多自由度机构运动学建模方法、装置、设备和存储介质制造方法及图纸

本申请公开了一种多自由度机构运动学建模方法、装置、设备和存储介质，将多自由度机构的三个直线轴作为一个整体构建点坐标系，基于齐次线性方程组构建点坐标系的变换矩阵；分别构建两个旋转轴的变换矩阵以及末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵；基于点坐标系、两个旋转轴以及工件坐标系的变换矩阵构建正运动学模型；通过多自由度机构末端的旋转矩阵求解得到旋转轴电机的值，并将多自由度机构末端的平移矩阵作为一个非齐次线性方程组，通过克莱姆法则求解得到直线轴电机的值，得到逆运动学模型，改善了现有技术以引入冗余参数为代价，将直线轴和旋转轴分离进行分步式的运动学标定，存在影响机构末端整体运动的误差标定精度的技术问题。技术问题。技术问题。

【技术实现步骤摘要】
多自由度机构运动学建模方法、装置、设备和存储介质


[0001]本申请涉及运动学建模
，尤其涉及一种多自由度机构运动学建模方法、装置、设备和存储介质。

技术介绍

[0002]用于实现复杂曲面加工的多自由度机构，例如五轴机床和工业机器人等，在制造过程中存在结构尺寸误差和装配误差，从而影响机构末端的定位误差，造成精度损失。运动学标定是一种能有效提高多自由度机构精度的方法，旨在通过引入误差参数，建立运动学模型和误差模型，找出末端误差与结构误差和电机驱动量的关系，最后根据逆运动学模型进行误差补偿以提高绝对定位精度。由于引入误差参数的运动学模型比较复杂，现有方法不能对逆运动学模型进行解析解求解，只能采用耗时较长的数值迭代法求解，或者能够得到解析解，但代价是引入不必要的冗余参数，破坏了模型的最小性，导致需将直线轴和旋转轴分离，进行分步式的运动学标定，影响了末端整体运动的误差标定精度。

