基于截断总体最小二乘正则化的机器人运动学标定方法技术

本发明专利技术涉及基于截断总体最小二乘正则化的机器人运动学标定方法，并联机器人设置有数据采集系统，包括移动平台、基座、支链和直线电机。其中的方法包括：获取并联机器人的运动学参数，输入到逆运动学参数误差模型，获得坐标系之间的转换误差，以及运动学参数误差之间的映射关系，获取数据采集系统的测量数据，以及坐标系之间的转换关系，使测量数据统一在基座坐标系下，通过截断总体最小二乘正则化方法辨识参数误差，进行截断因子的最优选择，获得最佳正则化参数，根据辨识出的参数误差进行补偿，以更新控制器运动学参数。本发明专利技术设计一套完整的面向大多数并联机器人的低成本、成熟标定方案，可提高并联机器人的运动学标定精度。可提高并联机器人的运动学标定精度。可提高并联机器人的运动学标定精度。

【技术实现步骤摘要】
基于截断总体最小二乘正则化的机器人运动学标定方法


[0001]本专利技术涉及基于截断总体最小二乘正则化的机器人运动学标定方法，属于机器人标定


技术介绍

[0002]近年来，随着并联机器人在汽车和物流等行业的快速发展，其主要应用于快速分拣和搬运(Delta类并联机器人)、运动模拟平台(Stewart并联机器人)、机械加工(Tricept混合机构)等应用任务。在新型的3C(Computer,Communication and Consumer Electronics)行业中，课题组已研发了用于精密3C产品装配动作的并联协作机器人。上述任务对并联机器人运动的高精度提出了迫切的要求，运动学标定是提高并联机器人绝对定位精度的一种经济有效的方法。
[0003]运动学标定过程通常包括误差参数建模和辨识过程。传统正运动学误差建模方法描述的是几何参数误差与末端执行器位姿偏差之间的映射关系，主要用于串联机器人的标定中。然而，正运动学误差模型涉及的完整测量偏差数据集通常包括两种不同的单位——长度单位和角度单位，分别用于表示位置和姿态的偏差。单位的不一致可能会影响辨识的准确性。对于并联机器人，求解逆运动学比求解正运动学更容易，而执行关节的单位通常是统一且无量纲的。因此，一些研究人员提出了逆向运动学误差模型，描述了运动学参数误差与执行关节误差之间的映射关系。
[0004]相较于串联机器人，并联机器人具有更加复杂的几何结构和几何误差强耦合性，因此并联机器人的误差映射模型存在病态的可能性。病态误差映射矩阵的多重共线性特征，导致了几何误差参数的辨识稳定性和唯一性对于来自不可控测量噪声或未知微小扰动的非常敏感。为解决上述病态问题，诸多研究者采用了标定位形的优选方法，通常配置候选的测量位形池，基于迭代法的最大或最小化可观性指数来从池中确定一定数量的标定位形。位形优选法的耗时随候选池中位形数量的增多成指数增长，更糟糕的是，对于某些构型的并联机器人，最优的位形选择仍旧不足以满足良好的辨识条件。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供基于截断总体最小二乘正则化的机器人运动学标定方法，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
[0006]本专利技术的技术方案基于一种并联机器人，所述并联机器人设置有数据采集系统；所述并联机器人包括移动平台、基座、支链和直线电机，所述移动平台通过被动支链与所述基座连接，所述支链包括上球关节、下球关节和直线关节，所述支链通过所述上球关节与所述移动平台连接，所述支链通过下球关节与所述直线关节连接，所述直线关节与所述直线电机连接；所述数据采集系统包括上辅佐夹具、下辅佐夹具和用于安装反射靶球的多个靶座，部分所述靶座通过所述上辅佐夹具安装于所述移动平台上，部分所述靶座通过所述下辅佐夹具安装于所述直线电机上。
[0007]本专利技术的技术方案另一方面涉及一种并联机器人的运动学标定方法，应用于并联机器人，在本方面，根据本专利技术的方法包括以下步骤：
[0008]S100、获取所述并联机器人的运动学参数，输入到逆运动学参数误差模型，以获得基座坐标系和动平台坐标系之间的转换误差，以及运动学参数误差之间的映射关系；
[0009]S200、获取所述数据采集系统的测量数据，以及激光跟踪仪坐标系与所述基座坐标系之间和工具中心坐标系与所述动平台坐标系之间的转换关系，以使所述测量数据经过坐标系转换后统一在所述并联机器人的所述基座坐标系下表示；
[0010]S300、通过截断总体最小二乘正则化方法辨识参数误差，进行截断因子的最优选择，以获得最佳正则化参数；
[0011]S400、根据辨识出的参数误差对名义参数进行补偿，以更新所述并联机器人的控制器运动学参数。
[0012]进一步，所述步骤S100中，所述逆运动学参数误差模型表示如下：
[0013][0014]式中，q表示所述并联机器人的关节输入，Φ表示所述并联机器人的末端位姿输出，p和R分别是所述并联机器人的末端的位置与姿态，其中上标m代表数据由测量得到，下标j表示位置与姿态的序列号；π表示运动学参数，隐式运动学方程组为表示参数误差向量，表示上球关节中心的位置向量误差，表示支链支杆的杆长的加工误差，表示轴运动的单位方向误差；δh＝h
‑
h
n
表示被动支链中心轴线的误差向量；上标n代表该运动学参数的理论设计值，下标i表示支链的序列号(i＝1,2,3)，下标j表示位置与姿态的序列号。
[0015]进一步，其特征在于，所述步骤S200中，所述基座坐标系、所述动平台坐标系、所述激光跟踪仪坐标系和所述工具中心坐标系的齐次变换关系表示如下：
