CN109176517A - 基于末端名义点约束的串联工业机器人连杆参数标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业机器人运动控制领域，并具体公开了一种基于末端名义点约束的串联工业机器人连杆参数标定方法，包括如下步骤：1)搭建测量平台，安装精密球和激光位移传感器；2)执行测量程序，精密球绕其球心名义位置连续旋转一圈，激光位移传感器测量球的位移，并计算球心的位置偏移；3)根据球心的位置偏移，球心的初始位置和运动学误差模型计算出连杆参数误差；4)将计算出的参数误差值补偿到机器人的控制器中，更新控制器中连杆参数的名义值。本发明采用激光位移传感器和精密球代替昂贵的标定设备，并结合设计的测量程序对连杆参数进行标定，操作简单，成本低且运行效率高。

Description

基于末端名义点约束的串联工业机器人连杆参数标定方法

技术领域

本发明属于工业机器人运动控制领域，更具体地，涉及一种基于末端名义点约束的串联工业机器人连杆参数标定方法。

背景技术

工业机器人的定位精度通常分为绝对定位精度和重复定位精度，工业机器人的拖拽示教应用主要依靠重复定位精度，使得机器人实现重复性的动作，随着现代工业的迅猛发展，越来越多的工业机器人应用到加工，安装，焊接等对绝对定位精度要求较高的场合，然而机器人的绝对定位精度远低于其重复定位精度，常常不能满足实际应用要求，在工业中，通常通过对机器人的运动学参数进行标定和补偿提高绝对定位精度。

机器人运动学标定方法主要分为两类：一种是开环测量方法，另一种是闭环测量方法。开环测量方法通过额外的测量设备比如激光跟踪仪，三坐标测量仪等直接测量得到机器人末端的实际位置，但是这种方法通常比较昂贵，操作复杂费时，需要专门的技术人员；闭环测量方法则通过对机器人末端增加点面等几何约束建立误差模型，这种方法操作简单，但是仍然存在缺陷，比如工业中常见的尖点标定方法，需要人工操作机器人使得末端与约束点进行多次重合，增加了人为误差且同样耗时。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于末端名义点约束的串联工业机器人连杆参数标定方法，其采用将机器人末端绕其名义位置旋转一圈的方式，通过携带末端实际位置偏移信息的精密球和采集相对误差数据的激光位移传感器对运动学参数进行标定，由此解决目前因运动学误差导致机器人定位精度下降的技术问题，具有测量效率高，成本格低廉，操作简单等特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于末端名义点约束的串联工业机器人连杆参数标定方法，包括如下步骤：

S1、搭建测量平台，将精密球安装在机器人的第六关节上，将激光位移传感器放置在工作台上，并使激光束沿竖直方向，调整机器人使得机密求在激光位移传感器的测量范围之内；

S2、通过激光位移传感器多次测量精密球初始位置，以及绕精密球球心名义位置旋转一圈后的位置，计算得到精密球球心在机器人基坐标下的实际位置同时并记录机器人的六个关节值，计算得到精密球球心在机器人基坐标下的名义位置以及机器人基坐标下精密球球心的位置偏移；

S3、根据精密球球心的初始位置和运动学误差模型计算出连杆参数误差；

S4、将计算出来的连杆参数误差值补偿到机器人的控制器中，更新控制器中连杆参数的名义值。

所述步骤S2中，通过激光位移传感器多次测量精密球初始位置，以及绕精密球球心名义位置旋转一圈后的位置，计算得到精密球球心的实际位置的具体步骤为：

通过控制机器人来调整精密球的位置，使激光位移传感器的激光束竖直通过球心，将此时激光位移传感器所在的位置记为位置1，通过激光位移传感器测量精密球在初始位置时其表面与激光位移传感器之间的距离控制机器人使其绕精密球球心的名义位置旋转一圈，将此时精密球球心的位置记为采样点k；记录机器人的六个关节值，并通过激光位移传感器测量精密球在采样点k处时其表面与激光位移传感器之间的距离

将激光位移传感器向X正方向或者负方向移动距离d，将此时激光位移传感器所在的位置记为位置2，通过激光位移传感器测量精密球在初始位置时其表面与激光位移传感器之间的距离控制机器人使其绕精密球球心的名义位置旋转一圈，记录机器人的六个关节值，通过激光位移传感器测量精密球在采样点k处时其表面与激光位移传感器之间的距离记录的位移信息

