CN109176487A - 一种联动关节段标定方法、系统、设备、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性机器人的联动关节段标定方法、系统、设备、存储介质，通过获取联动关节段在多个不同构型下的多个实际位姿和多个名义位姿；再根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定联动关节段的运动学误差参数；解决了现有柔性机器人由于运动学误差引起的其末端定位精度低、精细作业能力受限等问题，实现了对柔性机器人的联动关节段的运动学误差参数的标定，提高机器人的末端定位精度和操作技能。

Description

一种联动关节段标定方法、系统、设备、存储介质

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种联动关节段标定方法、系统、设备、存储介质。

背景技术

柔性机器人相对于传统机械臂有纤细的躯干，冗余的自由度，在复杂多障碍的环境中体现出了极强的灵活性，因此被广泛应用于核电领域、航天领域大型设备的检修、维护、装配等作业任务。这些狭小空间下的精细作业任务，往往要求柔性机器人具有较高的末端绝对定位精度。然而在以下几个方面因素，将影响着柔性机器人的精度，进而影响其作业的能力：

(1)在柔性机器人的零部件加工和安装装配过程中，其存在着许多误差。这些误差经过多个关节的累积和放大，最终导致末端较大的误差。

(2)其关节处的有限空间以及特殊的绳索驱动方式，导致了其传感器主要集中在机器人的根部，并不能直接反馈关节的角度大小，存在着关节角度的误差。

(3)绳索具有一定的弹性，在多次使用之后柔性机器人的驱动绳索将会变长，进而也影响关节的角度，导致末端的误差。

为了提高柔性机器人的末端定位精度，进一步增强其狭小空间的精细作业的能力，有必要定期对柔性机器人众多的运动学参数进行标定，以提高其操作性能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种柔性机器人的联动关节段标定方法、系统、设备、存储介质，用于标定联动关节段的运动学误差参数。

本发明所采用的技术方案是：一种柔性机器人的联动关节段标定方法，包括以下步骤：

实际位姿获取步骤，获取联动关节段在多个不同构型下的多个实际位姿；

名义位姿获取步骤，获取所述联动关节段在所述多个不同构型下的多个名义位姿；

标定步骤，根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定所述联动关节段的运动学误差参数。

进一步地，基于遗传算法获取所述联动关节段在所述多个不同构型下的多个名义位姿，并根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定所述联动关节段的初始绳长误差和联动角度误差。

进一步地，利用激光跟踪法获取所述联动关节段的实际位姿。

本发明所采用的另一技术方案是：一种柔性机器人的联动关节段标定系统，包括：

实际位姿获取单元，用于获取联动关节段在多个不同构型下的多个实际位姿；

名义位姿获取单元，用于获取所述联动关节段在所述多个不同构型下的多个名义位姿；

标定单元，用于根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定所述联动关节段的运动学误差参数。

进一步地，所述名义位姿获取单元和所述标定单元基于遗传算法获取所述联动关节段在所述多个不同构型下的多个名义位姿，并根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定所述联动关节段的初始绳长误差和联动角度误差。

进一步地，所述实际位姿获取单元包括激光跟踪仪和设置在所述联动关节段的末端的靶球，利用所述激光跟踪仪获取所述联动关节段的实际位姿。

本发明所采用的另一技术方案是：一种柔性机器人的联动关节段标定设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的柔性机器人的联动关节段标定方法。

本发明所采用的另一技术方案是：一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行所述的柔性机器人的联动关节段标定方法。

本发明的有益效果是：

本发明一种柔性机器人的联动关节段标定方法、系统、设备、存储介质，通过获取联动关节段在多个不同构型下的多个实际位姿和多个名义位姿；再根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定联动关节段的运动学误差参数；解决了现有柔性机器人由于运动学误差引起的其末端定位精度低、精细作业能力受限等问题，实现了对柔性机器人的联动关节段的运动学误差参数的标定，提高机器人的末端定位精度和操作技能。

附图说明

图1是联动关节段的一具体实施例结构示意图；

图2是绳索驱动超冗余机械臂的运动学空间关系描述示意图；

图3是联动型关节段自由度配置图；

图4是是绳索驱动超冗余机械臂的一具体实施例关节示意图；

图5是图4的关节简化等效图；

图6是图4的关节模型坐标系分析图；

图7是联动关节段的绳长到关节基本角度的一具体实施例计算流程图；

图8是本发明中一种柔性机器人的联动关节段标定方法的一具体实施例流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

