一种工业机器人六维刚度误差补偿系统及其补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种工业机器人六维刚度误差补偿系统及其补偿方法，系统包括负载测量装置和激光跟踪仪；负载测量装置固定在工业机器人的末端，包括转接板、六维力传感器、X轴加载装置、Y轴加载装置、Z轴加载装置和靶球；转接板与工业机器人的末端法兰盘固定连接；六维力传感器固定在转接板上；X轴加载装置前端固定在六维力传感器上；Y轴加载装置设置在X轴加载装置上；Z轴加载装置设置在Y轴加载装置上；Y轴加载装置和Z轴加载装置均具有砝码，砝码可设置在其长度方向上的任意位置处；靶球固定设置在转接板上；激光跟踪仪位于在工业机器人的后侧，可测量靶球的空间位置。本发明专利技术具有结构简单、可有效提高定位精度等优点。

A six dimensional stiffness error compensation system and its compensation method for industrial robots

【技术实现步骤摘要】
一种工业机器人六维刚度误差补偿系统及其补偿方法
本专利技术属于机器人领域，涉及一种工业机器人参数标定技术，尤其涉及一种基于变运动学参数的工业机器人的六维刚度误差补偿系统及其补偿方法。
技术介绍
随着机器人技术的快速发展，工业机器人逐渐向高端制造领域扩展，如航空航天工业的制孔/铆接、风电叶片打磨等。而这些应用领域对工业机器人的精度要求也越来越高。研究表明工业机器人的绝对定位误差主要分为几何参数误差和非几何参数误差，其中几何参数误差约占总误差的80％以上，此类误差能够通过几何参数标定技术实现高精度补偿，但几何参数标定技术均是在固定负载下进行，无法适用于负载情况，更无法适用于负载多变的高端制造业。工业机器人的非几何参数误差中由各伺服电机、传动系统的柔顺性以及连杆的材料属性所导致的柔性误差，约占总误差的10％。研究表明在几何参数误差补偿的基础上，经过机器人关节刚度标定能够改善机器人对于变负载的精度可靠性。目前工业机器人关节刚度模型主要考虑关节旋转轴向的刚度参数，而忽略其他维度的刚度参数，当机器人末端负载较大时，仍可能导致较大的定位误差，并且尚无六维刚度误差的补偿方法。目前主要是采用机器人静载荷方法辨识工业机器人刚度参数，但负载施加系统通常较为复杂，甚至限制机器人的工作空间，无法实现较大工作空间的数据测量，测量数据无法充分反映工业机器人的刚度变化，这将导致工业机器人刚度参数辨识精度不高，直接影响工业机器人精度性能。因此，亟待提出一种用于多维度的工业机器人刚度误差标定工具及多维刚度误差补偿方法，能够较好地提高工业机器人的绝对定位精度，并使得机器人适用于变负载任务。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于变运动学参数的工业机器人的六维刚度误差补偿系统及其补偿方法，该方法能够实现工业机器人刚度参数的高精度辨识，以克服现有技术的缺陷。为实现上述目的，本专利技术提供一种工业机器人六维刚度误差补偿系统，包括负载测量装置和激光跟踪仪；负载测量装置固定在工业机器人的末端，包括转接板、六维力传感器、X轴加载装置、Y轴加载装置、Z轴加载装置和靶球；转接板与工业机器人的末端法兰盘固定连接；六维力传感器固定在转接板上；X轴加载装置为沿前后方向设置的条状件，前端固定在六维力传感器上，与六维力传感器同心连接；Y轴加载装置为沿左右方向设置的条状件，设置在X轴加载装置上，且Y轴加载装置长度方向上的任意位置可设置在X轴加载装置长度方向上的任意位置上；Z轴加载装置为沿上下方向设置的条状件，设置在Y轴加载装置上，且Z轴加载装置长度方向上的任意位置可设置在Y轴加载装置长度方向上的任意位置上；Y轴加载装置和Z轴加载装置均具有砝码，砝码可设置在其长度方向上的任意位置处；靶球固定设置在转接板上；激光跟踪仪位于在工业机器人的后侧，可测量靶球的空间位置。进一步，本专利技术提供一种工业机器人六维刚度误差补偿系统，还可以具有这样的特征：其中，X轴加载装置上具有若干个沿其长度方向分布的环状凹槽，Y轴加载装置可卡在任意一个凹槽中。进一步，本专利技术提供一种工业机器人六维刚度误差补偿系统，还可以具有这样的特征：其中，Y轴加载装置和Z轴加载装置均还包括两个夹板和若干个支撑连接块；每个加载装置中，两个夹板平行设置，支撑连接块位于两个夹板之间、且与两个夹板固定连接，两个夹板与支撑连接块形成一个整体框架类的可夹持结构，砝码固定夹持在两个夹板间的任意位置处；Y轴加载装置的两个夹板上下设置，任意段固定夹持在X轴加载装置的任意凹槽的上下空间内；Z轴加载装置的两个夹板前后设置，任意段固定夹持在Y轴加载装置两个夹板任意段的前后两侧。进一步，本专利技术提供一种工业机器人六维刚度误差补偿系统，还可以具有这样的特征：其中，Z轴加载装置的一个支撑连接块位于Y轴加载装置与Z轴加载装置的交叉连接处，该支撑连接块的前后两侧分别与Z轴加载装置的两个夹板固定连接、上下两侧分别与Y轴加载装置的两个夹板固定连接。进一步，本专利技术提供一种工业机器人六维刚度误差补偿系统，还可以具有这样的特征：其中，靶球位于六维力传感器的上方。