一种面向加工过程的移动机器人系统标定方法及系统技术方案

一种面向加工过程的移动机器人系统标定方法及系统，包括：基于激光跟踪仪的构建不同坐标系；采用激光跟踪仪建立全向移动平台坐标系、机器人基坐标系、机器人末端法兰坐标系以及待加工件坐标系；进行基于激光跟踪仪的机器人运动学参数辨识；通过激光跟踪仪测量机器人不同位姿下的目标点，建立运动学参数模型，进行运动学参数辨识；机器人运动位姿标定；采用标定完成的运动参数对机器人运行学参数修正，进而完成机器人运动位姿的标定；移动机器人到不同站位；进行基于激光跟踪仪的坐标系转换关系标定；通过激光跟踪仪对空间点目标点测量，采用改进加权的奇异值分解算法，实现坐标系转换关系的标定；加工程序执行，保证正确的移动机器人加工过程。

A calibration method and system of mobile robot system for machining process

【技术实现步骤摘要】
一种面向加工过程的移动机器人系统标定方法及系统
本专利技术涉及一种面向加工过程的移动机器人系统标定方法及系统，面向大型复杂构件高精度局部加工过程以及高精度、高柔性移动加工机器人系统。
技术介绍
以移动机器人系统为主的现代制造技术近年来在全球范围发展极其迅速，尤其是在重型、高端装备制造业上的发展更为广泛。美国沃特飞机公司研制了一套机器人钻铣系统，完成了波音737内侧襟翼的钻孔和铣削工作。德国弗劳恩霍夫协会研制的移动机器人用于飞机机翼加工。KUKA公司研制了全向叶片打磨机器人。浙江大学研制出适用于飞机机身钻铆的移动加工机器人设备，并通过集成激光测量技术、计算机控制技术、离线编程技术和机器人技术，大幅度提高了飞机部件的制孔效率。天津大学研制了一套KUKA工业机器人位姿测量与在线误差补偿系统，应用于大型球状工件复杂孔系制造。上述研究中，面向加工过程的移动机器人系统标定对系统有效运行及提高产品的制造质量和效率起着关键作用。面向加工过程的移动机器人继承了关节型机器人作业空间大、可重构性强的优点，辅以全向移动平台与840Dsl控制技术，形成了移动加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向加工过程的移动机器人系统标定方法，其特征在于步骤如下：/n(1)基于激光跟踪仪的构建不同坐标系；/n采用激光跟踪仪建立全向移动平台坐标系、机器人基坐标系、机器人末端法兰坐标系以及待加工件坐标系；/n(2)进行基于激光跟踪仪的机器人运动学参数辨识；/n通过激光跟踪仪测量机器人不同位姿下的目标点，建立运动学参数模型，进行运动学参数辨识；/n(3)机器人运动位姿标定；/n采用标定完成的运动参数对机器人运行学参数修正，进而完成机器人运动位姿的标定；/n(4)移动机器人到不同站位；/n按照事前规划好的站位，控制移动机器人移动到指定的站位；/n(5)进行基于激光跟踪仪的坐标系转换关系标定；/n...

【技术特征摘要】
1.一种面向加工过程的移动机器人系统标定方法，其特征在于步骤如下：
(1)基于激光跟踪仪的构建不同坐标系；
采用激光跟踪仪建立全向移动平台坐标系、机器人基坐标系、机器人末端法兰坐标系以及待加工件坐标系；
(2)进行基于激光跟踪仪的机器人运动学参数辨识；
通过激光跟踪仪测量机器人不同位姿下的目标点，建立运动学参数模型，进行运动学参数辨识；
(3)机器人运动位姿标定；
采用标定完成的运动参数对机器人运行学参数修正，进而完成机器人运动位姿的标定；
(4)移动机器人到不同站位；
按照事前规划好的站位，控制移动机器人移动到指定的站位；
(5)进行基于激光跟踪仪的坐标系转换关系标定；
通过激光跟踪仪对空间点目标点测量，采用改进加权的奇异值分解算法，实现坐标系转换关系的标定；
(6)移动机器人加工程序执行；
机器人运动学参数辨识后获得的准确机器人运动位姿，结合激光跟踪仪确定的全向移动平台坐标系相对于待加工件坐标系之间的转换关系，即可修正移动机器人加工程序，以保证正确的移动机器人加工过程。


2.根据权利要求1所述的一种面向加工过程的移动机器人系统标定方法，其特征在于：步骤(1)基于激光跟踪仪的构建不同坐标系具体为：
全向移动平台坐标系：通过激光跟踪仪测量全向移动平台上表面4个点，拟合一个平面x2y2o2，其法线为坐标系z2轴，方向为垂直平面向上，o2为全向移动平台上表面中心，x2与全向移动平台运动方向同向，y2通过右手定确定；
机器人基坐标系：通过激光跟踪仪测量机器人底座安装面4个点，拟合一个平面x3y3o3，其法线为坐标系z3轴，方向为垂直平面向上，o3为机器人底座中心，x3与全向移动平台运动方向同向，y2通过右手定确定；
机器人末端法兰坐标系：通过激光跟踪仪测量机器人末端法兰表面上4个点，拟合一个平面x4y4o4，其法线为坐标系z4轴，方向为垂直平面向上，o4为末端法兰中心，x3通过法兰上销孔位置确定，y2通过右手定确定；
待加工件坐标系：通过激光跟踪仪测量工件待加工表面上4个点，拟合一个平面x1y1o1，其法线为坐标系z1轴，方向为垂直平面向上，o1为待加工表面，x1沿着待加工表面的一条边，y1通过右手定确定。