一种柔性机器人的联动关节段标定方法，包括以下步骤：

实际位姿获取步骤，获取联动关节段在多个不同构型下的多个实际位姿；

名义位姿获取步骤，获取所述联动关节段在所述多个不同构型下的多个名义位姿；

标定步骤，根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定所述联动关节段的运动学误差参数。解决了现有柔性机器人由于运动学误差引起的其末端定位精度低、精细作业能力受限等问题，实现了对柔性机器人的联动关节段的运动学误差参数的标定，提高机器人的末端定位精度和操作技能。具体地，利用名义位姿和实际位姿之间的位姿差与运动学误差之间存在的关系可以标定联动关节段的运动学误差。根据柔性机器人的运动学误差参数即绳索的初始长度的误差(即初始绳长误差)Δl、关节角度的联动误差(即联动角度误差)ε_θ以及运动学模型X＝f(Θ)可以建立柔性机器人联动关节段的运动学误差模型ΔX＝f_ε(Δl₀,ε_θ)，也即联动关节段的位姿差ΔX与初始绳长误差Δl、联动角度误差ε_θ有关，则根据多个名义位姿和多个实际位姿可以标定联动关节段的运动学误差参数(即初始绳长误差、联动角度误差)。

下面对运动学误差模型做具体说明：

参考图1，图1是联动关节段的一具体实施例结构示意图；柔性机器人的联动关节段包括关节旋转轴、联动绳索和驱动绳索，驱动绳索由联动关节段的根部穿过联动关节段的所有关节，并最终固定于最后一个关节处；而联动绳索保证了联动角度的增量相等。柔性机器人在运动学参数上的误差包括初始绳长误差Δl_0,k(1≤k≤3)和联动角度误差联动角度误差以及初始绳长误差不随着联动关节段的构型状态的改变而改变，构型指的是机械臂的关节在三维空间的位置。

柔性机器人具有多层运动学的关系，即绳索驱动超冗余机械臂的运动学分析不仅包括了关节空间以及操作空间之间的映射关系，还包括了绳索驱动空间到关节空间的映射关系。因此其运动学分析可以分为两步：首先推导关节空间与操作空间映射关系，即机器人末端坐标系位姿和关节变量ψ、α之间的关系；再推导绳索驱动空间与关节空间映射关系，即关节变量ψ、α和驱动绳索长度变化量Δli之间的关系，如图2所示，图2是绳索驱动超冗余机械臂的运动学空间关系描述示意图。首先进行关节空间与操作空间的映射分析，对关节段进行正运动学分析，如图3所示，图3是联动型关节段自由度配置图，采用经典的D-H法，建立了为单个关节段的D-H坐标系。根据建立的坐标系可以得到其对应的D-H参数表如表1所示。

