【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工艺装备数字孪生建模，尤其涉及一种面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法及系统。
技术介绍
1、数字孪生技术（dt）能够对装备、产线乃至全工厂进行实时、有效的监测，而数字孪生能否准确的映射物理空间状态，取决于数字孪生建模的准确度。同时，一方面数字孪生建模的精度会直接反应孪生映射的同步精度，对实际生产加工装配造成严重影响；另一方面，现有机器人数字孪生建模大多依赖理论参数来构建模型，在传感器数据驱动下，往往导致数字孪生模型的运动轨迹与物理空间的实际轨迹不一致，将影响到后续的预测与控制效果。因此，如何建立高精度、高保真的数字孪生模型面临着巨大挑战。
2、通常情况下，数字孪生模型采用理论参数来描述机器人内部结构的关联，但由于制造、装配、零部件磨损、重力及负载、温度等因素都会导致机器人本体与理论模型之间存在偏差，机器人结构参数误差是导致数字孪生建模过程中物理空间末端实际位姿与孪生模型期望位姿之间的主要误差来源。与此同时，驱动孪生模型的关节角度可以通过伺服电机自带的编码器进行传动比换算进而间接获得，但由于伺服电机、减速器内部传动的齿轮存在间隙，使得编码器间接得到的关节转角值与实际关节转角值之间存在角度偏差，从而严重影响机器人数字孪生建模精度。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法及系统。该方法在产品和过程化的建模基础上提高建模精度，旨在通过提高建模的精度从而更加充分映射物理世界的运动
2、第一方面，提出一种面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法，步骤如下：
3、s1、将工业机器人模型按照基本运动形式确定出各部件之间的从属关系，将各部件之间的从属关系作为建模参数，构建得到当前工业机器人所属的数字孪生理论模型；
4、s2、构建工业机器人数字孪生测量系统，通过光栅尺实时测量当前工业机器人的关节转角数据，并将所述关节转角数据映射到数字孪生可视化环境中，以驱动所述数字孪生理论模型在数字孪生可视化环境中运动；
5、s3、在工业机器人的工作空间中规划多个采样点，工业机器人末端依次运动到各采样点；通过激光跟踪仪测量各个采样点的工业机器人末端位置，记为实际位置p；
6、读取所述实际位置p下各关节的光栅尺数据，将所述光栅尺数据代入所述数字孪生理论模型中，求得数字孪生可视化环境中工业机器人末端到达的位置，记为孪生位置；
7、所述实际位置p与所述孪生位置之间的误差为数字孪生理论模型的建模位置误差；
8、多个所述采样点的建模位置误差形成的包络球体的直径为建模位置精度；
9、s4、通过雅可比矩阵构建所述建模参数与所述建模位置误差之间的关系，使用l-m最小二乘法对所述建模参数进行辨识，不断迭代建模参数；当建模位置误差最小时获得最优建模参数；将所述最优建模参数代入所述数字孪生理论模型，实现对所述数字孪生理论模型的建模位置精度的补偿；
10、s5、在工作空间再取预定数量的点位作为建模位置精度补偿的验证点，通过激光跟踪仪测量所述验证点的实际位置，分别以补偿前后的建模参数计算孪生位置，根据建模位置精度定义，验证建模位置精度补偿效果。
11、在第一方面进一步的实施例中，步骤s3中所述建模位置误差ap的表达式如下：
12、；
13、式中，为工业机器人末端运动到采样点后的空间笛卡尔坐标，为数字孪生可视化环境中工业机器人末端到达的位置的空间笛卡尔坐标。
14、在第一方面进一步的实施例中，步骤s3还包括：
15、在笛卡尔空间中各个方向的建模位置误差定义为、、：
16、；
17、；
18、；
19、在物理空间中取m个测点，分别计算出各单一测点的建模位置误差，并求出m个测点的建模位置误差平均值：
20、。
21、在第一方面进一步的实施例中，步骤s4中所述建模位置精度的定义如下：
22、所述数字孪生理论模型与工业机器人在末端位置上两者之间的建模位置误差平均值基础上增加3倍的标准偏差量，得到一个以建模位置误差平均值为球心的以3倍的标准偏差为球半径的包络所有测点位置的包络球体，即数字孪生模型的建模位置精度：
23、；
24、此时标准偏差值为：
25、；
26、式中，表示单一测点的建模位置误差；m表示测点数。
27、在第一方面进一步的实施例中，步骤s4进一步包括：
28、s4-1、对工业机器人的各关键运动部件三维模型进行运动约束，针对工业机器人转动关节数量的不同，推导相对应的末端位姿在基坐标系下的齐次变换矩阵，并定义为：
29、；
30、式中，定义为数字孪生驱动模型，用于后续建模参数标定；为关节转角向量；为建模参数组成的向量，为转动关节数；表示从基坐标系到第n个关节的齐次变换矩阵；表示从n-1个关节到n个关节的齐次变换矩阵；
31、s4-2、工业机器人各连杆坐标系相对于上一连杆坐标系的微分变换矩阵由微分矢量和表示：
32、；
33、式中，、、、、、和均为雅克比矩阵，由已知的机器人理论几何参数构建；、、、、分别表示机器人建模参数、、、、的误差；
34、s4-3、将预定数量点位作为参数辨识采样点，建模参数误差与建模误差之间的关系为：
35、；
36、式中，为预定数量采样点的建模位置误差列向量；为雅克比矩阵；表示预定数量采样点所有建模参数误差组成的列向量；
37、s4-4、通过激光跟踪仪测量机器人到达采样点的实际位置；通过辅助传感器采集该采样点对应的关节转角向量；
38、s4-5、在数字孪生模型中，代入建模参数向量，初始时建模参数向量为机器人理论几何参数，数字孪生可视化环境中，通过s4-1公式计算工业机器人末端到达的位置，记为孪生位置，并计算当前辨识的雅克比矩阵；
39、s4-6、所有采样点的实际位置组成的向量定为，所有采样点的孪生位置组成的向量定为；求解孪生位置向量与实际位置向量之间存在误差；并求解出建模参数误差修正量，即：
40、；
41、式中，表示当前辨识的雅克比矩阵；表示当前辨识的雅克比矩阵的转置矩阵；i表示单位矩阵；表示第k次迭代时的阻尼系数；
42、s4-7、将l-m算法更新第k+1次迭代时的建模参数向量：
43、；
44、s4-8、更新第k+1次迭代时的阻尼系数，当时，更新第次建模参数向量；其中为常数；
45、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法，其特征在于，步骤S3中所述建模位置误差AP的表达式如下：
3.根据权利要求2所述的面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法，其特征在于，步骤S3还包括：
4.根据权利要求2所述的面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法，其特征在于，步骤S4中所述建模位置精度的定义如下：
5.根据权利要求4所述的面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：
6.根据权利要求4所述的面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法，其特征在于，步骤S5进一步包括：
7.一种数字建模位置精度补偿系统，其特征在于，包括：
8.一种电子设备，其特征在于，所述设备包括：处理器以及存储有计算机程序指令的存储器；
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一个可执行指令，所述可执行指令在电子设备上运行时，使得电子设备执行如权利要求1
...【技术特征摘要】
1.一种面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法，其特征在于，步骤s3中所述建模位置误差ap的表达式如下：
3.根据权利要求2所述的面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法，其特征在于，步骤s3还包括：
4.根据权利要求2所述的面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法，其特征在于，步骤s4中所述建模位置精度的定义如下：
5.根据权利要求4所述的面向工业机器人的数字建模位置精度补偿方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡俊山，康瑞浩，田威，张嘉伟，王翰诚，李明宇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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