一种六自由度关节型工业机器人标定方法技术

本发明专利技术公开了一种六自由度关节型工业机器人标定方法，首先在机器人空载状态下，用局部指数积公式对机器人几何误差进行标定。在非几何误差部分，通过对机器人刚度建模并进行关节刚度辨识，实现因末端负载引起的变形误差的标定，最后引入高斯过程回归模型实现残余非几何误差的标定。本发明专利技术的三步标定方法能够保证机器人在重载工况下保持较高的绝对定位精度，且兼顾位置精度和方向精度，此外还能避免机器人在负载变化时绝对定位精度的波动。人在负载变化时绝对定位精度的波动。人在负载变化时绝对定位精度的波动。

【技术实现步骤摘要】
一种六自由度关节型工业机器人标定方法


[0001]本专利技术涉及工业机器人误差标定领域，具体涉及一种六自由度关节型工业机器人标定方法。

技术介绍

[0002]工业机器人可以代替人类在危险和恶劣的环境中工作，具有工作效率高、承载能力大、稳定性好等优点，在抛光、焊接、喷涂、装配等领域发挥着至关重要的作用。
[0003]通常来说，机器人的重复定位精度较高，但是绝对定位精度较低，这主要由机器人制造装配过程中的误差(几何误差)、关节及连杆柔性、磨损、温度变化等因素(非几何误差)引起。特别对于串联型重载工业机器人来说，由于关节刚度较弱以及串联的结构特征，机器人在重载工况下的绝对定位精度很差，这制约着机器人在高精度场合的应用。
[0004]机器人标定是提高机器人绝对定位精度的有效手段。目前，大多数标定方法仅考虑对机器人几何误差进行标定，但这对于高精度的应用场景尤其是带载下的作业场景是远远不够的。近几年也有学者提出用神经网络来对机器人非几何误差进行标定，但是神经网络需要大量的训练样本，且需要花费大量时间去优化网络结构才能保证标定的精度。也有学者提出用高斯过程回归模型对机器人非几何误差进行一次性标定，但是非几何误差中由于弱关节刚度引起的机器人末端受力变形是确定性的，且随着末端载荷的变化而变化，这可能会导致机器人的定位精度因载荷变化而产生波动。此外，上述这些方法只考虑了机器人的位置精度，并没有考虑机器人的方向精度。因此，我们提出了一种机器人三步标定方法，在完成几何误差标定后，首先建立机器人刚度模型对末端负载引起的变形误差进行标定，然后再用高斯过程回归模型对残余的非几何误差进行标定，实现位置精度和方向精度的提升。
[0005]在机器人运动学标定领域，CN111775153A公开了一种重载机器人标定方法，虽然该方法也是采用了三步标定，但是其采用的梁变形模型结合高斯过程回归模型的非几何误差标定方法只适用于直角坐标型机器人，无法适用于应用更为广泛、精度要求更高的六自由度关节型工业机器人，且无法实现方向精度的提升。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种六自由度关节型工业机器人标定方法，以克服现有技术的不足。
[0007]一种六自由度关节型工业机器人标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008](1)利用局部指数积公式建立工业机器人的正向运动学模型，通过对正向运动学模型进行微分并假设误差只存在于工业机器人的初始位姿矩阵中，得到线性化误差模型，通过迭代最小二乘法求解运动学误差向量；
[0009](2)根据步骤(1)得到的运动学误差向量去修正工业机器人的初始位姿矩阵，得到修正后的工业机器人正向运动学模型，通过修正后的工业机器人正向运动学模型计算得到
几何误差标定后的工业机器人位姿T
C
；
[0010](3)将工业机器人的各关节等效为线性扭簧，建立工业机器人的刚度模型，并对工业机器人关节刚度进行辨识；
