CN110802585B - 机械臂末端传感器补偿方法及接触力/力矩测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机械臂末端传感器补偿方法接触力/力矩测量方法，包括以下步骤：步骤1：机械臂与外界环境无接触的条件下，机械臂的各个转动关节转动，机械臂末端的负载运动至设定姿态，测量机械臂各个转动关节的转动角度，六维力传感器测量得到三个力分量和力矩分量；步骤2：得到负载重力在六维力传感器坐标系中的方向向量；步骤3：得到六维力传感器的三个力分量零点值和负载重力值；步骤4：得到的三个力矩分量计算六维力传感器的三个力矩分量零点值和负载重心在六维力传感器坐标系中的坐标值；步骤5：计算负载重力在六维力传感器坐标系下的三个力分量值及三个力矩分量值，采用本发明的补偿方法能够使六维力传感器测量值更加精确。

Description

机械臂末端传感器补偿方法及接触力/力矩测量方法
技术领域
本发明涉及机械臂技术领域，具体涉及机械臂末端传感器补偿方法及接触力/力矩测量方法。
背景技术
重载工况下七自由度大型机械臂常用于矿山磨机衬板装配及空间站仪器柜装配等场景，其应用场景对机械臂的作业安全性及控制精度有很高的要求。因此，实现重载工况下七自由度大型机械臂末端负载与外界环境接触力的精准接触感知，对于机械臂实现精准柔顺控制与主动作业安全具有十分重要的意义。
发明人发现，当前大多数基于六维力传感器的机械臂末端感知技术及方法不全面，仅考虑几个特殊位姿下末端负载重力补偿，未全面考虑重载工况下机械臂实时位姿下末端负载参数辨识及外部接触受力感知，且重载工况下大型机械臂末端受力感知需要的六维力传感器量程十分大，传感器在末端转动关节与负载之间法兰安装的紧固程度可能造成传感器在机械臂安装的零点误差(六维力传感器存在力分量零点值和力矩分量零点值)也是常规机械臂末端受力感知技术所没有考虑到的。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供机械臂末端传感器补偿方法，可消除六维力传感器零点及负载重力对受力感知的影响，精确得到机器人末端负载所受的外部作用力和力矩。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
机械臂末端传感器补偿方法，包括以下步骤：
步骤1：机械臂与外界环境无接触的条件下，机械臂的各个转动关节转动，机械臂末端的负载运动至设定姿态，测量机械臂各个转动关节的转动角度，六维力传感器测量得到三个力分量和力矩分量。
步骤2：根据各个转动关节的转动角度利用姿态变换矩阵得到负载重力在六维力传感器坐标系中的方向向量。
步骤3：根据步骤2得到的方向向量和六维力传感器测量得到的三个力分量得到六维力传感器的三个力分量零点值和负载重力值。
步骤4：根据步骤2和步骤3得到的方向向量、负载重力值及六维力传感器测量得到的三个力矩分量计算六维力传感器的三个力矩分量零点值和负载重心在六维力传感器坐标系中的坐标值。
步骤5：根据负载重力值和步骤4求得坐标值计算负载重力在六维力传感器坐标系下的三个力分量值及三个力矩分量值。
进一步的，所述步骤2中，负载重力在六维力传感器坐标系中的方向向量gn的计算方法为：
Figure BDA0002281540650000021
其中，g0为负载重力在世界坐标系的方向向量：
Figure BDA0002281540650000022
Figure BDA0002281540650000023
其中：
Figure BDA0002281540650000031
表示第n个转动关节处建立的设定的转动关节坐标系相对于第n-1个转动关节处建立的设定的转动关节坐标系的姿态变换矩阵。
进一步的，所述世界坐标系的原点位于机械臂的首端位置，世界坐标系的其中一个坐标轴与水平面垂直，另外两个坐标轴位于水平面上。
进一步的，所述步骤3中，六维力传感器的三个力分量零点值和负载重力值的计算方法为：
Figure BDA0002281540650000032
其中，G为负载重力值，Fx0、Fy0、Fz0为六维力传感器的三个力分量零点值，Fx、Fy、Fz为六维力传感器在负载与外界环境无接触时测得的三个力分量值。
其中，
Figure BDA0002281540650000033
进一步的，所述步骤4中，六维力传感器的三个力矩分量零点值和负载重心在六维力传感器坐标系中的坐标值的计算方法为：
Figure BDA0002281540650000034
其中，xn、yn、zn为负载重心在六维力传感器坐标系中的三个坐标值，Mx0、My0、Mz0为六维力传感器的三个力矩分量零点值，Mx、My、Mz为六维力传感器在负载与外界环境无接触时测得的三个力矩分量值。
其中，
Figure BDA0002281540650000041
其中，