进一步，本专利技术提供一种工业机器人六维刚度误差补偿系统，还可以具有这样的特征：其中，六维力传感器通过转接板与工业机器人的末端法兰盘同心安装。本专利技术还提供上述工业机器人六维刚度误差补偿系统的补偿方法，包括以下步骤：步骤一、控制机器人变动多个位姿，每个位姿均测量未安装砝码和安装砝码时靶球的空间位置Pj1和Pj2、读取六维力传感器的输出数值Fj1和Fj2，并计算同一位姿安装砝码前后的位置变化量ΔPj和负载变化量ΔFj，ΔPj＝Pj2-Pj1，ΔFj＝Fj2-Fj1，其中j为测量点序号，j＝1、2、3、…、N，N≥100，建立六维刚度误差模型；步骤二、基于建立的六维刚度误差模型，采用非线性最小二乘法辨识出工业机器人的六维虚拟关节刚度矩阵参数；步骤三、根据所述六维虚拟关节刚度矩阵参数和工业机器人末端负载值Fj，计算出工业机器人各个关节的形变量，记为(Δxij，Δyij，Δzij，Δαij，Δβij，Δγij)，其中Δxij、Δyij、Δzij分别为沿着x、y、z轴的线性位置误差，Δαij、Δβij、Δγij分别为沿着x、y、z轴的角度误差，其中i为工业机器人关节序号，i＝1、2、…、6；步骤四、根据(Δxij、Δyij、Δzij、Δαij、Δβij、Δγij)误差，确定工业机器人原关节坐标系{Ji}与新关节坐标系{Ji′}的转换矩阵为：从而获得新关节坐标系{Ji′}的原点坐标Oi以及各关节z轴方向向量Zi；步骤五、根据轴线测量法重新计算工业机器人的运动学参数，包括关节转角θi、关节距离di、连杆长度ai、连杆扭角αi和补充扭角βi；步骤六、通过微分迭代方法实现新运动学参数的运动学逆解求解，计算得到的工业机器人关节角度，再叠加Δγij误差，输入工业机器人的控制器，从而实现六维刚度误差补偿。进一步，本专利技术提供一种工业机器人六维刚度误差补偿系统的补偿方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤六的具体方法为：定义工业机器人的名义运动学参数向量为c0，c0＝(θ1，d1，a1，α1，β1，…，θi，di，ai，αi，βi，…，θ6，d6，a6，α6，β6)，由于名义运动学参数为DH模型参数，其中βi均为0；工业机器人的关节角度向量为q，q＝(θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6)；工业机器人的正运动学表示为：Tn＝f(c0,q)，q＝f-1(c0,Tn)，其中Tn为工业机器人的名义末端位姿矩阵；当工业机器人的运动学参数存在误差Δc时，则实际运动学参数向量c1＝c0+Δc，工业机器人的实际位姿表示为：Tr＝f(c1,q)，其中Tr为工业机器人的实际末端位姿矩阵；定义工业机器人的期望位姿为Td，根据以下公式迭代计算：其中，为第n次迭代时的偏移位姿矩阵，第一次迭代时qn为第n次迭代时工业机器人基于名义运动学模型参数向量c0计算的逆解，Tri为第i次迭代时工业机器人基于实际运动学模型参数向量c1计算的正解，i＝1、…、n、n本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种工业机器人六维刚度误差补偿系统，其特征在于：/n包括负载测量装置和激光跟踪仪；/n所述负载测量装置固定在工业机器人的末端，包括转接板、六维力传感器、X轴加载装置、Y轴加载装置、Z轴加载装置和靶球；/n所述转接板与工业机器人的末端法兰盘固定连接；/n所述六维力传感器固定在转接板上；/n所述X轴加载装置为沿前后方向设置的条状件，前端固定在六维力传感器上，与六维力传感器同心连接；/n所述Y轴加载装置为沿左右方向设置的条状件，设置在X轴加载装置上，且Y轴加载装置长度方向上的任意位置可设置在X轴加载装置长度方向上的任意位置上；/n所述Z轴加载装置为沿上下方向设置的条状件，设置在Y轴加载装置上，且Z轴加载装置长度方向上的任意位置可设置在Y轴加载装置长度方向上的任意位置上；/nY轴加载装置和Z轴加载装置均具有砝码，砝码可设置在其长度方向上的任意位置处；/n所述靶球固定设置在转接板上；/n所述激光跟踪仪位于在工业机器人的后侧，可测量靶球的空间位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人六维刚度误差补偿系统，其特征在于：
包括负载测量装置和激光跟踪仪；
所述负载测量装置固定在工业机器人的末端，包括转接板、六维力传感器、X轴加载装置、Y轴加载装置、Z轴加载装置和靶球；
所述转接板与工业机器人的末端法兰盘固定连接；
所述六维力传感器固定在转接板上；
所述X轴加载装置为沿前后方向设置的条状件，前端固定在六维力传感器上，与六维力传感器同心连接；
所述Y轴加载装置为沿左右方向设置的条状件，设置在X轴加载装置上，且Y轴加载装置长度方向上的任意位置可设置在X轴加载装置长度方向上的任意位置上；
所述Z轴加载装置为沿上下方向设置的条状件，设置在Y轴加载装置上，且Z轴加载装置长度方向上的任意位置可设置在Y轴加载装置长度方向上的任意位置上；
Y轴加载装置和Z轴加载装置均具有砝码，砝码可设置在其长度方向上的任意位置处；
所述靶球固定设置在转接板上；
所述激光跟踪仪位于在工业机器人的后侧，可测量靶球的空间位置。