[0011](4)根据步骤(3)所辨识的关节刚度，当给定工业机器人关节角和末端所受六维力信息后，计算由末端负载引起的变形误差，在几何误差标定的基础上，计算得到变形误差标定后的工业机器人位姿；
[0012](5)根据实际测量工业机器人的位姿和步骤(4)得到的变形误差标定后的工业机器人位姿建立残余误差的表达式，工业机器人关节角和末端所受六维力作为输入向量，残余误差作为输出向量，训练高斯过程回归模型；
[0013](6)当给定新的关节角和六维力时，利用步骤(5)训练好的高斯过程回归模型对残余误差进行预测，即可得到三步标定后工业机器人的末端位姿。
[0014]步骤(1)(2)可以有效提高机器人空载下的绝对定位精度，但是当机器人末端有较大载荷时，还需进一步标定较为显著的非几何误差，步骤(3)(4)基于静力学相关理论对非几何误差中最主要的变形误差进行了建模及标定，可以保证机器人末端有较大载荷以及载荷变化时，也能保证较高的绝对定位精度，最后步骤(4)(5)基于数据驱动的高斯过程回归模型对残余误差标定，进一步提高机器人的绝对定位精度。相较于直接使用数据驱动模型标定所有非几何误差，即使数据驱动模型存在较大预测误差，因为最主要的变形误差已被标定，所以不会存在定位精度明显波动的情况。
[0015]步骤(1)中，利用局部指数积公式建立工业机器人的正向运动学模型，包括：
[0016](1
‑
1)利用局部指数积公式建立6自由度工业机器人的正向运动学模型T
0,7
：
[0017][0018]其中，T
i
‑
1,i
(0)(i＝1，2
…
6)表示机器人6个连杆坐标系的初始位姿矩阵，表示机器人的6个初始位姿旋量，q
i
(i＝1，2
…
6)表示机器人关节角，T
6,7
(0)表示工具坐标系相对于第6个连杆坐标系的初始位姿矩阵。
[0019]步骤(1)中，通过对正向运动学模型进行微分并假设误差只存在于工业机器人的初始位姿矩阵中，得到线性化误差模型，包括：
[0020](1
‑
2)对正向运动学模型微分并假设误差只存在于初始位姿矩阵T(0)中，得线性误差模型y＝Ax,y表示空载下工业机器人正运动学计算的名义位姿T
0,7
与实际位姿之间的偏差向量，包含位置和方向，可根据下式计算得到：
[0021][0022]其中，∨表示将矩阵映射为一个六维向量形式，是误差雅可比矩阵，Ad表示伴随矩阵，是各连杆坐标系的齐次变换矩阵，是待辨识的运动学误差向量，δt1,δt2,
…
,δt7代表各初始位姿矩阵的六维误差向量。
[0023]步骤(2)中，根据步骤(1)得到的运动学误差向量去修正工业机器人的初始位姿矩
阵，得到修正后的工业机器人正向运动学模型，具体包括：
[0024](2
‑
1)根据步骤(1)得到的运动学误差向量，修正工业机器人的初始位姿矩阵：
[0025][0026]其中，表示修正后的各初始位姿矩阵，T
i
‑
1,i
(0)(i＝1，2
…
6)表示机器人6个连杆坐标系的初始位姿矩阵，δt
i
(i＝1,2
…
7)表示各初始位姿矩阵的六维误差向量，∧表示将一个六维向量转化为四维矩阵形式。
[0027]步骤(2)中，通过修正后的工业机器人正向运动学模型计算得到几何误差标定后的工业机器人位姿T
C
，包括：
[0028](2
‑
2)根据修正后的工业机器人正向运动学模型，计算得出几何误差标定后机器人的位姿T
C
：
[0029][0030]其中，表示修正后的各初始位姿矩阵，表示机器人的6个初始位姿旋量，q
i
(i＝1，2
…