Figure BDA0002281540650000042
进一步的，所述六维力传感器坐标系及设定的转动关节坐标系均采用笛卡尔坐标系。
本发明还公开了一种机械臂末端传感器接触力/力矩测量方法：当负载与外界环境接触，产生接触力和力矩时，采用所述的机械臂末端传感器补偿方法对六维力传感器的零点误差和负载的重力进行补偿。
进一步的，所述测量方法具体为：利用六维力传感器测量得到的三个力分量值减去对应的六维力传感器三个力分量零点值，得到的差值再减去负载重力在六维力传感器坐标系中的对应力分量值，得到实际的接触力的值，利用六维力传感器测量得到的三个力距分量值减去对应的六维力传感器三个力距分量零点值，得到的差值再减去负载重力在六维力传感器坐标系中的对应的力矩分量值，得到实际的接触力距的值。
本发明的有益效果：
本发明的机械臂末端传感器补偿方法，能够计算得到重力在六维力传感器坐标系下的力分量值和力矩分量值，同时得到六维力传感器的力分量零点值和力矩分量零点值，对外界的接触力进行测量时，能够对负载的重力和六维力传感器的零点误差进行补偿，充分考虑了负载重力和六维力传感器自身误差对测量结果的影响，使负载与外界环境接触力的测量更加精确，对于机械臂实现精准柔顺控制与主动作业安全具有十分重要的意义。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1补偿方法流程示意图；
图2为本发明实施例1转动关节坐标系建立示意图；
图3为本发明实施例1末端负载与六维力传感器连接示意图；
其中，1.末端负载，2.六维力传感器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有的机械臂末端感知技术仅考虑几个特殊位姿下的末端负载重力补偿，未全面考虑重载工况下机械臂实时位姿下末端负载参数辨识及外部接触受力感知，且未考虑传感器的零点误差，针对上述问题，本申请提出了机械臂末端传感器补偿方法。
本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-3所示，一种机械臂末端传感器补偿方法，以具有五个转动关节(n＝5)的七自由度重载机械臂针对重载状况下的末端零点与重力补偿为例进行说明，在机械臂的五个转动关节处建立转动关节坐标系，机械臂首端与基础的连接第一转动关节R1处建立第一转动关节坐标系，且机械臂首端位置处设置世界坐标系O0-X0Y0Z0，其Z0轴与水平面垂直设置，所述第一转动关节处建立第一转动关节坐标系O1-X1Y1Z1，其Z1轴与Z0轴重合，与第一转动关节的旋转轴线重合，X1轴与世界坐标系的X0轴共线设置，所述第二转动关节R2处建立第二转动关节坐标系O2-X2Y2Z2，其X2轴与水平面垂直设置，Z2轴与O1-X1Y1Z1的Y1轴平行设置，且与第二转动关节的旋转轴线重合，Y2轴与X1轴平行设置，所述第三转动关节R3处建立第三转动关节坐标系O3-X3Y3Z3，第三转动关节坐标系的Z3轴垂直于水平面设置，且与第三转动关节的旋转轴线重合设置，X3轴与Z2轴平行设置，Y3轴与Y2轴平行设置，在第四转动关节R4处建立第四转动关节坐标系O4-X4Y4Z4，其Z4轴与X1轴平行设置，且与第四转动关节的旋转轴线重合，X4轴垂直于水平面设置，Y4轴平行与X3轴设置，在第五转动关节R5处建立第五转动关节坐标系O5-X5Y5Z5，所述第五转动关节坐标系机械臂末端的六维力传感器的六维力传感器坐标系，其Z5轴与第五转动关节的旋转中心重合，X5轴与Z4轴平行设置，Y5轴垂于与水平面设置。
本实施例中，世界坐标系、转动关节坐标系及六维力传感器坐标系均采用笛卡尔坐标系。
本领域技术人员可根据不同机械臂的类型、实际工况建立相应的转动关节坐标系，在此不进行详细叙述。
所述机械臂末端传感器补偿方法包括以下步骤：
步骤1：机械臂末端负载1与外界环境无接触的条件下，机械臂的各个转动关节转动，机械臂末端的负载运动至设定姿态，测量机械臂各个转动关节的转动角度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5，六维力传感器2测量得到三个力分量Fx、Fy、Fz和力矩分量Mx、My、Mz。
步骤2：根据各个转动关节的转动角度利用姿态变换矩阵得到负载重力在六维力传感器坐标系中的方向向量。
具体的，负载重力在六维力传感器坐标系中的方向向量g5的计算方法为：
Figure BDA0002281540650000071
g5x为负载重力方向向量在X5轴分量，g5y为负载重力方向向量在Y5轴分量，g5z为负载重力方向向量在Z5轴分量。
其中，g0为负载重力在世界坐标系O0-X0Y0Z0的方向向量：
Figure BDA0002281540650000081
Figure BDA0002281540650000082
其中：
