CN102692873A - 工业机器人定位精度标定方法 - Google Patents

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CN102692873A CN2012101380780A CN201210138078A CN102692873A CN 102692873 A CN102692873 A CN 102692873A CN 2012101380780 A CN2012101380780 A CN 2012101380780A CN 201210138078 A CN201210138078 A CN 201210138078A CN 102692873 A CN102692873 A CN 102692873A
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蔡锦达
秦绪祥
刘耀
孙福佳
杨丽红
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Abstract

本发明涉及一种工业机器人定位精度的标定方法，用于提高机器人的绝对定位精度。通过建立机器人的运动学模型；用圆周法建立旋转关节方程，计算关节扭转角参数值；运用激光跟踪仪对机器人末端实际位姿的精确测量；对D-H算法求逆运动学方程进行改进，求得几何结构参数，实现对关节距离参数值、关节偏移量的标定，从而完成第一次标定。将第一次标定后的结果对D-H参数进行误差修正，如定位精度未达到要求，可将参数修正值代替理论参数值代入运动学方程进行二次标定。实验证明，该标定方法提高了机器人的绝对定位精度。本发明中的标定方法具有简单，实用，引入外界误差小的优点。

Description

工业机器人定位精度标定方法
技术领域
本发明涉及一种机器人标定方法，特别涉及一种提高工业机器人定位精度的标定方法。
背景技术
工业机器人的运动精度对于它在生产中的应用可靠性起着至关重要的作用。而机器人各关节的几何参数误差是造成机器人定位误差的最主要原因，这主要是由于制造和安装过程中产生的关节实际几何参数与理论参数值之间的偏差造成的。通过标定可以将机器人的位姿误差大幅度降低，进而提高机器人的绝对精度。
标定的结果是一组被识别的机器人参数，这些参数可以作为提供给机器人生产厂家的产品质量检验指标，也可以用来给机器人用户提高机器人的绝对精度。而目前还没有一种精确的工业机器人的运动精度标定方法。
发明内容
本发明是要提供一种工业机器人定位精度的标定方法，用于提高工业机器人定位精度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种工业机器人定位精度的标定方法，其特征在于：具体步骤是： 
（1）建立机器人的运动学模型
用D-H连接变换齐次坐标模型来建立机器人的运动学模型，把每个变换定义为                                               ，在机器人的基座和手之间的总变换为：
Figure 2012101380780100002DEST_PATH_IMAGE004
                
（2）关节扭转角参数值的标定
采用圆周法计算出机器人各关节旋转轴线的方程，设求出的相邻关节电动机的轴线方程为
Figure 2012101380780100002DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 2012101380780100002DEST_PATH_IMAGE008
，根据空间两条直线的位置关系方程求得、之间的夹角；设
Figure 429970DEST_PATH_IMAGE006
的方向矢量为
Figure 2012101380780100002DEST_PATH_IMAGE012
，的方向矢量为
Figure 2012101380780100002DEST_PATH_IMAGE014
，按下式计算两直线的夹角：
Figure 2012101380780100002DEST_PATH_IMAGE016
                           
