一种用于机器人的两步误差补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种用于机器人的两步误差补偿方法，所述方法包括(1)基于修正的D‑H法和微分运动学建立机器人定位误差模型；(2)利用最小二乘迭代法求解出所有几何参数误差，并将可直接补偿的几何参数误差直接补偿到机器人的D‑H配置参数中；(3)将不可直接补偿的几何参数误差转换为关节转角补偿值，修正机器人各个关节的转角值，实现间接补偿。本发明专利技术将机器人误差补偿分为两步，将不影响机器人逆运动学算法求解的几何参数误差直接补偿，将剩余几何参数误差间接补偿到机器人关节转角。该方法不需要修改现有机器人逆运动学算法，能有效减少机器人末端位置误差，提高机器人末端绝对定位精度，可广泛应用于机器人误差补偿技术领域。

A two-step error compensation method for robot

【技术实现步骤摘要】
一种用于机器人的两步误差补偿方法
本专利技术涉及一种用于机器人的两步误差补偿方法，属于机器人标定

技术介绍
为使工业机器人能够在更广泛的领域中得到应用，要求其具有更高的定位精度。重复定位精度和绝对定位精度是衡量工业机器人定位精度的两大重要指标。目前，大多数工业机器人有着较高的重复定位精度，但其绝对定位精度却难以达到要求，在传统的手工示教任务中，只要求机器人具备较高的重复定位精度。随着整个工业领域朝着自动化、智能化方向发展，要求机器人具备更高的绝对定位精度，其现有的精度等级已经无法满足某些作业的要求，为此许多研究者开始从事机器人误差补偿的研究工作。目前关于机器人误差补偿技术，中国专利号：CN104408299A，名称：基于距离识别冗余运动学参数的机器人位置误差补偿方法，该本专利技术公开了一种基于距离识别冗余运动学参数的机器人位置误差补偿方法通过先剔除运动学参数中的冗余参数，确定机器人的可辨识运动学参数，然后计算得到参数误差计算模型，并针对该参数误差进行补偿。然而该方法只能对可辨识运动学误差参数进行补偿，不能对剩余其它几何参数进行有效补偿，因此该方法对机器人补偿的误差参数不完整，补偿效果不够显著。中国专利号：CN201110113246.6，名称：一种用于工业机器人的空间立体网络精度补偿方法，该专利技术通过对包络空间内划分的某个立方体网络内的任一点，采用空间插值的方法对机器人的理论坐标进行修正，实现对机器人在该点的绝对定位精度补偿，然而该方法步长的确定需要进行大量的实验，而且不能实现在不同姿态下对机器人绝对定位精度的补偿。因此，本专利技术针对上述存在的问题，提出一种用于机器人的两步误差补偿方法。第一步，将可直接补偿的几何参数误差直接补偿到当前的D-H配置参数中；第二步，将剩余的其它几何参数误差转换为关节转角补偿值进行间接补偿。该方法不需要修改现有的机器人逆运动学算法，能有效减少机器人末端位置误差，提高机器人末端绝对定位精度。
技术实现思路
本专利技术针对大部分机器人结构需要满足Pieper准则而无法直接补偿所有几何参数误差的问题，提出一种两步误差补偿方法，将可直接补偿的几何参数误差直接补偿到机器人当前的D-H配置参数中，将剩余的其它几何参数误差转换为关节转角补偿值，修正机器人各个关节的关节转角值，进行间接补偿。该方法能有效减少机器人末端位置误差，提高机器人末端绝对定位精度，为实现上述目标，本专利技术所采用的技术方案是：第一步，建立机器人定位误差模型，进行参数辨识：首先，在D-H模型基础上添加绕y轴方向旋转的角度β，得到修正后的D-H模型，基于修正的D-H法和微分运动学建立机器人定位误差模型；然后，采用QR分解法消除扩展雅可比矩阵中冗余参数对应的行列，建立机器人末端位置误差和机器人几何参数误差之间的关系；最后，采用最小二乘迭代法获取除冗余参数之外的其它所有机器人几何参数误差，简称机器人几何参数误差；所述机器人几何参数误差至少包括可直接补偿的几何参数误差、不可直接补偿的几何参数误差和各个关节转角误差Δθi(i＝1，2，…，6)；第二步，直接补偿：根据第一步获得的所述机器人几何参数误差，将其中的可直接补偿的几何参数误差补偿到机器人当前的D-H配置参数中；第三步，间接补偿：根据第一步获得的所述机器人几何参数误差，将其中不可直接补偿的几何参数误差通过Newton-Raphson法转换为关节转角补偿值，修正机器人各个关节转角值，进行间接补偿。所述第一步中参数辨识的具体方法为：A.操作机器人在其工作空间内随机运动到若干测量点，获取采样数据；所述采样数据包括使用高精度测量设备获取的机器人末端的位姿数据和机器人对应测量点的各个关节转角值；B.将A中所获取的采样数据代入第一步中基于修正的D-H法和微分运动学建立的机器人定位误差模型，进而构造超定方程组；C.针对机器人几何参数误差存在耦合的问题，采用QR分解法消除扩展雅克比矩阵中冗余参数对应的行列，得到最小化机器人定位误差模型；D.采用矩阵奇异值分解法求解去除冗余参数后的扩展雅可比矩阵的广义逆矩阵，通过最小二乘迭代法对C中的最小化机器人定位误差模型求解，获得机器人几何参数误差值的近似解，辨识出机器人几何参数误差。所述第二步中可直接补偿的几何参数误差至少包括：Δa1、Δa2、Δa3、Δd4；所述Δa1、Δa2、Δa3为连杆长度误差，Δd4为关节偏置误差。所述第三步中间接补偿的实现过程为：A.利用修正后的D-H配置参数通过机器人逆运动学计算期望位姿xd所对应的关节转角值θd-i，i＝1，2，…，6；B.将除关节转角误差Δθi以外的其它几何参数误差与机器人的原始D-H配置参数相加，代入正运动学方程中，求出所述关节转角值θd-i下的近似位姿xc以及该近似位姿对各关节转角的偏导数i＝1，2，…，6，所述机器人的原始D-H配置参数为未经补偿的机器人D-H配置参数；C.根据偏导方程计算所述期望位姿xd与所述近似位姿xc之间的偏差Δx，利用最小二乘法求解获得需要补偿的关节转角补偿值δθi，i＝1，2，…，6；D.将所述关节转角值θd-i加上需要补偿的所述关节转角补偿值δθi，再减去辨识出的所述各个关节转角误差Δθi，可得到补偿后的各个关节转角值θi，即θi＝θd-i-Δθi+δθi，i＝1，2，…，6；E.将补偿后的关节转角值θi重新下发到机器人各关节，控制机器人运动，驱动机器人末端运动到达所预期的位姿xd。本专利技术的有益效果是：(1)针对无法补偿机器人全部参数误差的问题，采用两步误差补偿方法，首先将部分参数误差先直接补偿，再将剩余的参数误差按照Newton-Raphson方法转换成关节转角补偿值进行补偿，该方法能有效减少机器人末端位置误差，提高机器人末端绝对定位精度。(2)采用两步误差补偿方法，在直接补偿不改变机器人后三个关节DH参数的情况下，再间接将所有几何参数误差转换到关节转角值，不需要修改现有机器人逆运动学算法。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明：图1是机器人D-H模型参数坐标系。图2是一种用于机器人的两步误差补偿方法示意图。图3是一种用于机器人的两步误差补偿方法流程图。具体实施方式以下结合附图进一步说明本专利技术，本专利技术所提出的一种用于机器人的两步误差补偿方法，包括以下步骤：首先，建立机器人定位误差模型，进行参数辨识：本实施例根据D-H法建立川崎RS010NA型六自由度工业机器人运动学模型，机器人各关节坐标系见附图1，D-H建模法利用四个参数来描述相邻关节坐标系之间的变换。然而当相邻的两关节轴线平行或接近平行时，使用四个参数并不能描述坐标系变换中绕y轴旋转的角度，为此在D-H模型基础上添加绕y轴方向旋转的角度β，得到修正后的D-H参数模型(MD-H)，从而解决相邻关节轴线平行时由微小误差而引起的参数巨变问题。根据连杆坐标系变换原理，得出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于机器人的两步误差补偿方法，其特征在于：首先，建立机器人定位误差模型，进行参数辨识；然后，将辨识出的可直接补偿的几何参数误差补偿到机器人当前的D-H配置参数中；最后，将剩余的不可直接补偿的机器人几何参数误差转换为关节转角补偿值，修正机器人各个关节转角值，进行间接补偿，从而实现减少机器人末端位置误差，提高机器人末端绝对定位精度；所述方法至少包括以下步骤：/n第一步，建立机器人定位误差模型，进行参数辨识：/n首先，基于修正的D-H法和微分运动学建立机器人定位误差模型；采用QR分解法去除扩展雅可比矩阵中冗余参数对应的行列，建立机器人末端位置误差和机器人几何参数误差之间的关系；最后，采用最小二乘迭代法获取除冗余参数之外的其它所有机器人几何参数误差，简称机器人几何参数误差；所述机器人几何参数误差至少包括可直接补偿的几何参数误差、不可直接补偿的几何参数误差和各个关节转角误差Δθ

