一种距离限制的工业机器人运动学参数估计方法技术

本发明专利技术公开了一种工业机器人运动学参数估计方法，其步骤包括：1、使用标准D

【技术实现步骤摘要】
一种距离限制的工业机器人运动学参数估计方法


[0001]本专利技术涉及工业机器人运动学参数估计领域，具体涉及一种基于相对距离限制的工业机器人运动学参数估计方法。

技术介绍

[0002]精度是评价工业机器人性能的重要指标之一，实验研究表明，在影响机器人整体精度的因素中，运动学参数的偏差引起的误差约占总误差的65％～95％。目前提高机器人精度的方法主要是通过标定的方法辨识实际的运动学参数，对理论的参数进行补偿修正，从而减小机器人的误差。
[0003]使用常用的三维测量设备标定机器人时，需要首先知道测量坐标系和机器人基坐标系之间的坐标变换。但是在建立机器人基坐标系的过程中，旋转得到的两条轴线很难满足互相垂直的条件，需要对建立的坐标系进行正交化，导致坐标变换很难精确测量，最终降低整个测量系统的精度。

技术实现思路

[0004]本专利技术为克服现有技术的不足之处，提供一种工业机器人运动学参数估计方法，以期能够准确补偿工业机器人的运动学参数误差，从而提高工业机器人的运动学精度。
[0005]本专利技术为达到上述专利技术目的，采用如下技术方案：
[0006]本专利技术一种工业机器人的运动学参数估计方法，是应用于工业机器人的标定过程中，并在所述工业机器人的末端装载有位置测量装置；其特点是，所述运动学参数估计方法是按如下步骤进行：
[0007]步骤1、在所述位置测量装置的测量范围内，建立工业机器人基坐标系O
B
、机器人末端坐标系O
S
，工具坐标系Or/>t
，并将测量装置坐标系设置为世界坐标系O
W
；
[0008]步骤2、建立所述工业机器人的运动学参数模型；
[0009]步骤2.1、对于j轴驱动装置输出的n自由度工业机器人中的每一个轴建立一个关节坐标系，通过标准D
‑
H参数建立相邻第i个和第i+1个关节坐标系之间的位姿关系T
i
；i∈[1,j
‑
1]；
[0010]步骤2.2、由所述位姿关系T
i
获得机器人末端坐标系O
S
相对于机器人基坐标系O
B
的位姿关系
B
T
S
；
[0011]步骤3、工具坐标系O
t
的标定；
[0012]步骤3.1、根据工业机器人的各关节之间的位姿关系与机器人末端坐标系O
S
的关系，通过单轴旋转法，得到机器人末端坐标系O
S
的原点位置和机器人末端坐标系O
S
的Z轴方向；
[0013]步骤3.2、以工业机器人末端执行器旋转不同角度得到的两点距离以及测量装置得到相同两点的距离误差最小为目标函数，利用最小二乘法优化所述目标函数，从而得到工具坐标系O
t
与机器人末端坐标系O
S
的位姿关系记为
S
T
t
；
…ꢀ
J
n
ꢀ…ꢀ
J
m
]T
，从而构造第k次迭代Gauss
‑
Newton法的下降方向和最速下降法的下降方向
[0033]步骤6.2、如果则转到步骤6.7，否则根据η
k
求解第k次迭代的误差函数e(η
k
)，如果||e(η
k
)||2≤e3或者第k次迭代的信赖域半径Δ
k
≤e2(||η
k
||+e2)，则转到步骤6.7，否则执行步骤6.3；
[0034]步骤6.3、当使用为目标函数E(η
k
)的下降方向时，计算第k次迭代沿最速下降法下降方向移动的步长λ
k
和比例参数β
k
，从而利用式(5)计算Dog
‑
Leg算法的下降方向Leg算法的下降方向
[0035]如果则转到步骤6.7，否则执行步骤6.4；
[0036]步骤6.4、令新的运动学参数计算增益比ρ，若ρ>0，则更新第k+1次迭代有效的估计参数η
k+1
＝η
new
；否则，更新第k+1次迭代有效的估计参数η
k+1
＝η
k
；
[0037]步骤6.5、利用式(6)更新第k次迭代的信赖域半径Δ
k
，从而得到第k+1次迭代的信赖域半径Δ
k+1
：
[0038][0039]式(6)中，σ表示所设定的阈值；
[0040]步骤6.6、令k+1赋值给k后，判断k<kmax是否成立，若成立，则转到步骤6.1，否则，执行步骤6.7；
[0041]步骤6.7、输出第k次迭代有效的估计参数η
k
即为所需要的D
‑
H参数估计值。
[0042]与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0043]1、本专利技术提出利用Dog
‑
Leg算法对机器人运动学参数进行估计，通过不同坐标系中的两点距离一致性，为标定机器人提供了一种准确的估计算法；避免了标定测量装置坐标系到机器人基坐标系的位姿关系，提高了测量系统的精度，从而准确估计工业机器人运动学参数。
[0044]2、本专利技术对目标函数中使用的参数进行分析，去除对冗余参数和非必要参数的标定，提高了估计算法的效率和鲁棒性；