从而确定机器人运动学模型中的关节扭转角修正参数值
Figure 609727DEST_PATH_IMAGE010
；
（3）机器人末端实际位姿的测量
在关节活动范围内，任意指定n组不同的关节转角值，操作机器人，每组关节转角值转到位时，用激光跟踪仪测量出对应的机器人的末端执行器的位姿
Figure 2012101380780100002DEST_PATH_IMAGE018
；
（4）关节距离参数值、关节偏移量的标定
通过逆运动学的变形式，利用逆变换矩阵左乘运动学方程两边，利用对应元素相等，由等式左右两边的元素，依次得出含有待修正参数的方程，通过多次运用三角代换和矩阵乘法、加法运算，求得多个含有待修正参数的方程，组成方程组，方程个数要足以解出待修正参数；
（5）将步骤（3）中指定的关节转角值及其对应的由激光跟踪仪测量得到的机器人末端执行器的实际位姿坐标值代入到（4）中所求得的方程组，解此方程租，得到关节距离参数值，关节偏移量的标定修正值。
如上述定位精度未达到要求，可将参数修正值代替理论参数值代入（1）中的运动学模型中，重复进行（1）~（5）的步骤，使标定定位精度更高。
工业机器人定位精度标定方法的运动学转换是在笛卡尔坐标空间中进行的。
用于计算机器人各关节旋转轴线方程的圆周法具体方法：保持各关节电动机不动，由跟踪仪测出机器人末端上的特征点的空间位置
Figure 2012101380780100002DEST_PATH_IMAGE020
；接着，旋转要测的关节轴，分别施加正向力和逆向力，旋转后特征点
Figure 195429DEST_PATH_IMAGE020
对应的空间位置坐标分别记为
Figure 2012101380780100002DEST_PATH_IMAGE022
;关节轴旋转方向垂直于
Figure 2012101380780100002DEST_PATH_IMAGE024
三点所决定的空间圆平面
Figure 2012101380780100002DEST_PATH_IMAGE026
，为圆心；则该关节轴的轴线方程为
Figure 2012101380780100002DEST_PATH_IMAGE030
。
本发明的有益效果是：本发明提供的机器人标定方法实用性很强，简单、高效、快捷，并应用激光跟踪仪对机器人进行位姿测量，测量精度高。成功地辨识了机器人的几何结构参数，提高了机器人的绝对定位精度。本发明适用于任何关节型机器人，通用性强。并且能够提高机器人的综合性能。易于在线补偿且成本低，并且有利于实现机器人的离线编程。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1是六轴工业机器人的D-H模型坐标系图；
图2是工业机器人的标定流程图；
图3是确定关节轴线方程的圆周法示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
参见附图1~2，本发明的工业机器人定位精度标定方法，包括以下几个步骤：
（1）建立机器人的运动学模型
机器人运动学分析通常用Denavit-Hartenberg（D-H）连接变换齐次坐标模型来表示。
在图1中，首先要为每个关节指定一个本地的参考坐标系，然后对相邻的两个关节进行变换。变换中，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
角表示绕z轴的旋转角（也叫关节转角），d表示在z轴上两条相邻的公垂线之间的距离（也叫关节距离），a表示每一条公垂线的长度（也叫关节偏移量），角
Figure 334196DEST_PATH_IMAGE010
表示两个相邻的z轴之间的角度（也叫关节扭转角）。
通过右乘表示四个运动的四个矩阵就可以得到相邻关节之间的齐次坐标变换矩阵
Figure 638139DEST_PATH_IMAGE002
。
Figure DEST_PATH_IMAGE034
建立模型的几何参数值由理论参数值确定，在机器人的基座上，可以从第一个关节开始变换到第二个关节，然后到第三个……，最终到末端执行器。对于一个具有六个自由度的机器人而言，有6个矩阵。在六轴机器人的基座和手之间的总变换为：
                         
（1）关节扭转角参数值的标定
利用圆周法确定机器人每个关节轴线方程。如图3所示，保持各关节电动机不动，由跟踪仪测出机器人末端上的特征点的空间位置
Figure 369783DEST_PATH_IMAGE020
；接着，旋转要测的关节轴，分别施加正向力和逆向力，旋转后特征点对应的空间位置坐标分别记为
Figure 309237DEST_PATH_IMAGE022
;关节轴旋转方向垂直于
Figure 388051DEST_PATH_IMAGE024
三点所决定的空间圆平面
Figure 948346DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 719993DEST_PATH_IMAGE028
为圆心；则该关节轴的轴线方程为
Figure 483680DEST_PATH_IMAGE030
。
假设相邻关节的轴线方程为
Figure 366186DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 780986DEST_PATH_IMAGE008
，根据空间两条直线的位置关系方程求得它们之间的夹角
Figure 723535DEST_PATH_IMAGE010
。假设的方向矢量为
Figure 392206DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 864776DEST_PATH_IMAGE008
的方向矢量为
Figure 40542DEST_PATH_IMAGE014
，可以按照下式计算两直线的夹角：
Figure 965773DEST_PATH_IMAGE016
                           
