CN108297101A - 多关节臂串联机器人末端位姿误差检测和动态补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多关节臂串联机器人末端位姿误差检测和动态补偿方法，所述方法包括多关节臂串联机器人、机器人控制器、两轴倾角传感器组模块。通过两轴倾角传感器组模块对机器人关节臂相对于基座坐标系的运动角度值进行检测，并将检测数据传送至机器人控制器，机器人控制器对传感器数据计算处理得到关节臂运动角度误差补偿值，并下发至各个关节臂执行器进行动态补偿，实现机器人末端位置和姿态的闭环控制。本发明无需外部环境或外部检测装置的辅助即可实现对多关节臂串联机器人动态位姿的误差检测与实时误差补偿，本发明的补偿实施效果不依赖于多关节臂串联机器人各臂运动执行机构的重复定位精度的高低，也不受多关节臂串联机器人动态负载导致的弹性变形因素影响。
Description
技术领域
本发明涉及机器人误差补偿方法，尤其是多关节臂串联机器人末端位姿误差检测和动态补偿方法。
背景技术
机器人的实际位姿与理论位姿之间的偏差,称为机器人的位姿误差,这个指标直接影响到机器人的定位精度，现有的机器人经过标定后，通过在各旋转轴的电机上安装精度较高的编码器来保证机器人末端的位姿，通过编码器保证各关节臂电机的旋转角度与理论要求的旋转角度一致的方法为半闭环控制，无法保证末端位姿的精度。通过激光跟踪仪、三坐标测量机检测机器人末端位置的方法可以实现闭环控制，但由于机器人末端位置在机器人工作时激光跟踪仪和三坐标测量机等直接测量机器人末端坐标的方法受到限制，不能实时检测机器人末端位置，现有的机器人只能通过标定，以各关节臂电机的编码器保证机器人末端位置的精度，导致机器人末端位置的位姿精度低。
专利号为201610608257.4的专利“基于摄影方法的机器人在线误差补偿装置及方法”，提出通过摄像机组合测量方法检测机器人末端位置坐标的方法与利用激光跟踪仪或三坐标测量机检测末端坐标的方法类似，都存在实际应用过程中受环境限制的问题，无法实现动态实时检测，不能满足误差的实时补偿。
申请号为201710881683.X的专利“基于关节反馈的机器人位置补偿方法”，提出根据在各个关节上安装绝对式光栅尺，通过将光栅尺的信号转换为各个关节的转角值，通过建立的空间误差估计模型和误差耦合模型将空间误差转化为关节转角误差，再通过建立上位机与机器人的实时交互环境，通过PD控制模型，将机器人关节的转角值修正为目标值，从而实现机器人位置的补偿。上述方法基于的原理依然是通过检测执行件的执行位置控制末端精度，而不是通过机器人末端的位姿进行误差补偿，其仍属于半闭环控制，无法满足精确控制的要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供多关节臂串联机器人末端位姿误差检测和动态补偿方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
多关节臂串联机器人末端位姿误差检测和动态补偿方法包含多关节臂串联机器人、机器人控制器、两轴倾角传感器组模块；