[0045]3、本专利技术利用单轴旋转法对工具坐标系的位置参数进行单独标定，去除工具坐标系相对于机器人末端的位置参数对机器人几何参数辨识的耦合干扰；从而保证了估计得到的运动学参数为工业机器人本身的运动学参数最优值，而不是工具坐标系和工业机器人组合系统的最优值；
[0046]4、本专利技术利用机器人运动学参数进行数学建模，得到机器人整个工作空间，在工作空间内选择合适的测量位置，保证了标定的机器人运动学参数适用于所有工作点，避免了过度优化问题，保证了Dog
‑
Leg算法标定机器人的可行性和有效性。
具体实施方式
[0047]本实施例中，一种基于相对距离限制的工业机器人运动学参数估计，是应用于工业机器人的标定过程中，在工业机器人的末端执行器上搭载了一个位置测量装置；并由工业机器人运动学参数误差辨识模型、位置测量装置工具坐标系标定模块、机器人运动学参数误差补偿模块构成运动学参数估计系统；
[0048]工业机器人由于装配和制造等问题存在运动学参数误差，依据工业机器人理论运动学参数和机器人的运动学模型建立机器人运动学参数误差模型；根据运动学参数误差模型和工具坐标系与机器人末端执行器的位姿关系得到参数误差估计模型，并利用这个参数误差估计模型进行参数误差补偿。
[0049]位置测量装置工具坐标系搭载在工业机器人末端执行器上，对于工业机器人，可以使用激光跟踪仪作为位置测量装置，激光跟踪仪本身本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工业机器人的运动学参数估计方法，是应用于工业机器人的标定过程中，并在所述工业机器人的末端装载有位置测量装置；其特征是，所述运动学参数估计方法是按如下步骤进行：步骤1、在所述位置测量装置的测量范围内，建立工业机器人基坐标系O
B
、机器人末端坐标系O
S
，工具坐标系O
t
，并将测量装置坐标系设置为世界坐标系O
W
；步骤2、建立所述工业机器人的运动学参数模型；步骤2.1、对于j轴驱动装置输出的n自由度工业机器人中的每一个轴建立一个关节坐标系，通过标准D
‑
H参数建立相邻第i个和第i+1个关节坐标系之间的位姿关系T
i
；i∈[1,j
‑
1]；步骤2.2、由所述位姿关系T
i
获得机器人末端坐标系O
S
相对于机器人基坐标系O
B
的位姿关系
B
T
S
；步骤3、工具坐标系O
t
的标定；步骤3.1、根据工业机器人的各关节之间的位姿关系与机器人末端坐标系O
S
的关系，通过单轴旋转法，得到机器人末端坐标系O
S
的原点位置和机器人末端坐标系O
S
的Z轴方向；步骤3.2、以工业机器人末端执行器旋转不同角度得到的两点距离以及测量装置得到相同两点的距离误差最小为目标函数，利用最小二乘法优化所述目标函数，从而得到工具坐标系O
t
与机器人末端坐标系O
S
的位姿关系记为
S
T
t
；步骤4、建立工业机器人的运动学参数估计距离误差模型；步骤4.1、通过机器人末端坐标系O
S
相对于机器人基坐标系O
B
的位姿关系
B
T
S
和工具坐标系O
t
相对于机器人末端坐标系O
S
的位姿关系
S
T
t
，利用式(1)得到工具坐标系O
t
相对于机器人基坐标系O
B
的位姿关系
B
T
t
：式(1)中，R3×3为工具坐标系O
t
相对机器人基坐标系O
B
的旋转矩阵；p
x
,p
y
,p
z
分别表示工具坐标系O
t
相对机器人基坐标系O
B
在X轴、Y轴和Z轴的平移向量；步骤4.2、当仅考虑位姿关系
B
T
t
中的位置向量p＝(p
x
,p
y
,p
z
)
T
，利用式(2)得到式(1)的化简式：p＝g(θ,η
′
)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)式(2)中，θ表示工业机器人各轴旋转角度，即为输入变量，η
′
为待估计的运动学参数，即为待估计的常量；g表示通过θ和η
′
得到位置向量p的函数；相对于机器人基坐标系O
B
，工具坐标系O
t
在工业机器人运动轨迹中的第n个位形的位置向量为P
n
＝(p
x,n
,p
y,n
,p
z,n
)
T
＝g(θ
n
,η
′
)；θ
n
表示工业机器人第n个位形的各轴旋转角度；相对于测量装置坐标系O
W
，工具坐标系O
t
在测量装置中第n个位形的位置为P
n
′
＝(p
′
x,n
,p
′
y,n
,p
z
′
,n
)
T
；利用式(3)构造第n个位形的相对距离误差函数f
n
(θ
n
,η
′
)：f
n
(θ
n
,η
′
)＝||P
n
‑
P
n

【专利技术属性】
技术研发人员：卢荣胜，施文松，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：