从而确定机器人运动学模型中的关节扭转角修正参数值。
（3）机器人末端实际位姿的测量
测量之前首先要确定机器人的基坐标系，本实施例中假设所用机器人的基坐标系位于机器人的安装基座的中心上，垂直向上为z轴，正前方为x轴。在关节活动范围内，任意指定n组不同的关节转角值，每组的关节转角值尽可能均匀的分布在关节活动范围内。操作机器人，每组关节转角值δ转到位时，用激光跟踪仪测量出机器人的末端执行器的位姿。
（4）关节距离参数值、关节偏移量的标定
为了求解几何参数，从
Figure DEST_PATH_IMAGE038
开始，依次用左乘上述两个矩阵，得到逆运动学方程。通过逆运动学的变形式，利用逆变换矩阵左乘运动学方程两边，利用对应元素相等，由等式左右两边的元素，依次得出含有待修正参数的方程。通过多次运用三角代换和矩阵乘法、加法运算，求得多个含有待修正参数的方程，组成方程组。即可解得，关节距离参数值
Figure DEST_PATH_IMAGE042
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE046
和关节偏移量
Figure DEST_PATH_IMAGE048
的修正值。
（5）将步骤（3）中指定的关节转角值及其对应的由激光跟踪仪测量得到的机器人末端执行器的实际位姿坐标代入到（4）中所求得的方程组。解此方程租，得到关节距离参数值，关节偏移量的标定修正值。
（6）如定位精度未达到要求，可将参数修正值代替理论参数值代入（1）中的运动学模型中，重复进行（1）~（5）的步骤，使标定定位精度更高。

Claims (4)

1.一种工业机器人定位精度的标定方法，其特征在于：具体步骤是： 
（1）建立机器人的运动学模型
用D-H连接变换齐次坐标模型来建立机器人的运动学模型，把每个变换定义为 ，在机器人的基座和手之间的总变换为：
Figure 2012101380780100001DEST_PATH_IMAGE004
                
（2）关节扭转角参数值的标定
采用圆周法计算出机器人各关节旋转轴线的方程，设求出的相邻关节电动机的轴线方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，根据空间两条直线的位置关系方程求得
Figure 498699DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 415840DEST_PATH_IMAGE008
之间的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；设
Figure 8626DEST_PATH_IMAGE006
的方向矢量为
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，的方向矢量为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，按下式计算两直线的夹角：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
                           
从而确定机器人运动学模型中的关节扭转角修正参数值
Figure 155891DEST_PATH_IMAGE010
；
（3）机器人末端实际位姿的测量
在关节活动范围内，任意指定n组不同的关节转角值，操作机器人，每组关节转角值转到位时，用激光跟踪仪测量出对应的机器人的末端执行器的位姿
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
（4）关节距离参数值、关节偏移量的标定
通过逆运动学的变形式，利用逆变换矩阵左乘运动学方程两边，利用对应元素相等，由等式左右两边的元素，依次得出含有待修正参数的方程，通过多次运用三角代换和矩阵乘法、加法运算，求得多个含有待修正参数的方程，组成方程组，方程个数要足以解出待修正参数；
（5）将步骤（3）中指定的关节转角值及其对应的由激光跟踪仪测量得到的机器人末端执行器的实际位姿坐标值代入到（4）中所求得的方程组，解此方程租，得到关节距离参数值，关节偏移量的标定修正值。
2.根据权利要求1所述的工业机器人定位精度的标定方法，其特征在于：如上述定位精度未达到要求，将参数修正值代替理论参数值代入（1）中的运动学模型中，重复进行（1）~（5）的步骤，使标定定位精度更高。
3.根据权利要求1所述的工业机器人定位精度的标定方法，其特征在于：工业机器人定位精度标定方法的运动学转换是在笛卡尔坐标空间中进行的。
4.根据权利要求1所述的工业机器人定位精度的标定方法，其特征在于：用于计算机器人各关节旋转轴线方程的圆周法：保持各关节电动机不动，由跟踪仪测出机器人末端上的特征点的空间位置
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；接着，旋转要测的关节轴，分别施加正向力和逆向力，旋转后特征点
Figure 791403DEST_PATH_IMAGE020
对应的空间位置坐标分别记为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
;关节轴旋转方向垂直于
Figure DEST_PATH_IMAGE024
三点所决定的空间圆平面
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为圆心；则该关节轴的轴线方程为
Figure DEST_PATH_IMAGE030
。
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