机器人末端关节臂Jn上须安装两轴倾角传感器，并以末端关节臂为起点对各关节臂Jn-1、Jn-2、…、J1逐一进行反向推断；设关节臂Jk(k≤n)安装两轴倾角传感器，与其相邻的前一个关节臂Jk-1相对于基座坐标系的姿态角如可通过关节臂Jk上安装的两轴倾角传感器测量计算得到，或者关节臂Jk-1坐标系不会因机器人运动而发生改变，则此关节臂Jk-1上可不安装两轴倾角传感器；若关节臂Jk-1相对于基座坐标系的姿态角不能通过后一个关节臂Jk上安装的两轴倾角传感器测量计算得到，则需在此关节臂Jk-1上安装两轴倾角传感器，再以关节臂Jk-1为起点按上述方法对其余关节臂Jk-2、Jk-3、…、J1逐一进行反向推断；
所述两轴倾角传感器组模块中两轴倾角传感器在关节臂上的安装方法为：
两轴倾角传感器的X轴、Y轴与机器人关节臂坐标系中的X轴、Y轴分别一一对应平行，且与其对应平行的X、Y两轴矢量方向相同，且尽量靠近关节臂末端；所安装的两轴倾角传感器需依据基座坐标系进行测量值的标定，则两轴倾角传感器的测量值即为机器人关节臂相对于基座坐标系对应的姿态角；
所述两轴倾角传感器组模块将各两轴倾角传感器的测量值传送至机器人控制器中进行解算，解算步骤为：
a.根据机器人末端目标位姿值，利用公式(1)求解机器人各关节臂目标运动角度i为机器人关节臂序号，为机器人在理想状态下达到目标位置时各关节臂的运动角度，为各关节臂的位姿矩阵；
b.在机器人运动过程实时位姿检测与反馈补偿周期内，其各关节臂的运动角度值与机器人末端位姿值间满足满的单射变换要求，设置各关节臂进行位姿补偿的判断阈值，若两轴倾角传感器的读数超出设置阈值，则进行关节臂的运动角度误差补偿，根据机器人各关节臂相对于基座坐标系的位姿和机器人各关节臂连杆参数为li，计算出各关节臂相对于基座坐标系的轴线方向矢量根据公式(2)和(3)求出机器人末端相对于基座的实际位置(xe，ye，ze)；
c.根据机器人末端的实际位姿，利用公式(1)可求出各关节臂相对于基座坐标系的运动解算角度 为根据传感器组计算出的机器人末端实际位姿反向计算出的各关节臂的运动角度；
d.各关节臂目标运动角度与运动解算角度的角度差值为将Δαi作为补偿值补偿到当前各关节臂的实际运动角度中，得到补偿后各关节臂的运动角度为各关节臂角度补偿数据通过机器人控制器下发至各关节臂运动的伺服控制器中，伺服控制器驱动各关节臂进行精确误差补偿，通过各关节臂的运动角度补偿后，若两轴倾角传感器的测量值仍超出设置的补偿阈值，则再次重复步骤a、b、c、d，对各关节臂进行补偿，直至两轴倾角传感器的测量值小于等于补偿阈值，或补偿迭代的次数达到设置的允许迭代次数阈值时，误差补偿结束。
进一步地，所述多关节臂串联机器人末端位姿误差检测与误差补偿是闭环控制方式，其补偿效果不依赖于多关节臂串联机器人各臂运动执行机构的重复定位精度的高低，也不受多关节臂串联机器人在动态负载下弹性变形动态因素影响，即补偿后的各关节臂运动角度和目标运动角度可能相同，也可能不同。
本发明的有益效果是：本发明无需外部环境或外部检测装置的辅助即可实现对多关节臂串联机器人动态位姿的误差检测与实时误差补偿，本发明的补偿实施效果不依赖于多关节臂串联机器人各臂运动执行机构的重复定位精度的高低，也不受多关节臂串联机器人动态负载导致的弹性变形因素影响。
附图说明
图1是本发明应用结构方案示意图；
图2是图1中传感器安装姿态示意图；
图3是数据解算模块流程图；
图示标记，1、关节臂J1，2、关节臂J2，3、关节臂J3，4、关节臂J4，5、关节臂J5，6、末端关节臂J6，7、两轴倾角传感器，8、两轴倾角传感器，9、两轴倾角传感器，10、机器人基座，11、机器人控制器，12、传感器接口，13、关节臂伺服驱动器接口，14、关节臂伺服驱动器。
