一种基于位姿约束和力感知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姿约束和力感知的机器人标定方法，包括建立运动学模型、几何误差模型和非几何误差模型；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，使末端标定装置的各个标定球约束于几何约束装置上的各个V型槽中，实现位姿约束，然后拖动至不同面上的V型槽中，利用两次测量名义末端位姿与实际值之间的偏差，标定机器人的几何参数误差；此外，通过力传感器读取末端力，标定非几何误差模型；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，且提供的末端位姿误差信息量更多，也可用于辨识非几何误差模型等优点。差模型等优点。差模型等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于位姿约束和力感知的机器人标定方法


[0001]本专利技术属于机器人标定
，具体涉及一种基于位姿约束和力感知的机器人标定方法。

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，上述基于位置、距离、平面约束的标定装置和方法，其所能反应的末端误差信息有限，单次测量所能反应的误差信息量较少。另外，这些标定装置只能对几何误差进行标定补偿，而不能对非几何误差进行标定补偿。
[0006]如何提供一种可提供全位姿误差信息且可针对非几何误差进行估计与补偿的标定方案，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可提供全位姿误差信息且可针对非几何误差进行估计与补偿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：一种基于位姿约束和力感知的机器人标定方法，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力传感器、连接座和多个标定球，所述连接座与所述力传感器相连，所述标定球固定于连接座的一端面上，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与所述标定球的数量相对应的V型槽，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、基于位姿约束的几何误差模型
和非几何误差模型；
[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相对于所述连接座的第一相对位姿，以及所述几何约束装置上各V型槽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，使末端标定装置的各个标定球对应约束于几何约束装置上的各个V型槽中，多次改变末端标定装置末端受力的大小和方向，将各个标定球以相同的方式触碰几何约束装置上的不同面的V型槽，读取并记录每次测量操作稳定后的关节角数据和力传感器数据；
[0012]S4，参数辨识，包括对所述关节角数据和力传感器数据按照不同的几何约束装置位姿分成若干组，再按照V型槽所处面的不同分为若干小组，将同一组但不同小组中力传感器示数最小的数据两两配对代入所述几何误差模型中；将同一组数据代入所述非几何误差模型中，通过机器学习的方式进行训练，之后将辨识后的非几何误差模型增补至几何参数辨识后的运动学模型中，辨识得到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姿约束误差与关节旋量误差、初始位姿误差之间的对应关系，构建所述几何误差模型；通过伴随变换矩阵建立了机器人末端位姿与关节角、末端接触力之间的对应关系，构建所述非几何误差模型。
[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，所述几何误差模型表示如下：
[0019]Y
TC
＝A
TC
X；
[0020]其中，表示两种不同构型下的名义末端位姿与实际值之间的偏差，X表示待辨识的模型参数误差，A
TC
表示末端位姿误差与模型参数误差之间的位姿约束关系矩阵，所述A
TC
表示为：
[0021][0022]其中，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，所述非几何误差模型表示如下：
[0025]T
0，n+1
＝T
ε
(q，F)T
c
(q)；
[0026]其中，T
c
(q)表示几何误差标定后的运动学模型，在位姿约束下，其满足如下的约束条件：
[0027][0028]其中，表示两个实际的末端位姿之差。
[0029]在一优选实施例中，综合m个两两配对的位姿约束样本，表示成如下的误差模型：
[0030]Y＝AX；
[0031][0032][0033]其中，Y为m个末端位姿误差组合而成的向量，A表示由m个末端位姿约束关系矩阵所组成的组合关系矩阵，m为大于等于1的整数。
[0034]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：
[0035]X＝(A
T
A)
‑1A
T
Y。
[0036]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。
[0037]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。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于位姿约束和力感知的机器人标定方法，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力传感器、连接座和多个标定球，所述连接座与所述力传感器相连，所述标定球固定于连接座的一端面上，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与所述标定球的数量相对应的V型槽，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、基于位姿约束的几何误差模型和非几何误差模型；S2，测量安装，包括测量所述末端标定装置上的所述标定球相对于所述连接座的第一相对位姿，以及所述几何约束装置上各V型槽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，使末端标定装置的各个标定球对应约束于几何约束装置上的各个V型槽中，多次改变末端标定装置末端受力的大小和方向，将各个标定球以相同的方式触碰几何约束装置上的不同面的V型槽，读取并记录每次测量操作稳定后的关节角数据和力传感器数据；S4，参数辨识，包括对所述关节角数据和力传感器数据按照不同的几何约束装置位姿分成若干组，再按照V型槽所处面的不同分为若干小组，将同一组但不同小组中力传感器示数最小的数据两两配对代入所述几何误差模型中；将同一组数据代入所述非几何误差模型中，通过机器学习的方式进行训练，之后将辨识后的非几何误差模型增补至几何参数辨识后的运动学模型中，辨识得到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所述的一种基于位姿约束和力感知的机器人标定方法，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姿约束误差与关节旋量误差、初始位姿误差之间的对应关系，构建所述几何误差模型；通过伴随变换矩阵建立了机器人末端位姿与关节角、末端接触力之间的对应关系，构建所述非几何误差模型。3.根据权利要求2所述的一种基于位姿约束和力感知的机器人标定方法，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨桂林，何建辉，陈思鲁，万红宇，罗竞波，汤烨，张志辉，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：