CN104385281B - 一种两自由度高速并联机器人的零点标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两自由度高速并联机器人的零点标定方法，采用如下步骤：一)在固定平台和末端平台之间安装一把带刻度的伸缩尺；二)在机器人的工作平面内建立一个直角坐标系；三)记录任意一工作空间位置处伸缩尺的读数H₁，首次平移后伸缩尺的读数H₂，再次平移后伸缩尺的读数H₃，四)通过计算获得再次平移后机器人主动臂与水平方向的夹角，然后使主动臂驱动电机转动相应角度，带动机器人主动臂旋转至其工作空间范围内的水平位置。本发明不需要复杂的算法及标定工具，整个标定过程简易方便；本发明克服了人工标定的不确定因素，可达到较高的标定精度，精度能达到0.1°。

Description

一种两自由度高速并联机器人的零点标定方法

技术领域

本发明涉及工业机器人的标定技术领域，特别是一种两自由度高速并联机器人的零点标定方法。

背景技术

零点是机器人坐标系的基准，无法确定零点的机器人就没有办法判断自身位置，更不用说精确控制其运动到指定位置。通常工业机器人在出厂之前均会对机器人的机械参数进行标定，给出工业机器人各连杆的参数与零点位置。但在一些特殊情况下，如突然断电、与环境发生碰撞、超越机械极限位置、手动移动机器人关节等均会造成零点的丢失，如何简易、快速并精确地找到机器人零点位置是精确控制机器人运动的前提和保证。然而，目前就两自由度高速并联机器人的零点标定方法还停留在人工使用水平尺找平的原始方法，尚未有比较简易精确的方法使失去零点的机器人找回零点。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种两自由度高速并联机器人的零点标定方法，采用该方法能够在两自由度高速并联机器人零点丢失的情况下简易、快速、精确地找回零点，以提高该类高速并联机器人在运动过程中的精度。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种两自由度高速并联机器人的零点标定方法，采用如下步骤：

一)在固定平台和末端平台之间安装一把带刻度的伸缩尺，固定平台和末端平台分别通过一十字轴万向联轴器与伸缩尺的端部连接；

二)在两自由度高速并联机器人的工作平面内建立一个直角坐标系，并将直角坐标系的原点设定在固定平台上；

三)将机器人末端平台移动到工作空间范围内的任意一个位置，并记录下当前位置伸缩尺的读数H₁，然后控制机器人末端平台首次移动一个水平向量m＝(m,0)，并记录下首次平移后伸缩尺的读数H₂，接着控制机器人末端平台再继续移动一个水平向量n＝(n,0)，并记录下再次平移后伸缩尺的读数H₃，三次移动必须保证均在机器人工作空间范围内完成；

四)通过计算获得机器人末端平台再次平移后所处位置处的坐标；然后根据相应的向量公式计算即可得到再次平移后所处位置处机器人主动臂与水平方向的夹角，然后使主动臂驱动电机转动相应角度，带动机器人主动臂旋转至其工作空间范围内的水平位置，完成两自由度高速并联机器人的零点标定工作。

所述步骤二)建立的直角坐标系O-xy，以两主动臂旋转中心连线的中点为坐标系的原点O，以两主动臂旋转中心连线为x轴，x轴以原点O向右为正方向，运动空间中过坐标原点O，并以原点O向上为正方向的数轴为y轴；

所述步骤一)，使伸缩尺与固定平台固联的位置位于y轴的负半轴；

所述步骤四)，通过计算得出机器人末端平台再次平移后所处位置处的坐标P′(x+m+n,y)，

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x+m)}^2+{(y+a)}^2}-\sqrt{x^2{(y+a)}^2}=H_2-H_1\\ \sqrt{{(x+m+n)}^2+{(y+a)}^2}-\sqrt{x^2{(y+a)}^2}=H_3-H_{}1\end{array}\right.$

其中，a为伸缩尺与固定平台固联位置距坐标原点的距离；

通过计算得出机器人末端平台再次平移后所处位置处机器人主动臂与水平方向的夹角为：

${\mathrm{\θ}}_{1j}=2\arctan \frac{{-A}_j+\mathrm{sgn}\left(j\right)\sqrt{A_j^2-(C_j-B_j)(C_j+B_j)}}{C_j-B_j}$

其中：

A_j＝-2l₁y

B_j＝-2l₁(x+m+n-sgn(j)e)