具体实施方式
下面结合附图和一个具体实施例对本发明做进一步的阐述：
如图1所示，在安装传感器前需要以机器人基座10为基准对两轴倾角传感器7、两轴倾角传感器8、两轴倾角传感器9进行标定，根据机器人的结构确定传感器的安装数量，在关节臂J6 6上安装两轴倾角传感器7，根据权利要求1中传感器数量确定方法，关节臂J5 5的姿态可根据两轴倾角传感器7的数据得到，因此，关节臂J5 5上不需要安装倾角传感器；关节臂J4 4的姿态无法根据两轴倾角传感器7得到，因此，需在关节臂J4 4上安装两轴倾角传感器8，关节臂J3 3与关节臂J4 4存在固定的几何关系，关节臂J3 3的姿态根据两轴倾角传感器8可以得到，关节臂J2 2的姿态无法根据两轴倾角传感器8得出，因此，需要在关节臂J22上安装两轴倾角传感器9；关节臂J1 1的坐标系XY平面在机器人运动过程中基座坐标系的XY平面始终平行，因此，关节臂J1 1上不需要安装倾角传感器。
双轴传感器的数据通过传感器接口12输入机器人控制器11，机器人控制器11将计算后的误差补偿角度通过关节臂伺服驱动器接口13下发至关节臂伺服驱动器14中，关节臂伺服驱动器14驱动各关节臂运动。
如图2所示，传感器安装时需根据基座坐标系进行标定，将两轴倾角传感器的X轴、Y轴与机器人关节臂上坐标系中的X轴、Y轴分别一一对应，且传感器的安装平面与关节臂上坐标系的X轴、Y轴组成的平面平行，则两轴倾角传感器的测量值即为机器人关节臂坐标系中X轴、Y轴相对于基座坐标系的对应姿态角度值。所述两轴倾角传感器组模块将各传感器的数据传送至机器人控制器中进行解算。
如图3所示，数据解算模块具体步骤如下：
a.根据机器人末端目标位姿值，利用公式(1)求解机器人各关节臂目标运动角度i为机器人关节臂序号，为机器人在理想状态下达到目标位置时各关节臂的运动角度，为各关节臂的位姿矩阵；
b.在机器人运动过程实时位姿检测与反馈补偿周期内，其各关节臂的运动角度值与机器人末端位姿值间满足满的单射变换要求，设置各关节臂进行位姿补偿的判断阈值，若两轴倾角传感器的读数超出设置阈值，则进行关节臂的运动角度误差补偿，根据机器人各关节臂相对于基座坐标系的位姿和机器人各关节臂连杆参数为li，计算出各关节臂相对于基座坐标系的轴线方向矢量根据公式(2)和(3)求出机器人末端相对于基座的实际位置(xe，ye，ze)；
c.根据机器人末端的实际位姿，利用公式(1)可求出各关节臂相对于基座坐标系的运动解算角度 为根据传感器组计算出的机器人末端实际位姿反向计算出的各关节臂的运动角度；
d.各关节臂目标运动角度与运动解算角度的角度差值为将Δαi作为补偿值补偿到当前各关节臂的实际运动角度中，得到补偿后各关节臂的运动角度为各关节臂角度补偿数据通过机器人控制器下发至各关节臂运动的伺服控制器中，伺服控制器驱动各关节臂进行精确误差补偿，通过各关节臂的运动角度补偿后，若两轴倾角传感器的测量值仍超出设置的补偿阈值，则再次重复步骤a、b、c、d，对各关节臂进行补偿，直至两轴倾角传感器的测量值小于等于补偿阈值，或补偿迭代的次数达到设置的允许迭代次数阈值时，误差补偿结束；
以上本发明未述部分均为现有技术，凡依本发明申请范围所做的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (2)
1.多关节臂串联机器人末端位姿误差检测和动态补偿方法，其特征在于：多关节臂串联机器人末端位姿误差检测和动态补偿方法包含多关节臂串联机器人、机器人控制器、两轴倾角传感器组模块；