将激光位移传感器向Y正方向或者负方向移动距离d，将此时激光位移传感器所在的位置记为位置3，通过激光位移传感器测量精密球在初始位置时其表面与激光位移传感器之间的距离控制机器人使其绕绕精密球球心的名义位置旋转一圈，记录机器人的六个关节值，通过激光位移传感器测量精密球在采样点k处时其表面与激光位移传感器之间的距离记录的位移信息

计算得到精密球球心的实际位置所述计算公式为：

式中，R表示精密球的半径。

所述步骤S3中，机器人的运动学误差模型为：

其中，为精密球球心在采样点k处的实际位置，为精密球球心在采样点k处的名义位置，J_k为机器人在采样点k处的误差雅克比矩阵，ε为连杆参数误差矩阵，a_i-1(i＝1...6)为第i个连杆的连杆长度，Δa_i-1为a_i-1的误差值，α_i-1为第i个连杆的连杆扭角，Δα_i-1为α_i-1的误差值，d_i为第i个连杆的连杆偏置，Δd_i为d_i的误差值，θ_i为第i个连杆的连杆关节角，Δθ_i为θ_i的误差值；

所述连杆参数误差计算具体是指，通过最小二乘法求出连杆参数误差矩阵ε，计算公式为：

其中，为机器人末端精密球球心初始的实际位置，机器人末端精密球球心的名义位置。

机器人末端精密球球心初始的实际位置的计算公式为：

其中，l_LDS为激光束的长度，p_LDS为激光位移传感器安放在工作台上的位置相对于基坐标系的坐标。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明采用将机器人末端绕其名义位置旋转一圈，通过精密球携带末端实际位置偏移信息和激光位移传感器采集相对误差数据的方式，对机器人运动学参数进行标定，大大降低了采用昂贵设备标定的生产成本，避免了通过人眼对尖点标定方式所带来的人为误差，操作简单，效率高，易于实现工业自动化，适用于串联型的工业机器人。

附图说明

图1是本发明实施例中机器人和激光位移传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提出的一种工业机器人连杆参数标定方法的流程图；

图3是本发明实施例中机器人连杆坐标系建立示意图；

图4是本发明实施例中采用的一种激光位移传感器外形示意图；

图5是本发明的一种精密球的外形示意图；

图6是本发明实施例中精密球的位置偏移原理图；

图7是本发明实施例提出的一种工业机器人连杆参数标定方法对连杆参数进行补偿前后的对比图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明实施例提出的一种基于末端名义点约束的串联工业机器人连杆参数标定方法所用到的装置，该装置包括机器人本体7、机器人控制器、计算机、精密球8和激光位移传感器9；该机器人本体上设置有第一关节1，第二关节2，第三关节3，第四关节4，第五关节5，第六关节6。

如图2所示，本发明实施例提出的一种基于末端名义点约束的串联工业机器人连杆参数标定方法，具体包括如下步骤：

步骤(1)测量平台搭建，安装精密球和激光位移传感器

将精密球安装在机器人的第六关节上，激光位移传感器放置在工作台上并使得激光位移传感器发出的激光光束方向向上，调整机器人使得精密球在激光位移传感器的测量范围之内；如图3所示，为本发明实施例中机器人连杆坐标系建立示意图；如图4所示为本实施例中采用的激光位移传感器外形示意图，本实施例中，激光位移传感器的型号为基恩士的LK-H020；图5是本实施例中采用的精密球的外形示意图；

步骤(2)激光位移传感器测量精密球的位移，并计算球心的位置偏移。

执行设定的测量程序，激光位移传感器分别在设定位置处对精密球进行采样，根据激光位移传感器获得的各采样点处精密球的位移和控制器记录的机器人六个关节值，计算出球心在测量过程中的位置偏移。

步骤(2.1)：激光位移传感器在设定位置1处对精密球采样；

调整精密球的位置使得激光束竖直通过球心，称此时激光位移传感器所在的位置为位置1，控制机器人使其绕精密球球心的名义位置旋转一圈，记录机器人的六个关节值，然而由于运动学误差，机器人的名义位置会发生偏移，通过激光位移传感器记录的位移信息，可以得到如下关系式：