[0016][0017]式中，
[0018]转换关系为所述动平台坐标系在所述基座坐标系下的齐次表示；
[0019]转换关系为所述工具中心坐标系在所述动平台坐标系下的齐次表示；
[0020]转换关系为所述工具中心坐标系在所述激光跟踪仪坐标系下的齐次表示；
[0021]转换关系为所述基座坐标系在所述激光跟踪仪坐标系下的齐次表示。
[0022]进一步，所述步骤S200中，所述转换关系的确定包括以下步骤：
[0023]S211、通过随机运动拟合所述并联机器人的工具中心点的虚拟球面，以计算获得的位置向量；
[0024]S212、在所述基座上采集若干个测量点拟合出所述基座的平面以及的z方向向
量；
[0025]S213、驱动所述直线电机进行单轴的直线关节运动，通过设置在所述下辅佐夹具上的所述反射靶球获取的x方向向量；
[0026]S214、通过右手定确定的y方向向量。
[0027]进一步，所述步骤S200中，所述转换关系的确定包括以下步骤：
[0028]S221、将三个关节轴运动至所述直线电机的理论零位
[0029]S222、通过设置在所述上辅佐夹具上的三个所述反射靶球来确定所述工具中心坐标系的原点；
[0030]S223、通过设置在所述上辅佐夹具上的三个所述反射靶球中心点拟合的平面确定的z方向向量；
[0031]S224、根据设置在所述上辅佐夹具上的某个所述反射靶球中心点中得到的原点确定的x方向向量；
[0032]S225、通过右手定则确定的y方向向量。
[0033]进一步，所述步骤S300中，所述截断总体最小二乘正则化方法包括以下步骤：
[0034]S310、对增广矩阵[A
π
|δD]奇异值分解展开：
[0035][0036]式中，其中和为正交矩阵且分别为所述增广矩阵的左特征矩阵和右特征矩阵，标量h和f分别是矩阵A
π
的行数和列数，是增广矩阵的第k个奇异值；
[0037]其中，δD＝A
π
·
δπ，式中δD与A
π
是已知的且与末端位姿数据、关节编码器数据以及名义运动学参数的相关的显性向量矩阵，δπ是需要估计的参数误差。
[0038]S320、选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种并联机器人(100)的运动学标定方法，其特征在于，所述并联机器人(100)设置有数据采集系统(200)；所述并联机器人(100)包括移动平台(110)、基座(120)、支链(130)和直线电机(140)，所述移动平台(110)通过被动支链(150)与所述基座(120)连接，所述支链(130)包括上球关节(131)、下球关节(132)和直线关节(133)，所述支链(130)通过所述上球关节(131)与所述移动平台(110)连接，所述支链(130)通过下球关节(132)与所述直线关节(133)连接，所述直线关节(133)与所述直线电机(140)连接；所述数据采集系统(200)包括上辅佐夹具(210)、下辅佐夹具(220)和用于安装反射靶球(230)的多个靶座(240)，部分所述靶座(240)通过所述上辅佐夹具(210)安装于所述移动平台(110)上，部分所述靶座(240)通过所述下辅佐夹具(220)安装于所述直线电机(140)上；其中，所述方法包括以下步骤：S100、获取所述并联机器人(100)的运动学参数，输入到逆运动学参数误差模型，以获得基座坐标系和动平台坐标系之间的转换误差，以及运动学参数误差之间的映射关系；S200、获取所述数据采集系统(200)的测量数据，以及激光跟踪仪坐标系与所述基座坐标系之间和工具中心坐标系与所述动平台坐标系之间的转换关系，以使所述测量数据经过坐标系转换后统一在所述并联机器人(100)的所述基座坐标系下表示；S300、通过截断总体最小二乘正则化方法辨识参数误差，进行截断因子的最优选择，以获得最佳正则化参数；S400、根据辨识出的参数误差对名义参数进行补偿，以更新所述并联机器人(100)的控制器运动学参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S100中，所述逆运动学参数误差模型表示如下：式中，q表示所述并联机器人(100)的关节输入，Φ表示所述并联机器人(100)的末端位姿输出，p和R分别是所述并联机器人(100)的末端的位置与姿态，其中上标m代表数据由测量得到，下标j表示位置与姿态的序列号；π表示运动学参数，隐式运动学方程组为F(Φ,q,π)＝0；表示参数误差向量，表示上球关节(131)中心的位置向量误差，表示支链(130)支杆(134)的杆长的加工误差，表示轴运动的单位方向误差；δh＝h
‑
h
n
表示被动支链(150)中心轴线的误差向量；上标n代表该运动学参数的理论设计值，下标i表示支链的序列号(i＝1,2,3)。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S200中，所述基座坐标系、所述动平台坐标系、所述激光跟踪仪坐标系和所述工具中心坐标系的齐次变换关系表示如下：式中，转换关系为所述动平台坐标系在所述基座坐标系下的齐次表示；
转换关系为所述工具中心坐标系在所述动平台坐标系下的齐次表示；转换关系为所述工具中心坐标系在所述激光跟踪仪坐标系下的齐次表示；转换关系为所述基座...

【专利技术属性】
技术研发人员：楼云江，简晟，熊昊，杨先声，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：