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种六自由度关节型工业机器人标定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用局部指数积公式建立工业机器人的正向运动学模型，通过对正向运动学模型进行微分并假设误差只存在于工业机器人的初始位姿矩阵中，得到线性化误差模型，通过迭代最小二乘法求解运动学误差向量；(2)根据步骤(1)得到的运动学误差向量去修正工业机器人的初始位姿矩阵，得到修正后的工业机器人正向运动学模型，通过修正后的工业机器人正向运动学模型计算得到几何误差标定后的工业机器人位姿T
C
；(3)将工业机器人的各关节等效为线性扭簧，建立工业机器人的刚度模型，并对工业机器人关节刚度进行辨识；(4)根据步骤(3)所辨识的关节刚度，当给定工业机器人关节角和末端所受六维力信息后，计算由末端负载引起的变形误差，结合几何误差标定后的工业机器人位姿T
C
得到变形误差标定后的工业机器人位姿；(5)根据实际测量工业机器人的位姿和步骤(4)得到的变形误差标定后的工业机器人位姿建立残余误差的表达式，工业机器人关节角和末端所受六维力作为输入向量，残余误差作为输出向量，训练高斯过程回归模型；(6)当给定新的关节角和六维力时，利用步骤(5)训练好的高斯过程回归模型对残余误差进行预测，即可得到三步标定后工业机器人的末端位姿。2.根据权利要求1所述的六自由度关节型工业机器人标定方法，其特征在于，步骤(1)中，利用局部指数积公式建立工业机器人的正向运动学模型，包括：(1
‑
1)利用局部指数积公式建立6自由度工业机器人的正向运动学模型T
0,7
：其中，T
i
‑
1,i
(0)(i＝1，2
…
6)表示机器人6个连杆坐标系的初始位姿矩阵，表示机器人的6个初始位姿旋量，q
i
(i＝1，2
…
6)表示机器人关节角；T
6,7
(0)表示工具坐标系相对于第6个连杆坐标系的初始位姿矩阵。3.根据权利要求2所述的六自由度关节型工业机器人标定方法，其特征在于，步骤(1)中，通过对正向运动学模型进行微分并假设误差只存在于工业机器人的初始位姿矩阵中，得到线性化误差模型，包括：(1
‑
2)对正向运动学模型微分并假设误差只存在于初始位姿矩阵T(0)中，得线性误差模型y＝Ax,y表示空载下工业机器人正运动学计算的名义位姿T
0,7
与实际位姿之间的偏差向量，包含位置和方向，根据下式计算得到：其中，∨表示将矩阵映射为一个六维向量形式，是误差雅可比矩阵，Ad表示伴随矩阵，是各连杆坐标系的齐次变换矩阵，是待辨识的运动学误差向量，δt1,δt2,
…
,δt7代表各初始位姿矩阵的六维误差向量。
4.根据权利要求3所述的六自由度关节型工业机器人标定方法，其特征在于，步骤(2)中，根据步骤(1)得到的运动学误差向量去修正工业机器人的初始位姿矩阵，得到修正后的工业机器人正向运动学模型，具体包括：(2
‑
1)根据步骤(1)得到的运动学误差向量，修正工业机器人的初始位姿矩阵：其中，表示修正后的各初始位姿矩阵，∧表示将一个六维向量转化为四维矩阵形式。5.根据权利要求4所述的六自由度关节型工业机器人标定方法，其特征在于，步骤(2)中，通过修正后的工业机器人正向运动学模型计算得到几何误差标定后的工业机器人位姿T
C
，包括：(2
‑
2)根据修正后的工业机器人正向运动学模型，计算得出几何误差标定后机器人的位姿T
C
：6.根据权利要求1所述的六自由度关节型工业机器人标定方法，其特征在于，步骤(3)中，将工业机器人的各关节等效为线性扭簧，建立工业机器人的刚度模型，并对工业机器人关节刚度进行辨识，具体包括：(3
‑
1)将工业机器人各关节等效为一个线性扭簧，利用虚功原理建立机器人刚度模型：F＝K
X...

【专利技术属性】
技术研发人员：李研彪，汤烨，陈庆盈，杨桂林，孙鹏，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：