一种基于位置和距离约束的机器人标定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于位置和距离约束的机器人标定方法，包括建立机器人的运动学模型及基于位置约束和距离约束的运动学误差模型；将末端标定装置安装至机器人的末端，将几何约束装置安装至机器人的工作空间内；拖动机器人，使末端标定装置的标定球约束于几何约束装置上的各个球座，且每个球座以不同的构型触碰若干次，读取并记录每次测量的关节角数据；辨识相应的机器人的运动学模型参数；将辨识得到的运动学模型参数误差补偿到机器人的控制器中。本发明专利技术具有成本低廉、便携性好、操作简便、不易损坏等优点。不易损坏等优点。不易损坏等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于位置和距离约束的机器人标定方法


[0001]本专利技术属于机器人标定
，具体涉及一种基于位置和距离约束的机器人标定方法。

技术介绍

[0002]协作机器人是一种可以与人近距离协同作业的新型工业机器人。与传统工业机器人相比，协作机器人具有自重轻、柔顺性好、安全性高、可拖动示教、易于部署实施以及支持人机协作等优点，既能满足制造业日益增长的小批量、多品种生产需求，又能应用于社会服务领域，实现安全友好的人机交互，具有极为广阔的发展前景。
[0003]然而，由于协作机器人在零部件加工、装配时，存在一定的误差，使得其绝对定位精度较差。因此，为提高协作机器人的绝对定位精度，常常需对机器人进行标定。
[0004]对于机器人标定，国内外学者开展了富有成效的研究工作，建立了由误差建模、位姿测量、参数辨识和误差补偿四个主要步骤组成的机器人运动学标定方法，有效提高了工业机器人的绝对定位精度。然而，已有的机器人运动学标定方法大多需要依赖激光跟踪仪、臂式三坐标测量仪、拉线式测量系统等外部精密测量设备进行机器人位置或位姿测量，而这些大范围精密测量设备存在价格较为昂贵、使用和维护成本高、便捷性差、现场部署实施难等问题，难以满足协作机器人经常性的现场标定需求。
[0005]针对上述问题，近年来，众多研究学者开始探求低成本、便携的自标定装置。CN107042528A公开的工业机器人标定装置，将固定在机器人末端的三个探测球杆接触固定于桌面的目标球体，读取三个位移传感器的读数，两次触碰同一或不同球体，利用名义距离与实际值的偏差对机器人进行标定。然而，上述装置的位移传感器在接触球体时，受力方向与位移传感器测量方向不重合，容易造成探测球杆的受力变形，进而会影响装置后续的标定精度。
[0006]如何提供一种成本低廉、便携性好、不易损坏的协作机器人标定方案，是一个急需解决的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的主要目的在于提供一种成本低廉、便携性好、不易损坏的基于位置和距离约束的机器人标定方法，从而克服现有技术的不足。
[0008]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：一种基于位置和距离约束的机器人标定方法，所述方法基于一机器人标定装置实现，所述机器人标定装置包括末端标定装置和几何约束装置，所述末端标定装置包括连接座和安装于连接座一端的标定球，所述几何约束装置包括约束支撑座和设置于所述约束支撑座上的多个球座，所述方法包括：
[0009]S1，建立模型，所述模型包括机器人的运动学模型、基于位置约束的第一运动学误差模型和基于距离约束的第二运动学误差模型；
[0010]S2，测量安装，包括测量所述末端标定装置上的所述标定球和所述连接座之间的
第一相对位姿，以及所述几何约束装置上各球座之间的第二相对位姿，测量后将所述末端标定装置安装至所述机器人的末端，将所述几何约束装置安装至机器人的工作空间内；
[0011]S3，数据采集，包括多次改变所述几何约束装置在机器人的所述工作空间中的位置，在每个位置都拖动机器人，使末端标定装置的标定球约束于几何约束装置上的各个球座，且每个球座以不同的构型触碰若干次，读取并记录每次测量操作稳定后的关节角数据；
[0012]S4，参数辨识，包括对所述关节角数据按照不同的几何约束装置位姿分成若干组，再按照不同的球座位置分为若干小组，将同一小组的数据两两配对代入所述第一运动学误差模型中，将同一组但不同小组的数据两两配对代入所述第二运动学误差模型中，之后混合两误差模型数据，辨识相应的机器人的运动学模型参数；
[0013]S5，误差补偿，包括将辨识得到的所述运动学模型参数误差补偿到机器人的控制器中。
[0014]在一优选实施例中，所述S1中，通过全局指数积公式建立机器人末端位姿与关节角、关节旋量和初始位姿之间的对应关系，构建所述运动学模型；通过伴随变换矩阵建立了位置约束误差与关节旋量误差、初始位姿误差之间的对应关系，构建所述第一运动学误差模型；通过伴随变换矩阵建立了距离约束误差与关节旋量误差、初始位姿误差之间的对应关系，构建所述第二运动学误差模型。
[0015]在一优选实施例中，所述全局指数积公式表示如下：
[0016][0017]其中，T