技术实现思路

[0003]本申请提供了一种多自由度机构运动学建模方法、装置、设备和存储介质，用于改善现有技术以引入冗余参数为代价，将直线轴和旋转轴分离进行分步式的运动学标定，存在影响机构末端整体运动的误差标定精度的技术问题。
[0004]有鉴于此，本申请第一方面提供了一种多自由度机构运动学建模方法，包括：将多自由度机构的三个直线轴作为一个整体构建点坐标系，基于齐次线性方程组构建所述点坐标系的变换矩阵；分别构建两个旋转轴的变换矩阵；构建多自由度机构的末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵；基于所述点坐标系的变换矩阵、两个旋转轴的变换矩阵以及末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵构建正运动学模型；依据姿态表示方法，通过多自由度机构末端的旋转矩阵求解得到旋转轴电机的值，并将多自由度机构末端的平移矩阵作为一个非齐次线性方程组，通过克莱姆法则求解得到直线轴电机的值，得到逆运动学模型。
[0005]可选的，所述分别构建两个旋转轴的变换矩阵，包括：当多自由度机构为先平移后旋转的机构时，采用三个旋转矩阵构建第一旋转轴的变换矩阵，并基于建模方法确定第二旋转轴的变换矩阵；当多自由度机构为先旋转后平移的机构时，采用三个旋转矩阵构建第二旋转轴的变换矩阵，并基于建模方法确定第一旋转轴的变换矩阵。
[0006]可选的，所述基于所述点坐标系的变换矩阵、两个旋转轴的变换矩阵以及末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵构建正运动学模型，包括：当多自由度机构为先平移后旋转的机构时，采用所述点坐标系的变换矩阵依次右
乘所述第一旋转轴的变换矩阵、所述第二旋转轴的变换矩阵以及末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵，得到正运动学模型；当多自由度机构为先旋转后平移的机构时，采用所述点坐标系的变换矩阵依次左乘所述第二旋转轴的变换矩阵、所述第一旋转轴的变换矩阵，再右乘末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵，得到正运动学模型。
[0007]本申请第二方面提供了一种多自由度机构运动学建模装置，包括：直线轴建模单元，用于将多自由度机构的三个直线轴作为一个整体构建点坐标系，基于齐次线性方程组构建所述点坐标系的变换矩阵；旋转轴建模单元，用于分别构建两个旋转轴的变换矩阵；工件坐标系建模单元，用于构建多自由度机构的末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵；正运动学模型构建单元，用于基于所述点坐标系的变换矩阵、两个旋转轴的变换矩阵以及末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵构建正运动学模型；逆运动学模型构建单元，用于依据姿态表示方法，通过多自由度机构末端的旋转矩阵求解得到旋转轴电机的值，并将多自由度机构末端的平移矩阵作为一个非齐次线性方程组，通过克莱姆法则求解得到直线轴电机的值，得到逆运动学模型。
[0008]可选的，所述旋转轴建模单元，具体用于：当多自由度机构为先平移后旋转的机构时，采用三个旋转矩阵构建第一旋转轴的变换矩阵，并基于建模方法确定第二旋转轴的变换矩阵；当多自由度机构为先旋转后平移的机构时，采用三个旋转矩阵构建第二旋转轴的变换矩阵，并基于建模方法确定第一旋转轴的变换矩阵。
[0009]可选的，所述正运动学模型构建单元，具体用于：当多自由度机构为先平移后旋转的机构时，采用所述点坐标系的变换矩阵依次右乘所述第一旋转轴的变换矩阵、所述第二旋转轴的变换矩阵以及末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵，得到正运动学模型；当多自由度机构为先旋转后平移的机构时，采用所述点坐标系的变换矩阵依次左乘所述第二旋转轴的变换矩阵、所述第一旋转轴的变换矩阵，再右乘末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵，得到正运动学模型。
[0010]本申请第三方面提供了一种多自由度机构运动学建模设备，所述设备包括处理器以及存储器；所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行第一方面任一种所述的多自由度机构运动学建模方法。
[0011]本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码被处理器执行时实现第一方面任一种所述的多自由度机构运动学建模方法。
[0012]从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：本申请提供了一种多自由度机构运动学建模方法，包括：将多自由度机构的三个直线轴作为一个整体构建点坐标系，基于齐次线性方程组构建点坐标系的变换矩阵；分别
构建两个旋转轴的变换矩阵；构建多自由度机构的末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵；基于点坐标系的变换矩阵、两个旋转轴的变换矩阵以及末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵构建正运动学模型；依据姿态表示方法，通过多自由度机构末端的旋转矩阵求解得到旋转轴电机的值，并将多自由度机构末端的平移矩阵作为一个非齐次线性方程组，通过克莱姆法则求解得到直线轴电机的值，得到逆运动学模型。
[0013]本申请中，将直线轴作为一个整体建立点坐标系，基于齐次线性方程组构建点坐标系的变换矩阵，在保持模型最小性的情况下简化了运动学模型，并通过克莱姆法则得到逆运动学模型的解析解，同时本申请没有引入冗余参数，直线轴与旋转轴的参数不具备相关性，因此无需将直线轴与旋转轴分离，能够在两者误差参数互不影响的情况下直接用于整体标定，改善了现有技术以引入冗余参数为代价，将直线轴和旋转轴分离进行分步式的运动学标定，存在影响机构末端整体运动的误差标定精度的技术问题。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0015]图1为本申请实施例提供的一种多自由度机构运动学建模方法的一个流程示意图；图2为本申请实施例提供的一种五轴机床的运动副示意图；图3为本申请实施例提供的逆运动学模型求解对比图；图4为本申请实施例提供的正运动学模型辨识误差的二范数和计算时间对比图；图5为本申请实施例提供的一种多自由度机构运动学建模装置的一个结构示意图。
具体实施方式
[0016本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多自由度机构运动学建模方法，其特征在于，包括：将多自由度机构的三个直线轴作为一个整体构建点坐标系，基于齐次线性方程组构建所述点坐标系的变换矩阵；分别构建两个旋转轴的变换矩阵；构建多自由度机构的末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵；基于所述点坐标系的变换矩阵、两个旋转轴的变换矩阵以及末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵构建正运动学模型；依据姿态表示方法，通过多自由度机构末端的旋转矩阵求解得到旋转轴电机的值，并将多自由度机构末端的平移矩阵作为一个非齐次线性方程组，通过克莱姆法则求解得到直线轴电机的值，得到逆运动学模型。2.根据权利要求1所述的多自由度机构运动学建模方法，其特征在于，所述分别构建两个旋转轴的变换矩阵，包括：当多自由度机构为先平移后旋转的机构时，采用三个旋转矩阵构建第一旋转轴的变换矩阵，并基于建模方法确定第二旋转轴的变换矩阵；当多自由度机构为先旋转后平移的机构时，采用三个旋转矩阵构建第二旋转轴的变换矩阵，并基于建模方法确定第一旋转轴的变换矩阵。3.根据权利要求2所述的多自由度机构运动学建模方法，其特征在于，所述基于所述点坐标系的变换矩阵、两个旋转轴的变换矩阵以及末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵构建正运动学模型，包括：当多自由度机构为先平移后旋转的机构时，采用所述点坐标系的变换矩阵依次右乘所述第一旋转轴的变换矩阵、所述第二旋转轴的变换矩阵以及末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵，得到正运动学模型；当多自由度机构为先旋转后平移的机构时，采用所述点坐标系的变换矩阵依次左乘所述第二旋转轴的变换矩阵、所述第一旋转轴的变换矩阵，再右乘末端坐标系到工件坐标系的变换矩阵，得到正运动学模型。4.一种多自由度机构运动学建模装置，其特征在于，包括：直线轴建模单元，用于将多自由度机构的三个直线轴作为一个整体构建点坐标系，基于齐次线性方程组构建所述点坐标系的变换矩阵；旋转轴建模单元，用于分别构建两个旋转轴的变换矩阵；工件坐标系建模单元，用于构建多自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：高健，陈迪赛，罗于恒，张揽宇，郑卓鋆，吴国庆，陈新，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：