表1联动关节段DH参数表

则第i+1参考系相对于第i参考系的齐次变换参数化矩阵，可记为

式中cθ_i＝cosθ_i,sθ_i＝sinθ_i。

考虑到柔性机械臂关节段的小关节之间采用了联动的运动方式，则关节角之间存在着以下的关系。

其中Θ＝[θ₁ θ₂ … θ_2n]为柔性机器人关节段的所有子关节角度，和为柔性机器人联动关节段的第i子关节的两个联动角度误差，为整个联动关节段的联动角度误差。

由此可以得到柔性机器人单个联动关节段的正运动学表达式为：

其中为联动关节段的基本关节角度。

再进行绳索空间与关节空间映射分析，先进行关节角到绳长映射分析，第一，单个子关节角到绳长的分析：

如图4所示，图4是是绳索驱动超冗余机械臂的一具体实施例关节示意图；绳索驱动超冗余机械臂的单个关节子系统中具有3个输入，2个输出，换句话说，其是一个并联机器人，具有3根驱动绳索和2个自由度。单个关节依靠3个独立的驱动绳索进行驱动，实现其三维空间的旋转运动。因此，根据前面臂的设计，在关节的臂杆中的绳子长度不会发生变化，而引起该关节角度发生变化的原因则是在关节处两个圆盘之间的绳索长度发生了变化。为了准确描述绳驱动机械臂关节的转动角度与关节处绳子的长度之间的关系，将关节模型进行简化，建立了单关节的运动学模型，如图5所示，图5是图4的关节简化等效图。面B₁B₂B₃、面A₁A₂A₃分别代表布线圆盘2和布线圆盘1，线段A₁B₁、A₂B₂、A₃B₃分别代表三个独立的绳索l₁、l₂、l₃，点P则代表关节的中心。分别以面B₁B₂B₃、面A₁A₂A₃中心O₁、O₂为原点，关节臂杆轴心的方向为Z轴，关节两个自由度旋转的方向为X、Y轴，建立坐标系坐标系{1}、{2}。由图5可以知道关节的中心点P则固定不变，为方便分析，在关节中心点处建立中间坐标系{0}，如图6所示，图6是图4的关节模型坐标系分析图，假设关节初始位置时两圆盘之间的距离为d，那么对于坐标系{0}、{1}，当{1}绕其X轴旋转α角，再继续往上平移d/2后与{0}重合。于是可以得到齐次变换矩阵：

对于坐标系{0}、{2}，坐标系{0}绕其Y轴旋转ψ角，再继续沿着旋转后的坐标系的Z轴往上平移d/2后与{2}重合。于是可以得到齐次变换矩阵：

于是可以得到坐标系{1}、{2}之间的变化矩阵为：

在布线圆盘2上任意取一点B₁，从图6中可以知道∠B₁O₂X₂＝β，那么在圆盘1上与B₁对应点A₁，也有∠A₁O₁X₁＝β，于是在坐标系{1}中有：

在坐标系{2}中：

利用前面计算的其次变换矩阵，可以得到在坐标系{1}中的¹B₁为：

于是进一步计算可得绳子长度l₁为：

同理，对于绳索A₂B₂、A₃B₃，那么有：

因此，单个子关节的绳索长度可以统一地表示为：

其中，为联动关节段的第i子关节的坐标变换旋转角。

而对于联动关节段的绳长计算，由上面可以知道，具有n个子关节的柔性机器人关节段的绳索k(1≤k≤3)的长度为：

其中为柔性机器人关节段坐标变换用基本旋转角，且它们之间具有以下的关系：

因此，叠加多个子关节的绳长得到关节段的绳长，整个关节段的绳索长度计算公式可以写为：

其中L＝[l₁ l₂ l₃]为关节段的3个驱动绳索的长度。

接着进行关节段的驱动绳长到关节角的映射分析，对于柔性机器人的关节段，在一些实际的控制过程中，往往需要根据当前的绳长来计算关节的角度大小，因此有必要进行关节的绳长-关节角的运动学分析。该分析作为关节角-绳长运动学的逆过程，因此满足以下几个条件：

其中代表关节段的绳索k(1≤k≤3)长度计算公式，并且关节的初始条件为：

其中n是关节段中子关节的个数。

对式子(22)进行求导，可以得到:

其中J_Sc是关节段的绳索空间和关节空间的雅克比矩阵，具体地可以表示为：

那么，式子(19)可以利用各变量差分进行等效，得到：

其中，是雅克比矩阵J_Sc的伪逆。

基于此，通过数值迭代法，在已知绳索的初始长度误差Δl₀和关节联动角度误差ε_θ以及期望的(规划)绳长L_d＝L_C+L₀+Δl₀的情况下，可以计算得到关节段的两个基本关节角度值其中L_C为绳索的相对长度，L₀＝f_ε(0,0)为零位时的绳索长度。参考图7，图7是联动关节段的绳长到关节基本角度的一具体实施例计算流程图，基本关节角度的具体获取过程如下：

(1)给定期望的绳长L_d，且假设绳索的初始长度误差为Δl₀和联动角度误差为ε_θ；假设初始的关节段基本角度为计算初始的绳长和期望的绳长差ΔL₍₀₎＝L₍₀₎-L_d。