其中，R为精密球的半径，为精密球球心在机器人基坐标系下的名义位置，为精密球球心在机器人基坐标系下的实际位置，如图6所示，为激光位移传感器在位置1处测得精密球在采样点k处其表面与激光位移传感器之间的距离，为激光位移传感器在位置1处测得精密球在初始位置处时其表面与激光位移传感器之间的距离。

步骤(2.2)：激光位移传感器在设定位置2处对精密球采样；

如图(6a)所示，将激光位移传感器向X正方向或者负方向移动一定距离，称此时激光位移传感器所在的位置为位置2，执行与步骤(2.1)中相同的程序，使机器人绕精密球球心的名义位置旋转一圈，记录机器人的六个关节值，通过激光位移传感器记录的位移信息，可以得到如下关系式：

其中，d为位置2相对于位置1的偏移，为激光位移传感器在位置2处测得精密球在采样点k处时其表面与激光位移传感器之间的距离，为激光位移传感器在位置2处测得精密球在初始位置处时其表面与激光位移传感器之间的距离。

步骤(2.3)，激光位移传感器在设定位置3处对精密球采样；

如图(6b)所示，将激光位移传感器向Y正方向或者负方向移动一定距离，称此时激光位移传感器所在的位置为位置3，执行与步骤(2.1)中相同的程序，使机器人绕精密球球心的名义位置旋转一圈，记录机器人的六个关节值，通过激光位移传感器记录的位移信息，可以得到如下关系式：

其中，d为位置3相对于位置1的偏移，为激光位移传感器在位置3处测得精密球在采样点k处时其表面与激光位移传感器之间的距离，为激光位移传感器在位置3处测得精密球在初始位置处时其表面与激光位移传感器之间的距离的位移。

则通过式(1)～式(3)，即可以求出精密球球心在精密球球心在机器人基坐标系下的实际位置

步骤(3)连杆参数误差辨识，根据球心的位置偏移，球心的初始位置和运动学误差模型计算出连杆参数误差。

步骤(3.1)：首先建立连杆参数误差模型，设定机器人的运动学误差模型为：

其中，为精密球球心在采样点k处的实际位置，为精密球球心在采样点k处的名义位置，J_k为机器人在采样点k处的误差雅克比矩阵，ε为连杆参数误差矩阵，a_i-1(i＝1...6)为第i个连杆的连杆长度，Δa_i-1为a_i-1的误差值，α_i-1为第i个连杆的连杆扭角，Δα_i-1为α_i-1的误差值，d_i为第i个连杆的连杆偏置，Δd_i为d_i的误差值，θ_i为第i个连杆的连杆关节角，Δθ_i为θ_i的误差值；

在测量过程中，机器人末端精密球球心的名义位置保持不变，即：

精密球球心的实际位置由于误差的存在会发生偏移，为机器人末端球心初始的实际位置，则有：

其中，激光位移传感器安放在工作台上设定好的位置，该位置相对于基坐标系的坐标已知，设为p_LDS，可得到机器人末端球心初始的实际位置：

其中，l_LDS为激光束的长度。

将式(4)和式(5)代入式(6)，可以得到：

步骤(2)求出的代入式(8)，即得到连杆参数的误差模型。

步骤(3.2)，计算连杆参数误差值。

式(7)为超定方程组，由最小二乘法可求出连杆参数误差矩阵ε；即：

步骤(4)连杆参数误差补偿。

将步骤(3)求出的连杆参数误差值补偿到控制器中，更新连杆参数的名义值，在实际应用中，由于机器人运动学反解的原因，控制器中有些连杆参数的名义值不能进行修改，因此不对其进行补偿。

表1为连杆参数表，取连杆参数误差矩阵ε＝[Δa₁ Δa₂ Δa₃ Δd₄ Δθ₂ Δθ₃ Δθ₄ Δθ₅ ΔT_x ΔT_y ΔT_z]^T，其中，ΔT_x,ΔT_y,ΔT_z为工具坐标系相对于第六关节坐标系的误差，表2为求出的参数误差值。