0，n+1
表示机器人末端位姿在基坐标系下的坐标，s
i
(i＝1，2，...，n)表示机器人的关节旋量在基坐标系下的坐标，q
i
(i＝1，2，...，n)表示机器人各关节的旋转角，即关节角，T
0，n+1
(0)表示机器人末端相对于基坐标系的初始位姿。
[0018]在一优选实施例中，所述第一运动学误差模型表示如下：
[0019]Y
PC
＝A
PC
X；
[0020]其中，表示两种不同构型下的末端位置误差，X表示待辨识的模型参数误差，A
PC
表示末端位置误差与模型参数误差之间的位置约束关系矩阵，所述A
PC
表示为：
[0021][0022]其中，p为名义末端位置坐标，I3表示3
×
3的单位矩阵，Ad(
·
)表示一齐次变换矩阵所对应的伴随变换矩阵，A
j
(j＝1，2)表示为：
[0023][0024]在一优选实施例中，所述第二运动学误差模型表示如下：
[0025]Y
DC
＝A
DC
X，；
[0026]其中，表示两种不同构型下的名义末端距离与实际值之间的偏差，X表示待辨识的模型参数误差，A
DC
表示末端距离误差与模型参数误差之间的距离约束关系矩阵，所述A
DC
表示为：
[0027][0028]在一优选实施例中，由所述第一运动学误差模型和第二运动学误差模型混合形成混合误差模型，所述混合误差模型表示为：
[0029]Y＝AX；
[0030][0031][0032]其中，Y为m1个末端位置误差与m2个末端距离误差组合而成的向量，A表示由m1个位置约束关系矩阵和m2个距离约束关系矩阵所组成的组合关系矩阵，m1和m2为大于等于1的整数。
[0033]在一优选实施例中，所述S4中，采用最小二乘法迭代对所述运动学模型参数误差进行辨识，所述最小二乘法公式表示为：
[0034]X＝(A
T
A)
‑1A
T
Y。
[0035]在一优选实施例中，所述S5中，采用直接补偿或间接补偿的方式将辨识得到的所述运动学模型参数误差补偿到机器人的控制器中。
[0036]在一优选实施例中，所述直接补偿方式包括直接修改所述控制器中的运动学模型参数。
[0037]在一优选实施例中，所述间接补偿方式包括通过辨识得到的所述运动学模型参数修正目标位姿，将修正后的所述目标位姿输入原控制器中，对原运动学模型进行误差补偿。
[0038]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于位置和距离约束的机器人标定方法，其特征在于：所述方法基于一机器人标定装置实现，所述机器人标定装置包括末端标定装置和几何约束装置，所述末端标定装置包括连接座和安装于连接座一端的标定球，所述几何约束装置包括约束支撑座和设置于所述约束支撑座上的多个球座，所述方法包括：S1，建立模型，所述模型包括机器人的运动学模型、基于位置约束的第一运动学误差模型和基于距离约束的第二运动学误差模型；S2，测量安装，包括测量所述末端标定装置上的所述标定球和所述连接座之间的第一相对位姿，以及所述几何约束装置上各球座之间的第二相对位姿，测量后将所述末端标定装置安装至所述机器人的末端，将所述几何约束装置安装至机器人的工作空间内；S3，数据采集，包括多次改变所述几何约束装置在机器人的所述工作空间中的位置，在每个位置都拖动机器人，使末端标定装置的标定球约束于几何约束装置上的各个球座，且每个球座以不同的构型触碰若干次，读取并记录每次测量操作稳定后的关节角数据；S4，参数辨识，包括对所述关节角数据按照不同的几何约束装置位姿分成若干组，再按照不同的球座位置分为若干小组，将同一小组的数据两两配对代入所述第一运动学误差模型中，将同一组但不同小组的数据两两配对代入所述第二运动学误差模型中，之后混合两误差模型数据，辨识相应的机器人的运动学模型参数；S5，误差补偿，包括将辨识得到的所述运动学模型参数误差补偿到机器人的控制器中。2.根据权利要求1所述的一种基于位置和距离约束的机器人标定方法，其特征在于：所述S1中，通过全局指数积公式建立机器人末端位姿与关节角、关节旋量和初始位姿之间的对应关系，构建所述运动学模型；通过伴随变换矩阵建立了位置约束误差与关节旋量误差、初始位姿误差之间的对应关系，构建所述第一运动学误差模型；通过伴随变换矩阵建立了距离约束误差与关节旋量误差、初始位姿误差之间的对应关系，构建所述第二运动学误差模型。3.根据权利要求2所述的一种基于位置和距离约束的机器人标定方法，其特征在于：所述全局指数积公式表示如下：其中，T
0，n+1
表示机器人末端位姿在基坐标系下的坐标，s
i
(i＝1，2，...，n)表示机器人的关节旋量在基坐标系下的坐标，q
i
(i＝1，2，...，n)表示机器人各关节的旋转角，即关节角，T
0，n+1
(0)表示机器人末端相对于基坐标系的初始位姿。4.根据权利要求3所述的一种基于位置和距离约束的机器人标定...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨桂林，何建辉，陈思鲁，罗竞波，万红宇，张志辉，汤烨，陈庆盈，张驰，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：