(2)迭代次数i＝0；

(3)根据公式(25)，计算当前状态下的关节段的绳索空间和关节空间的雅克比矩阵J_Sc。

(4)获取绳长差ΔL到基本关节角度的映射，即：

(5)更新关节段的基本关节角得到新的基本关节角：

(6)更新在新的基本关节角度的情况下的绳索长度：

(7)进一步更新绳索长度与期望值之差：ΔL_(i+1)＝L_(i+1)-L_d；

(8)判断绳长的误差是否达到要求：norm(ΔL_(i+1))≤ε_d，ε_d为预设的比较值，如果满足，则循环结束，为方程的解；否则进行下一步。

(9)判断循环次数是否小于最大接受值，即i≤i_max，如果满足，则进行下一步；否则循环结束，方程无解。

(10)循环次数加1，即i＝i+1；

(11)重复(3)-(9)，直到循环结束。

由于柔性机器人具有多层运动学的关系，如图2所示。根据存在的运动学的关系，可以得到柔性机器人具有以下运动学方程：

X＝f(Θ) (3)

[l₁ l₂ l₃]^T＝f_l(Θ) (16)

f(Θ)代表在期望的关节角度Θ下，柔性机器人联动关节段的名义末端位置姿态(位置姿态简称位姿)，其为联动关节段的运动学方程：

而在实际中，在给定期望的关节角度Θ下，柔性机器人系统的控制量为：L_C＝f_l,k(Θ)-L₀；其中L_C为绳索的相对长度，L₀＝f_ε(0,0)为零位时的绳索长度。

因此在考虑绳索的初始长度误差Δl₀和关节联动角度误差ε_θ的情况下，联动关节段的新关节角度为：其中L′＝L_C+L₀+Δl₀为关节段中关节处实际的绳索长度，为f_εl的逆方程。

此时，实际的联动关节段的末端位置姿态为X′＝f(Θ′)；末端位置姿态差也即柔性机器人的运动学误差的模型为：ΔX＝X′-X＝f(Θ′)-f(Θ)＝f_er(Δl₀,ε_θ)，表明了关节段的关节基本角度、初始绳长误差、联动角度误差与位姿差存在关系。

则根据柔性机器人的运动学误差模型，利用激光跟踪法获取所述联动关节段的实际位姿，同时基于遗传算法获取联动关节段在多个不同构型下的多个名义位姿，并根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿可以标定所述联动关节段的初始绳长误差和联动角度误差。参考图8，具体地的标定过程如下：

(1)规划m组柔性机器人关节段构型对应的关节基本角度为

(2)计算每一组对应的绳长相对长度，即控制柔性机器人联动关节段运动，使得绳索长度达到期望的相对长度L_C,i。联动关节段的末端设置有靶球，则利用激光跟踪仪可以测量联动关节段的末端位置和姿态X_r,i(实际位姿)。

(3)设置遗传过程中的染色体变量为联动关节段的运动学误差参数，即Q＝[Δl₁Δl₂ Δl₃ ε_θ3 ε_θ4 … ε_θ2n]，变量数目为2n+1。设定遗传种群内的个体数量N＝50和最大迭代次数M＝2000。

(4)设定遗传算法的适应度为f_fit＝norm(X_rc-X_Nc)＝norm(ΔX_C)；其中X_Nc＝[X_N,1X_N,2 … X_N,m]代表m组名义计算值X_N,i的组合，而X_rc＝[X_r,1 X_r,2 … X_r,m]代表m组测量的末端位置姿态值的组合。

(5)随机生成种群的N个个体，迭代次数k＝1；

(6)根据图7，计算出每个个体j,1≤j≤N，在每个对应构型下的关节基本角度(即根据图7、已知的初始绳长误差和联动角度误差、期望的绳长计算得到关节基本角度)，进一步根据关节基本角度和正运动学方程，计算出每个对应构型下的名义末端位置和姿态进而得到名义和测量的关节段末端位姿的位姿差：ΔX_C,j＝X_rC-X_NC。

(7)计算每个个体对应的适应度f_fit,j，通过比较每个适应度，找出适应度中最小值，即为最优适应度。

(8)判断最优适应度是否满足要求，即min(f_fit,i)≤ε_d，ε_d为预设的比较值，如果满足则迭代结束，最优适应度对应的个体染色体的变量值为方程的解；否则进行下一步。