为验证本发明的有效性，进行了对比试验，由图7可知，未标定前机器人末端球心的实际位置较为分散，绝对定位误差在1-10mm不等，标定后球心的实际位置明显聚拢且靠近其名义位置，绝对定位误差在1mm以下，通过本发明对机器人的连杆参数进行标定，极大的提高了机器人的绝对定位精度。

表1机器人的连杆参数表

表2连杆参数误差值

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于末端名义点约束的串联工业机器人连杆参数标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、搭建测量平台，将精密球安装在机器人的第六关节上，将激光位移传感器放置在工作台上，并使激光束沿竖直方向，调整机器人使得机密求在激光位移传感器的测量范围之内；

S2、通过激光位移传感器多次测量精密球初始位置，以及绕精密球球心名义位置旋转一圈后的位置，计算得到精密球球心在机器人基坐标下的实际位置同时并记录机器人的六个关节值，计算得到精密球球心在机器人基坐标下的名义位置以及机器人基坐标下精密球球心的位置偏移；

S3、根据精密球球心的初始位置和运动学误差模型计算出连杆参数误差；

S4、将计算出来的连杆参数误差值补偿到机器人的控制器中，更新控制器中连杆参数的名义值。

2.根据权利要求1所述的一种基于末端名义点约束的串联工业机器人连杆参数标定方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过激光位移传感器多次测量精密球初始位置，以及绕精密球球心名义位置旋转一圈后的位置，计算得到精密球球心的实际位置的具体步骤为：

通过控制机器人来调整精密球的位置，使激光位移传感器的激光束竖直通过球心，将此时激光位移传感器所在的位置记为位置1，通过激光位移传感器测量精密球在初始位置时其表面与激光位移传感器之间的距离控制机器人使其绕精密球球心的名义位置旋转一圈，将此时精密球球心的位置记为采样点k；记录机器人的六个关节值，并通过激光位移传感器测量精密球在采样点k处时其表面与激光位移传感器之间的距离

将激光位移传感器向X正方向或者负方向移动距离d，将此时激光位移传感器所在的位置记为位置2，通过激光位移传感器测量精密球在初始位置时其表面与激光位移传感器之间的距离控制机器人使其绕精密球球心的名义位置旋转一圈，记录机器人的六个关节值，通过激光位移传感器测量精密球在采样点k处时其表面与激光位移传感器之间的距离记录的位移信息

将激光位移传感器向Y正方向或者负方向移动距离d，将此时激光位移传感器所在的位置记为位置3，通过激光位移传感器测量精密球在初始位置时其表面与激光位移传感器之间的距离控制机器人使其绕绕精密球球心的名义位置旋转一圈，记录机器人的六个关节值，通过激光位移传感器测量精密球在采样点k处时其表面与激光位移传感器之间的距离记录的位移信息

计算得到精密球球心的实际位置所述计算公式为：

式中，R表示精密球的半径。

3.根据权利要求1所述的一种基于末端名义点约束的串联工业机器人连杆参数标定方法，其特征在于，所述步骤S3中，机器人的运动学误差模型为：

其中，为精密球球心在采样点k处的实际位置，为精密球球心在采样点k处的名义位置，J_k为机器人在采样点k处的误差雅克比矩阵，ε为连杆参数误差矩阵，a_i-1(i＝1...6)为第i个连杆的连杆长度，Δa_i-1为a_i-1的误差值，α_i-1为第i个连杆的连杆扭角，Δα_i-1为α_i-1的误差值，d_i为第i个连杆的连杆偏置，Δd_i为d_i的误差值，θ_i为第i个连杆的连杆关节角，Δθ_i为θ_i的误差值；

所述连杆参数误差计算具体是指，通过最小二乘法求出连杆参数误差矩阵ε，计算公式为：

其中，为机器人末端精密球球心初始的实际位置，机器人末端精密球球心的名义位置。

4.根据权利要求3所述的一种基于末端名义点约束的串联工业机器人连杆参数标定方法，其特征在于，机器人末端精密球球心初始的实际位置的计算公式为：

其中，l_LDS为激光束的长度，p_LDS为激光位移传感器安放在工作台上的位置相对于基坐标系的坐标。