2.根据权利要求1所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统，其特征在于：
其中，所述X轴加载装置上具有若干个沿其长度方向分布的环状凹槽，所述Y轴加载装置可卡在任意一个凹槽中。


3.根据权利要求2所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统，其特征在于：
其中，所述Y轴加载装置和Z轴加载装置均还包括两个夹板和若干个支撑连接块；
每个加载装置中，两个夹板平行设置，支撑连接块位于两个夹板之间、且与两个夹板固定连接，两个夹板与支撑连接块形成一个整体框架类的可夹持结构，所述砝码固定夹持在两个夹板间的任意位置处；
Y轴加载装置的两个夹板上下设置，任意段固定夹持在所述X轴加载装置的任意凹槽的上下空间内；
Z轴加载装置的两个夹板前后设置，任意段固定夹持在Y轴加载装置两个夹板任意段的前后两侧。


4.根据权利要求3所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统，其特征在于：
其中，所述Z轴加载装置的一个支撑连接块位于Y轴加载装置与Z轴加载装置的交叉连接处，该支撑连接块的前后两侧分别与Z轴加载装置的两个夹板固定连接、上下两侧分别与Y轴加载装置的两个夹板固定连接。


5.根据权利要求1所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统，其特征在于：
其中，所述靶球位于六维力传感器的上方。


6.根据权利要求1所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统，其特征在于：
其中，所述六维力传感器通过转接板与工业机器人的末端法兰盘同心安装。


7.如权利要求1所述的工业机器人六维刚度误差补偿系统的补偿方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一、控制机器人变动多个位姿，每个位姿均测量未安装砝码和安装砝码时靶球的空间位置Pj1和Pj2、读取六维力传感器的输出数值Fj1和Fj2，并计算同一位姿安装砝码前后的位置变化量ΔPj和负载变化量ΔFj，ΔPj＝Pj2-Pj1，ΔFj＝Fj2-Fj1，其中j为测量点序号，j＝1、2、3、…、N，N≥100，建立六维刚度误差模型；
步骤二、基于建立的六维刚度误差模型，采用非线性最小二乘法辨识出工业机器人的六维虚拟关节刚度矩阵参数；
步骤三、根据所述六维虚拟关节刚度矩阵参数和工业机器人末端负载值Fj，计算出工业机器人各个关节的形变量，记为(Δxij，Δyij，Δzij，Δαij，Δβij，Δγij)，其中Δxij、Δyij、Δzij分别为沿着x、y、z轴的线性位置误差，Δαij、Δβij、Δγij分别为沿着x、y、z轴的角度误差，其中i为工业机器人关节序号，i＝1、2、…、6；
步骤四、根据(Δxij、Δyij、Δzij、Δαij、Δβij、Δγij)误差，确定工业机器人原关节坐标系{Ji}与新关节坐标系{Ji′}的转换矩阵为：



从而获得新关节坐标系{Ji′}的原点坐标Oi以及各关节z轴方向向量Zi；
步骤五、根据轴线测量法重新计算工业机器人的运动学参数，包括关节转角θi、关节距离di、连杆长度ai、连杆扭角αi和补充扭角βi；
步骤六、通过微分迭代方法实现新运动学参数的运动学逆解...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔贵方，张颖，吕仲艳，孙大林，万其，温秀兰，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32