(9)迭代次数k＝k+1；

(10)判断迭代次数是否小于最大值，即k≤M，如果满足，则循环结束，最优适应度对应的个体染色体的变量值为方程的解；否则进行下一步。

(11)将最优适应度对应的个体，与其余的个体进行交配和遗传；

(12)重复步骤(6)-(10)，直到循环结束，即可完成运动学误差参数的标定。

本实施例的柔性机器人的联动关节段标定方法，由柔性机器人的运动学误差参数即绳索的初始长度的误差Δl和关节角度的联动角度误差ε_θ以及运动学模型X＝f(Θ),建立柔性机器人联动关节段的运动学误差模型ΔX＝f_ε(Δl₀,ε_θ)。则根据柔性机器人的运动学模型X＝f(Θ)可以得到柔性机器人联动关节段多个构型下的名义末端位置和姿态；同时由激光跟踪仪以及固定在联动关节段末端的靶球，实际测量得到绳驱联动关节段多个构型下的实际末端位置和姿态。结合名义、实际的末端位置姿态差，基于遗传的优化算法，同时标定出柔性机器人的联动关节段的多个运动学误差参数。

实施例2

基于实施例1，实施例2提供了一种柔性机器人的联动关节段标定系统，包括：

实际位姿获取单元，用于获取联动关节段在多个不同构型下的多个实际位姿；

名义位姿获取单元，用于获取所述联动关节段在所述多个不同构型下的多个名义位姿；

标定单元，用于根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定所述联动关节段的运动学误差参数。

具体地，所述名义位姿获取单元和所述标定单元基于遗传算法获取所述联动关节段在所述多个不同构型下的多个名义位姿，并根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定所述联动关节段的初始绳长误差和联动角度误差。实际位姿获取单元包括激光跟踪仪和设置在所述联动关节段的末端的靶球，利用激光跟踪仪可以获取所述联动关节段的实际位姿。

关于柔性机器人的联动关节段标定系统的工作过程描述参照实施例1的描述，不再赘述。

实施例3

基于实施例1，实施例3提供了一种柔性机器人的联动关节段标定设备，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的柔性机器人的联动关节段标定方法。关于柔性机器人的联动关节段标定方法的描述参照实施例1的描述，不再赘述。

实施例4

基于实施例1，实施例4提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行所述的柔性机器人的联动关节段标定方法。关于柔性机器人的联动关节段标定方法的描述参照实施例1的描述，不再赘述。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种柔性机器人的联动关节段标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

实际位姿获取步骤，获取联动关节段在多个不同构型下的多个实际位姿；

名义位姿获取步骤，获取所述联动关节段在所述多个不同构型下的多个名义位姿；

标定步骤，根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定所述联动关节段的运动学误差参数。

2.根据权利要求1所述的柔性机器人的联动关节段标定方法，其特征在于，基于遗传算法获取所述联动关节段在所述多个不同构型下的多个名义位姿，并根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定所述联动关节段的初始绳长误差和联动角度误差。

3.根据权利要求1或2所述的柔性机器人的联动关节段标定方法，其特征在于，利用激光跟踪法获取所述联动关节段的实际位姿。

4.一种柔性机器人的联动关节段标定系统，其特征在于，包括：

实际位姿获取单元，用于获取联动关节段在多个不同构型下的多个实际位姿；

名义位姿获取单元，用于获取所述联动关节段在所述多个不同构型下的多个名义位姿；

标定单元，用于根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定所述联动关节段的运动学误差参数。

5.根据权利要求4所述的柔性机器人的联动关节段标定系统，其特征在于，所述名义位姿获取单元和所述标定单元基于遗传算法获取所述联动关节段在所述多个不同构型下的多个名义位姿，并根据所述多个名义位姿和所述多个实际位姿标定所述联动关节段的初始绳长误差和联动角度误差。

6.根据权利要求4或5所述的柔性机器人的联动关节段标定系统，其特征在于，所述实际位姿获取单元包括激光跟踪仪和设置在所述联动关节段的末端的靶球，利用所述激光跟踪仪获取所述联动关节段的实际位姿。

7.一种柔性机器人的联动关节段标定设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至3任一项所述的柔性机器人的联动关节段标定方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至3任一项所述的柔性机器人的联动关节段标定方法。