Figure BDA0002281540650000083
为第五转动关节转动θ5后，六维力传感器坐标系相对于第四转动关节坐标系的姿态变化矩阵，
Figure BDA0002281540650000084
为第四转动关节转动θ4后，第四转动关节坐标系相对于第三转动关节坐标系的姿态变化矩阵，
Figure BDA0002281540650000085
为第三转动关节转动θ3后，第三转动关节坐标系相对于第二转动关节坐标系的姿态变化矩阵，
Figure BDA0002281540650000086
为第二转动关节转动θ2后，第二转动关节坐标系相对于第一转动关节坐标系的姿态变化矩阵，
Figure BDA0002281540650000087
为第一转动关节转动θ1后，第一转动关节坐标系相对于世界坐标系的姿态变化矩阵。
其中：
Figure BDA0002281540650000088
Figure BDA0002281540650000089
Figure BDA00022815406500000810
步骤3：根据步骤2得到的方向向量g5和六维力传感器测量得到的三个力分量Fx、Fy、Fz得到六维力传感器的分别沿X5、Y5及Z5轴三个力分量零点值Fx0、Fy0、Fz0和负载重力值G。
具体的，当机械臂末端负载与外界环境无接触时，六维力传感器测量的力分量的值由负载重力在六维力传感器坐标系下的分别沿X5、Y5及Z5轴的三个分量值G5x、G5y、G5z和力分量零点值Fx0、Fy0、Fz0组成，即：
Figure BDA0002281540650000091
利用最小二乘法公式进行转换得到：
Figure BDA0002281540650000092
其中
Figure BDA0002281540650000093
对公式(3)左乘gT得，
Figure BDA0002281540650000094
根据公式(4)
Figure BDA0002281540650000095
根据公式(5)，得到负载重力G和六维力传感器三个力分量零点值Fx0、Fy0、Fz0。
步骤4：根据步骤2和步骤3得到的方向向量、负载重力值及六维力传感器测量得到的三个力矩分量计算六维力传感器的三个力矩分量零点值和负载重心在六维力传感器坐标系中的坐标值。
具体的，负载重心在六维力传感器坐标系O5-X5Y5Z5的坐标记为[x5 y5 z5]T
在六维力传感器坐标系下，负载的重力和其产生的力矩有如下关系：
Figure BDA0002281540650000101
进行变换后得到：
Figure BDA0002281540650000102
当机械臂末端负载与外界环境无接触时，六维力传感器测量得到的力矩值由负载重力产生的力矩和六维力传感器三个力矩分量零点值组成，即：
Figure BDA0002281540650000103
将公式(7)代入公式(8)中，
得到
Figure BDA0002281540650000104
利用最小二乘法进行转换，得到：
Figure BDA0002281540650000111
其中
Figure BDA0002281540650000112
对公式(10)左乘kT有：
Figure BDA0002281540650000113
根据公式(11)得到：
Figure BDA0002281540650000114
根据公式(12)，求出负载重心在六维力传感器坐标系中的坐标[x5 y5 z5]T及六维力传感器三个力矩分量零点值Mx0、My0、Mz0。
步骤5：根据负载重力在六维力传感器坐标系中的方向向量及步骤3求得的负载重力G得到负载重力在六维坐标传感器坐标系中的三个分量值G5x、G5y、G5z：
Figure BDA0002281540650000121
由公式(7)可得到负载重力在六维力传感器坐标系中产生的力矩：M5x、M5y、M5z。
经过上述步骤1-步骤4，可得到六维力传感器的三个力分量零点值Fx0、Fy0、Fz0、三个力矩分量零点值Mx0、My0、Mz0，负载重力在六维力传感器坐标系下的三个力分量值G5x、G5y、G5z及负载重力在六维力传感器坐标系下产生的三个力矩分量值M5x、M5y、M5z，完成了机械臂末端六维力传感器的补偿。
实施例2：
本实施例公开了一种机械臂末端负载接触力/力矩测量方法：当六维力传感器末端负载与外界环境接触，产生接触力和力矩时，采用所述的机械臂末端传感器补偿方法对六维力传感器的零点误差和负载的重力进行补偿。
具体方法为：利用六维力传感器测量得到的三个力分量值减去对应的六维力传感器三个力分量零点值，得到的差值再减去负载重力在六维力传感器坐标系中的对应力分量值，得到实际的接触力的值，利用六维力传感器测量得到的三个力距分量值减去对应的六维力传感器三个力距分量零点值，得到的差值再减去负载重力在六维力传感器坐标系中的对应的力矩分量值，得到实际的接触力距的值。