C_j＝(x+m+n)²+e²-2sgn(j)e(x+m+n)+y²+l₁ ²-l₂ ²

$\mathrm{sgn}\left(j\right)=\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{cc}1& j=1\\ -1& j=2\end{array}\right.,\end{array}$

l₁、l₂分别为主动臂和从动臂的长度，e表示主动臂旋转中心距原点O的距离。

所述伸缩尺的测量精度不大于0.02mm。

本发明具有的优点和积极效果是：1)不需要复杂的算法及标定工具，整个标定过程简易方便；2)该标定方法克服了人工标定的不确定因素，可达到较高的标定精度，精度能达到0.1°；3)该方法可以拓展至三、四自由度高速并联机器人的零点标定。

附图说明

图1为本发明应用的结构示意图；

图2为本发明步骤三)建立的直角坐标系示意图。

图中：1、固定平台；2、主动臂；3、从动臂；4、伸缩尺；5、末端平台。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，两自由度高速并联机器人包括固定平台1、末端平台5及两条结构相同运动支链构成，而每条运动支链均包括主动臂2和从动臂3两部分。为了实现本发明的标定方法，需要在固定平台1和末端平台5之间安装一把带刻度的伸缩尺4，伸缩尺4的一端通过一个十字轴万向联轴器固联在固定平台1上，另一端通过一个十字轴万向联轴器固联在末端平台5上。在本实施例中，伸缩尺的测量精度为0.02mm。为了保证标定精度，伸缩尺的测量精度最好不要大于0.02mm。

请参阅图2，在两自由度高速并联机器人工作的平面内建立直角坐标系O-xy，其中两主动臂旋转中心连线的中点为坐标原点O，两主动臂旋转中心连线为x轴，x轴以原点O向右为正方向，运动空间中过坐标原点O，并以原点O向上为正方向的数轴为y轴，带刻度的伸缩尺与固定平台固联的位置位于y轴的负半轴，与原点的距离为a。

将机器人末端平台移动到工作空间范围内的任意一个位置P(x,y)，并记录下当前位置伸缩尺的读数H₁，然后控制机器人末端平台移动一个水平向量m＝(m,0)，并记录下首次平移后伸缩尺的读数H₂，接着控制机器人末端平台再继续移动一个水平向量n＝(n,0)，并记录下再次平移后伸缩尺的读数H₃。必须注意的是，这三次移动均必须保证在机器人工作空间范围内完成。

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x+m)}^2+{(y+a)}^2}-\sqrt{x^2{(y+a)}^2}=H_2-H_1\\ \sqrt{{(x+m+n)}^2+{(y+a)}^2}-\sqrt{x^2{(y+a)}^2}=H_3-H_{}1\end{array}\right.---\left(1\right)$

由(1)可以解得机器人初始的空间位置P(x,y)，进而求得机器人末端平台再次平移后所处位置点的坐标P′(x+m+n,y)。

请参见图2，在该坐标系下末端平台再次平移后所处位置点P′的位置矢量r′＝(x+m+n,y)^T可表示为：

$\begin{array}{cc}{r}^{\′}=\mathrm{sgn}\left(i\right)e\hat{x}+l_1{u}_j+l_2{w}_j& j=\mathrm{1,2}\end{array}---\left(2\right)$

其中，表示沿x轴的单位矢量，l₁、l₂分别为主动臂和从动臂的长度，u_j、w_j分别为支链j主动臂和从动臂方向的单位矢量。

$\mathrm{sgn}\left(j\right)=\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{cc}1& j=1\\ -1& j=2\end{array}\right.,\end{array}{u}_j={[{\cos \mathrm{\θ}}_{1j},{\sin \mathrm{\θ}}_{1j}]}^T,w_j={[{\cos \mathrm{\θ}}_{2j},{\sin \mathrm{\θ}}_{2j}]}^T$

其中：θ_1j表示支链j主动臂单位矢量与x轴正方向之间的夹角，θ_2j表示支链j从动臂单位矢量与x轴正方向之间的夹角。

对式(3)等号两边取矢量的模进行计算，可得：

A_jsinθ_1j+B_jcosθ_1j+C_j＝0(3)

其中：

A_j＝-2l₁y

B_j＝-2l₁(x+m+n-sgn(j)e)

