几何参数ɡ的误差模型，在机器人的工作空间内对机器人末端的位姿误差ΔX进行采集，并采用辨识方法对机器人的DH几何参数误差Δɡ进行辨识；机器人末端位置X和关节变量q之间的运动学关系为：X＝f(q,ɡ)(1)考虑几何参数误差Δɡ后，机器人末端位置和关节变量之间的运动学关系为：X+ΔX＝f(q,ɡ+Δɡ)(2)通过关系式(1)和(2)，建立机器人末端的位姿误差ΔX和几何参数误差Δɡ之间的关系为：ΔX＝Η(ɡ)Δɡ(3)其中，Η(ɡ)为误差辨识雅克比矩阵，此矩阵在已知机器人的关节位置后，可以求得矩阵实际值；因此通过检测机器人末端位姿误差，经关系式(3)可以求得关节误差Δɡ。S2：在机器人控制器中分别设计名义逆运动学算法模块f-1、带有几何参数误差Δɡ的正运动学算法XE模块和计算机器人几何雅克比矩阵J算法模块；S3：当机器人控制器将笛卡尔空间的指令值XC下发机器人控制器时，机器人控制器通过名义逆运动学、带有误差参数的齐次变换的正运动学和利用几何雅克比反解关节空间偏差相结合的方法，实现补偿运动学算法。作为本专利技术的进一步说明，所述步骤S3具体包括以下步骤：S31：通过名义逆运动学模型求解笛卡尔空间位姿指令值XC对应的各个关节名义值θ；S32：然后将上一步求解得到的关节名义值代入到考虑几何误差的正运动学模型中，求解考虑几何误差的笛卡尔坐标值XE；S33：求解笛卡尔坐标误差值ΔX＝XC-XE；S34：通过此时关节位置q的雅克比矩阵J，并将其求逆J-1，与S33得到的ΔX联合求解得到关节空间对应各轴的偏差值δq；S35：补偿各个关节坐标值q＝q+δq；S36：将S35补偿后的关节坐标值代入到考虑几何误差的正运动学中，求解关节补偿后的笛卡尔坐标值XE；S37：计算笛卡尔坐标指令值和补偿后的笛卡尔坐标值之间的误差ΔX＝XC-XE，比较其与指定笛卡尔坐标容许误差δ比较大小；如果为真进入S38，否则进入S34；S38：将S35中最新一次补偿的关节坐标值q下发到各个轴的位置控制器中。作为本专利技术的进一步说明，在步骤S3的S31和S32利用机器人名义逆解计算包含几何误差的修正的笛卡尔坐标值，具体如下：XE＝f(q,ɡ+Δɡ)(4)。作为本专利技术的进一步说明，在步骤S3的S34通过几何雅克比矩阵J将笛卡尔空间的位姿误差映射到关节变量，具体如下：δq＝J-1(q)·ΔX(5)。本专利技术的有益效果是：本专利技术方法通过分析工业机器人机器人运动学模型和运动学误差模型，通过将几何误差参数引入正运动学建立带误差参数正运动模型，并应用此模型估计机器人末端位姿。在获得精确的几何参数后，本专利技术使用几何雅克比矩阵将机器人末端位姿误差映射到关节空间变量，利用关节变量来补偿所有的DH几何参数对机器人末端位姿造成的误差。本专利技术采用迭代的方法，可以获得满足笛卡尔空间误差阈值的关节变量，实现误差阈值精度要求，为机器人实现精细化作业奠定基础。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1为本专利技术的控制系统框图；图2为本专利技术的方法流程图；图3为本专利技术中实验六轴工业机器人的运动学模型关节坐标系示意图；图4为本专利技术中采用运动学补偿前后机器人末端位置误差对比图；图中标记：1、绝对定位精度提升前的末端位置误差曲线；2、绝对定位精度提升后的末端位置误差曲线。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本专利技术进一步阐述。如图1至图4所示，一种提升工业机器人绝对定位精度的运动学方法，包括以下步骤：S1：首先建立机器人的几何参数ɡ的误差模型，在机器人的工作空间内对机器人末端的位姿误差ΔX进行采集，并采用辨识方法对机器人的DH几何参数误差Δɡ进行辨识；机器人末端位置X和关节变量q之间的运动学关系为：X＝f(q,ɡ)(1)考虑几何参数误差Δɡ后，机器人末端位置和关节变量之间的运动学关系为：X+ΔX＝f(q,ɡ+Δɡ)(2)通过关系式(1)和(2)，建立机器人末端的位姿误差ΔX和几何参数误差Δɡ之间的关系为：ΔX＝Η(ɡ)Δɡ(3)其中，Η(ɡ)为误差辨识雅克比矩阵，此矩阵在已知机器人的关节位置后，可以求得矩阵实际值；因此通过检测机器人末端位姿误差，经关系式(3)可以求得关节误差Δɡ。