【技术特征摘要】
1.一种用于机器人的两步误差补偿方法，其特征在于：首先，建立机器人定位误差模型，进行参数辨识；然后，将辨识出的可直接补偿的几何参数误差补偿到机器人当前的D-H配置参数中；最后，将剩余的不可直接补偿的机器人几何参数误差转换为关节转角补偿值，修正机器人各个关节转角值，进行间接补偿，从而实现减少机器人末端位置误差，提高机器人末端绝对定位精度；所述方法至少包括以下步骤：
第一步，建立机器人定位误差模型，进行参数辨识：
首先，基于修正的D-H法和微分运动学建立机器人定位误差模型；采用QR分解法去除扩展雅可比矩阵中冗余参数对应的行列，建立机器人末端位置误差和机器人几何参数误差之间的关系；最后，采用最小二乘迭代法获取除冗余参数之外的其它所有机器人几何参数误差，简称机器人几何参数误差；所述机器人几何参数误差至少包括可直接补偿的几何参数误差、不可直接补偿的几何参数误差和各个关节转角误差Δθi(i＝1，2，…，6)；
第二步，直接补偿：
根据第一步获得的所述机器人几何参数误差，将其中的可直接补偿的几何参数误差补偿到机器人当前的D-H配置参数中；
第三步，间接补偿：
根据第一步获得的所述机器人几何参数误差，将其中不可直接补偿的几何参数误差通过Newton-Raphson法转换为关节转角补偿值，修正机器人各个关节转角值，进行间接补偿。


2.根据权利要求1所述的一种用于机器人的两步误差补偿方法，其特征在于：所述第一步中参数辨识的具体方法为：
A.操作机器人在其工作空间内随机运动到若干测量点，获取采样数据；所述采样数据包括使用高精度测量设备获取的机器人末端的位姿数据和机器人对应测量点的各个关节转角值；
B.将A中所获取的采样数据代入第一步中基于修正的D-H法和微分运动学建立的机器人定位误差模型，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈琳，刘华辉，刘吉刚，潘海鸿，梁旭斌，蒲明辉，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西;45