计算公式为：
Fx实际＝Fx测量-Fx0-G5x
Fy实际＝Fy测量-Fy0-G5y
Fz实际＝Fz测量-Fz0-G5z
Mx实际＝Mx测量-Mx0-M5x
My实际＝My测量-My0-M5y
My实际＝My测量-My0-M5y
其中，Fx实际、Fy实际、Fz实际为机械臂末端负载受到外界环境的真实接触力的三个力分量值，Fx测量、Fy测量、Fz测量为机械臂末端六维力传感器测量显示得到的三个力分量值，Mx实际、My实际、Mz实际为机械臂末端负载受到外界环境的真实接触力矩的三个力矩分量值，Mx测量、My测量、Mz测量为机械臂末端六维力传感器测量显示得到的三个力矩分量值。
采用本实施例的测量方法，能够有效对负载重力和六维力传感器的零点误差进行补偿，使测量结果更加精确，对于机械臂实现精准柔顺控制与主动作业安全具有十分重要的意义。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.机械臂末端传感器补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：机械臂与外界环境无接触的条件下，机械臂的各个转动关节转动，机械臂末端的负载运动至设定姿态，测量机械臂各个转动关节的转动角度，六维力传感器测量得到三个力分量和力矩分量；
步骤2：根据各个转动关节的转动角度利用姿态变换矩阵得到负载重力在六维力传感器坐标系中的方向向量；
步骤3：根据步骤2得到的方向向量和六维力传感器测量得到的三个力分量得到六维力传感器的三个力分量零点值和负载重力值；
步骤4：根据步骤2和步骤3得到的方向向量、负载重力值及六维力传感器测量得到的三个力矩分量计算六维力传感器的三个力矩分量零点值和负载重心在六维力传感器坐标系中的坐标值；
步骤5：根据负载重力值和步骤4求得坐标值计算负载重力在六维力传感器坐标系下的三个力分量值及三个力矩分量值；
所述步骤4中，六维力传感器的三个力矩分量零点值和负载重心在六维力传感器坐标系中的坐标值的计算方法为：
Figure FDA0002945732960000011
其中，xn、yn、zn为负载重心在六维力传感器坐标系中的三个坐标值，Mx0、My0、Mz0为六维力传感器的三个力矩分量零点值，Mx、My、Mz为六维力传感器在负载与外界环境无接触时测得的三个力矩分量值；
其中，
Figure FDA0002945732960000021
其中，
Figure FDA0002945732960000022
2.如权利要求1所述的机械臂末端传感器补偿方法，其特征在于，所述步骤2中，负载重力在六维力传感器坐标系中的方向向量gn的计算方法为：
Figure FDA0002945732960000023
其中，g0为负载重力在世界坐标系的方向向量：
Figure FDA0002945732960000024
Figure FDA0002945732960000025
其中：
Figure FDA0002945732960000026
表示第n个转动关节处建立的设定的转动关节坐标系相对于第n-1个转动关节处建立的设定的转动关节坐标系的姿态变换矩阵。
3.如权利要求2所述的机械臂末端传感器补偿方法，其特征在于，所述世界坐标系的原点位于机械臂的首端位置，世界坐标系的其中一个坐标轴与水平面垂直，另外两个坐标轴位于水平面上。
4.如权利要求2所述的机械臂末端传感器补偿方法，其特征在于，所述步骤3中，六维力传感器的三个力分量零点值和负载重力值的计算方法为：
Figure FDA0002945732960000031
其中，G为负载重力值，Fx0、Fy0、Fz0为六维力传感器的三个力分量零点值，Fx、Fy、Fz为六维力传感器在负载与外界环境无接触时测得的三个力分量值；
其中，
Figure FDA0002945732960000032
5.如权利要求1所述的机械臂末端传感器补偿方法，其特征在于，所述六维力传感器坐标系及设定的转动关节坐标系均采用笛卡尔坐标系。
6.机械臂末端传感器接触力/力矩测量方法，其特征在于，当负载与外界环境接触，产生接触力和力矩时，采用权利要求1-5任一项所述的机械臂末端传感器补偿方法对六维力传感器的零点误差和负载的重力进行补偿。
7.如权利要求6所述的机械臂末端传感器接触力/力矩测量方法，其特征在于，所述测量方法具体为：利用六维力传感器测量得到的三个力分量值减去对应的六维力传感器三个力分量零点值，得到的差值再减去负载重力在六维力传感器坐标系中的对应力分量值，得到实际的接触力的值，利用六维力传感器测量得到的三个力距分量值减去对应的六维力传感器三个力距分量零点值，得到的差值再减去负载重力在六维力传感器坐标系中的对应的力矩分量值，得到实际的接触力距的值。
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