3.根据权利要求1所述的一种面向加工过程的移动机器人系统标定方法，其特征在于：步骤(2)基于激光跟踪仪的机器人运动学参数辨识具体为：
(2.1)提取库卡机器人模型中连杆夹角θi、连杆距离di、连杆长度ai、连杆扭转角αi，从而获得机器人运动学正解式：
T＝T1T2T3T4T5T6



其中，齐次变换矩阵Ti，自由度i＝1～6，表示机器人运动学正解式中相邻坐标系之间的坐标变换，T表示末端法兰盘坐标系到机器人基坐标系的坐标变换；
(2.2)运动学正解式中各连杆的参数误差为△ai、△αi、△di、△θi，机器人末端法兰盘坐标系原点位置误差，即简称末端原点误差△P＝P-P’，相对于机器人基坐标系，P为理论位置坐标，P’为实际位置坐标，建立线性关系如下



激光跟踪仪跟踪测量机器人末端原点，机器人运动n个不同位姿，则激光跟踪仪将测量出n个点坐标，基于式(2)列出方程组，利用采样数据先标定与角度(θi、αi)相关误差，然后再标定与距离(di、ai)相关误差，利用最小二乘法求出的最小二乘解，进而获得△ai、△αi、△di、△θi，完成运动学参数辨识。


4.根据权利要求3所述的一种面向加工过程的移动机器人系统标定方法，其特征在于：机器人运动位姿标定，具体为：
(3.1)进行角度误差标定；
先标定与角度(θi、αi)相关误差时，代入距离(di、ai)的理论值，将式(2)线性关系改写为式(3)矩阵形式
GacΔδac＝b(3)
矩阵形式中各矩阵变量与下式一一对应：



采用最小二乘法，取足够多n，即可求得最小二乘解
Δδac＝(GacTGac)-1GacTb(5)
将解算出的误差△δac补偿到运动学参数中，再次计算式(5)，如果位置误差值不满足定位精度的要求，重新求解误差△δac，反复迭代后，直到误差△δac达到定位精度要求为止；
(3.2)进行距离误差标定；
角度误差标定完成后，进行距离(di、ai)误差的标定，先将标定后的角度值代入到式(2)线性关系中，将式(2)改写为下式(6)矩阵形式
GdcΔδdc＝b(6)
矩阵形式中各矩阵变量与下式一一对应：



Δδdc＝(GdcTGdc)-1GdcTb(8)
将误差△δdc加入到运动学参数中，再次计算式(5)，如果位置误差值不满足定位精度的要求，重新求解误差△δdc，反复迭代后，直到误差△δdc达到定位精度要求为止；至此，θi、di、ai、αi全部标定完成，实现机器人运动学参数的辨识。


5.根据权利要求1所述的一种面向加工过程的移动机器人系统标定方法，其特征在于：步骤(5)进行基于激光跟踪仪的坐标系转换关系标定，具体为：
(5.1)坐标关系线性表达；
当两个坐标系x1y1z1o1与x2y2z2o2共同表达一个点Pi时，即存在公共测量点，存在如下线性关系式



其中，R表示旋转矩阵，M表示平移向量，Pi1表示在坐标系x1y1z1o1中点坐标，Pi2表示在坐标系x2y2z2o2中点坐标，Pi1与Pi2为公共测量点；则坐标系x1y1z1o1与x2y2z2o2之间的转换关系矩阵为1T2



(5.2)改进加权的奇异值分解法求解；
当两个坐标系x1y1z1o1与x2y2z2o2下存在不小于三个共同点时，建立改进加权的奇异值分解计算式



其中，wi表示每个测量点的权重系数，当F(R,M)值最小时，即可求得R和M；
(5.3)权重系数求解；
将权重系数均设为1，计算出初始的坐标系转换关系矩阵1T2，对每个测量点求取标定误差



然后对所有的误差取平均值并根据各个测量点的标定误差，选取线性函数作为权重误差函数



该函数表示误差越小权重越大，误差越大权重越小，通过所选取的权重误差函数，根据每个测量点的标定误差，重新分配相应权重系数，使误差偏大的数据权重降低，用加权后的权重矩阵再重新计算坐标系转换关系矩阵1T2，进而修正两个坐标系x1y1z1o1与x2y2z2o2的转换关系。


6....

【专利技术属性】
技术研发人员：张加波，赵长喜，周莹皓，文科，乐毅，杨继之，於陈程，
申请(专利权)人：北京卫星制造厂有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11