S2：在机器人控制器中分别设计名义逆运动学算法模块f-1、带有几何参数误差Δɡ的正运动学算法XE模块和计算机器人几何雅克比矩阵J算法模块；S3：当机器人控制器将笛卡尔空间的指令值XC下发机器人控制器时，机器人控制器通过名义逆运动学、带有误差参数的齐次变换的正运动学和利用几何雅克比反解关节空间偏差相结合的方法，实现补偿运动学算法。提高机器人在笛卡尔空间的绝对定位精度。具体包括以下步骤；S31：通过名义逆运动学模型求解笛卡尔空间位姿指令值XC对应的各个关节名义值θ；S32：然后将上一步求解得到的关节名义值代入到考虑几何误差的正运动学模型中，求解考虑几何误差的笛卡尔坐标值XE；S33：求解笛卡尔坐标误差值ΔX＝XC-XE；S34：通过此时关节位置q的雅克比矩阵J，并将其求逆J-1，与S33得到的ΔX联合求解得到关节空间对应各轴的偏差值δq；S35：补偿各个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提升工业机器人绝对定位精度的运动学方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：首先建立机器人的几何参数ɡ的误差模型，在机器人的工作空间内对机器人末端的位姿误差ΔX进行采集，并采用辨识方法对机器人的DH几何参数误差Δɡ进行辨识；机器人末端位置X和关节变量q之间的运动学关系为：X＝f(q,ɡ)      (1)考虑几何参数误差Δɡ后，机器人末端位置和关节变量之间的运动学关系为：X+ΔX＝f(q,ɡ+Δɡ)    (2)通过关系式(1)和(2)，建立机器人末端的位姿误差ΔX和几何参数误差Δɡ之间的关系为：ΔX＝Η(ɡ)Δɡ     (3)其中，Η(ɡ)为误差辨识雅克比矩阵，此矩阵在已知机器人的关节位置后，可以求得矩阵实际值；因此通过检测机器人末端位姿误差，经关系式(3)可以求得关节误差Δɡ；S2：在机器人控制器中分别设计名义逆运动学算法模块f

【技术特征摘要】
1.一种提升工业机器人绝对定位精度的运动学方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：首先建立机器人的几何参数ɡ的误差模型，在机器人的工作空间内对机器人末端的位姿误差ΔX进行采集，并采用辨识方法对机器人的DH几何参数误差Δɡ进行辨识；机器人末端位置X和关节变量q之间的运动学关系为：X＝f(q,ɡ)(1)考虑几何参数误差Δɡ后，机器人末端位置和关节变量之间的运动学关系为：X+ΔX＝f(q,ɡ+Δɡ)(2)通过关系式(1)和(2)，建立机器人末端的位姿误差ΔX和几何参数误差Δɡ之间的关系为：ΔX＝Η(ɡ)Δɡ(3)其中，Η(ɡ)为误差辨识雅克比矩阵，此矩阵在已知机器人的关节位置后，可以求得矩阵实际值；因此通过检测机器人末端位姿误差，经关系式(3)可以求得关节误差Δɡ；S2：在机器人控制器中分别设计名义逆运动学算法模块f-1、带有几何参数误差Δɡ的正运动学算法XE模块和计算机器人几何雅克比矩阵J算法模块；S3：当机器人控制器将笛卡尔空间的指令值XC下发机器人控制器时，机器人控制器通过名义逆运动学、带有误差参数的齐次变换的正运动学和利用几何雅克比反解关节空间偏差相结合的方法，实现补偿运动学算法。2.根据权利要求1所述的一种提升工业机器人绝对定位精度的运动学方法，其特征在于：所述S3具体包括以下步骤：S31：通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁兆东，葛景国，肖永强，游玮，储昭琦，王涛，
申请(专利权)人：埃夫特智能装备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34