所述两轴倾角传感器组模块用于测量和计算机器人各关节臂轴线J1、J2、…、Jn(n为关节臂序号)相对于基座坐标系的姿态角，所需两轴倾角传感器数量确定方法为：
机器人末端关节臂Jn上须安装两轴倾角传感器，并以末端关节臂为起点对各关节臂Jn-1、Jn-2、…、J1逐一进行反向推断；设关节臂Jk(k≤n)安装两轴倾角传感器，与其相邻的前一个关节臂Jk-1相对于基座坐标系的姿态角如可通过关节臂Jk上安装的两轴倾角传感器测量计算得到，或者关节臂Jk-1坐标系不会因机器人运动而发生改变，则此关节臂Jk-1上可不安装两轴倾角传感器；若关节臂Jk-1相对于基座坐标系的姿态角不能通过后一个关节臂Jk上安装的两轴倾角传感器测量计算得到，则需在此关节臂Jk-1上安装两轴倾角传感器，再以关节臂Jk-1为起点按上述方法对其余关节臂Jk-2、Jk-3、…、J1逐一进行反向推断；
所述两轴倾角传感器组模块中两轴倾角传感器在关节臂上的安装方法为：
两轴倾角传感器的X轴、Y轴与机器人关节臂坐标系中的X轴、Y轴分别一一对应平行，且与其对应平行的X、Y两轴矢量方向相同，且尽量靠近关节臂末端；所安装的两轴倾角传感器需依据基座坐标系进行测量值的标定，则两轴倾角传感器的测量值即为机器人关节臂相对于基座坐标系对应的姿态角；
所述两轴倾角传感器组模块将各两轴倾角传感器的测量值传送至机器人控制器中进行解算，解算步骤为：
a.根据机器人末端目标位姿值，利用公式(1)求解机器人各关节臂目标运动角度i为机器人关节臂序号，为机器人在理想状态下达到目标位置时各关节臂的运动角度，为各关节臂的位姿矩阵；
b.在机器人运动过程实时位姿检测与反馈补偿周期内，其各关节臂的运动角度值与机器人末端位姿值间满足满的单射变换要求，设置各关节臂进行位姿补偿的判断阈值，若两轴倾角传感器的读数超出设置阈值，则进行关节臂的运动角度误差补偿，根据机器人各关节臂相对于基座坐标系的位姿和机器人各关节臂连杆参数为li，计算出各关节臂相对于基座坐标系的轴线方向矢量根据公式(2)和(3)求出机器人末端相对于基座的实际位置(xe，ye，ze)；
c.根据机器人末端的实际位姿，利用公式(1)可求出各关节臂相对于基座坐标系的运动解算角度 为根据传感器组计算出的机器人末端实际位姿反向计算出的各关节臂的运动角度；
d.各关节臂目标运动角度与运动解算角度的角度差值为将Δαi作为补偿值补偿到当前各关节臂的实际运动角度中，得到补偿后各关节臂的运动角度为各关节臂角度补偿数据通过机器人控制器下发至各关节臂运动的伺服控制器中，伺服控制器驱动各关节臂进行精确误差补偿，通过各关节臂的运动角度补偿后，若两轴倾角传感器的测量值仍超出设置的补偿阈值，则再次重复步骤a、b、c、d，对各关节臂进行补偿，直至两轴倾角传感器的测量值小于等于补偿阈值，或补偿迭代的次数达到设置的允许迭代次数阈值时，误差补偿结束。
2.根据权利要求1所述的多关节臂串联机器人末端位姿误差检测和动态补偿方法，其特征在于：所述多关节臂串联机器人末端位姿误差检测与误差补偿是闭环控制方式，其补偿效果不依赖于多关节臂串联机器人各臂运动执行机构的重复定位精度的高低，也不受多关节臂串联机器人在动态负载下弹性变形动态因素影响，即补偿后的各关节臂运动角度和目标运动角度可能相同，也可能不同。
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