C_j＝(x+m+n)²+e²-2sgn(j)e(x+m+n)+y²+l₁ ²-l₂ ²

则(3)式可以解得：

${\mathrm{\θ}}_{1j}=2\arctan \frac{{-A}_j+\mathrm{sgn}\left(j\right)\sqrt{A_j^2-(C_j-B_j)(C_j+B_j)}}{C_j-B_j}---\left(4\right)$

其中：e表示主动臂旋转中心距原点O的距离。

由式(4)计算获得机器人末端平台再次平移后主动臂单位矢量与x轴正方向之间的夹角θ_1j，请参见图2，令j＝2，计算获得θ₁₂，令j＝1，计算获得θ₁₁，启动原点左侧主动臂的驱动电机，使其逆时针转过的角度为θ₁₂-180°，带动原点左侧主动臂旋转至其工作空间范围内的水平位置，启动原点右侧主动臂的驱动电机，使其顺时针转过的角度为θ₁₁，带动原点右侧主动臂旋转至其工作空间范围内的水平位置。完成两自由度高速并联机器人的零点标定工作。

上述的建系方法，是为了简化之后的计算过程，采用其它的建系方法，采用相同的计算方法也能得出同样的结果。这是本领域的普通技术人员容易想到的，在此不再赘述。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种两自由度高速并联机器人的零点标定方法，其特征在于，采用如下步骤：

一)在固定平台和末端平台之间安装一把带刻度的伸缩尺，固定平台和末端平台分别通过一十字轴万向联轴器与伸缩尺的端部连接；

二)在两自由度高速并联机器人的工作平面内建立一个直角坐标系O-xy，并将直角坐标系O-xy的原点设定在固定平台上；

三)将机器人末端平台移动到工作空间范围内的任意一个位置，并记录下当前位置伸缩尺的读数H₁，然后控制机器人末端平台首次移动一个水平向量m＝(m,0)，并记录下首次平移后伸缩尺的读数H₂，接着控制机器人末端平台再继续移动一个水平向量n＝(n,0)，并记录下再次平移后伸缩尺的读数H₃，三次移动必须保证均在机器人工作空间范围内完成；

四)通过计算获得机器人末端平台再次平移后所处位置处的坐标；然后根据相应的向量公式计算即可得到再次平移后所处位置处机器人主动臂与水平方向的夹角，然后使主动臂驱动电机转动相应角度，带动机器人主动臂旋转至其工作空间范围内的水平位置，完成两自由度高速并联机器人的零点标定工作。

2.根据权利要求1所述的两自由度高速并联机器人的零点标定方法，其特征在于，

所述步骤二)建立的直角坐标系O-xy，以两主动臂旋转中心连线的中点为坐标系的原点O，以两主动臂旋转中心连线为x轴，x轴以原点O向右为正方向，运动空间中过坐标原点O，并以原点O向上为正方向的数轴为y轴；

所述步骤一)，使伸缩尺与固定平台固联的位置位于y轴的负半轴；

所述步骤四)，通过计算得出机器人末端平台再次平移后所处位置处的坐标P′(x+m+n,y)，

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x+m)}^2+{(y+a)}^2}-\sqrt{x^2+{(y+a)}^2}=H_2-H_1\\ \sqrt{{(x+m+n)}^2+{(y+a)}^2}-\sqrt{x^2+{(y+a)}^2}=H_3-H_1\end{array}\right.$

其中，a为伸缩尺与固定平台固联位置距坐标原点的距离；

通过计算得出机器人末端平台再次平移后所处位置处机器人主动臂与水平方向的夹角为：

${\mathrm{\θ}}_{1j}=2arctan\frac{-A_j+\mathrm{sgn}\left(j\right)\sqrt{A_j^2-(C_j-B_j)(C_j+B_j)}}{C_j-B_j}$

其中：

A_j＝-2l₁y

B_j＝-2l₁(x+m+n-sgn(j)e)

C_j＝(x+m+n)²+e²-2sgn(j)e(x+m+n)+y²+l₁ ²-l₂ ²

$\mathrm{sgn}\left(j\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& j=1\\ -1& j=2\end{array}\right.,$

l₁、l₂分别为主动臂和从动臂的长度，j表示运动支链的序号，j＝1时，公式中包含有j的变量均指第1条运动支链的变量，以此类推，e表示主动臂旋转中心距原点O的距离。

3.根据权利要求1所述的两自由度高速并联机器人的零点标定方法，其特征在于，所述伸缩尺的测量精度不大于0.02mm。