CN111168717B - 基于工业机器人刚度测量加载装置和关节刚度辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业机器人刚度测量加载装置和关节刚度辨识方法，该装置包括：机器人本体、末端加载系统和变形测量系统；末端加载系统，包括：六维力传感器、机器人端连接法兰、载荷端连接法兰、滑轮组、砝码和挂钩；机器人端连接法兰的两端分别与机器人本体和六维力传感器连接；载荷端连接法兰的两端分别与滑轮组的绳索和六维力传感器连接；滑轮组上挂有砝码，实现对机器人本体末端的加载，所施加载荷通过六维力传感器读出；变形测量系统，包括：激光跟踪仪和三个激光靶球；其中，三个激光靶球通过靶标座安装在载荷端连接法兰上；激光跟踪仪用于对安装在载荷端连接法兰上的三个激光靶球进行跟踪测量。本发明操作简单，测量精度高，具有较好的通用性。

Description

基于工业机器人刚度测量加载装置和关节刚度辨识方法

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，尤其涉及一种基于工业机器人刚度测量加载装置和关节刚度辨识方法。

背景技术

随着航空航天领域对大型结构件及其外部设备安装支架的加工需求不断增加，而传统数控加工设备因行程有限不能满足加工需求，因此基于移动机器人的原位制造加工模式可为此加工需求提出新思路。工业机器人与数控机床设备相比，具有绝对定位精度较低的劣势，影响加工表面质量，其原因在于机器人本体刚性不足导致末端变形，主要可表现为：机器人关节处减速器受力后发生弹性形变；机器人臂杆过长受力发生的形变。相比而言，机器人关节处的弱刚性是影响机器人定位精度的主要因素。

机器人关节刚度辨识方法主要分为静刚度辨识和动刚度辨识。静刚度辨识是将机器人末端施加静态载荷，测量所施加载荷及变形量，通过相应算法计算求得各关节静刚度；动刚度辨识是通过施加激振力并测量机器人末端的振动信号来求得机器人动刚度。动刚度测量对环境要求较高，易受环境噪声干扰。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于工业机器人刚度测量加载装置和关节刚度辨识方法，操作简单，具有较好的通用性；使用激光测量变形量，可提高所测机器人关节刚度精度。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于工业机器人刚度测量加载装置，包括：机器人本体、末端加载系统和变形测量系统；

末端加载系统，包括：六维力传感器、机器人端连接法兰、载荷端连接法兰、滑轮组、砝码和挂钩；其中，机器人端连接法兰的一端与机器人本体连接，另一端安装在六维力传感器的一端；载荷端连接法兰的一端通过挂钩与滑轮组的绳索相连连接，另一端安装在六维力传感器的另一端；滑轮组上挂有砝码，实现对机器人本体末端的加载，所施加载荷通过六维力传感器读出；

变形测量系统，包括：激光跟踪仪和三个激光靶球；其中，三个激光靶球通过靶标座安装在载荷端连接法兰上；激光跟踪仪用于对安装在载荷端连接法兰上的三个激光靶球进行跟踪测量。

本发明还公开了一种基于工业机器人刚度测量加载装置的关节刚度辨识方法，包括：

获取施加外载荷后的机器人第六轴末端法兰中心处的变形量ΔX和力向量ΔF；

调用关节刚度辨识模型：

ΔX＝J·K_θ ^-1·J^T·ΔF

其中，J表示机器人特定位姿处的运动学雅可比矩阵，K_θ表示机器人各关节的刚度；

将ΔX和ΔF代入关节刚度辨识模型进行求解，得到一次测量的机器人各关节的刚度；

进行多次测量，得到多次测量的机器人各关节的刚度；

将多次测量的机器人各关节的刚度的平均值作为最终的关节刚度输出。

在上述基于工业机器人刚度测量加载装置的关节刚度辨识方法中，还包括：

将末端加载系统与机器人本体连接；

在载荷端连接法兰的端面上粘贴三个靶标座；

将三个激光靶球通过所述三个靶标座安装在载荷端连接法兰上；

通过变形测量系统对施加外载荷前后的三个激光靶球的位置进行测量，并根据测量结果建立坐标系{1}和坐标系{2}；

以坐标系{1}为基准坐标系，求得坐标系{2}相对坐标系{1}的位置关系，根据所述位置关系确定载荷端连接法兰施加外载荷后的变形量ΔX′；

通过六维力传感器对施加的外载荷进行测量，得到外载荷力向量ΔF′；

通过零部件的几何特征，将变形量ΔX′转换为机器人第六轴末端法兰中心处的变形量ΔX，将外载荷力向量ΔF′转换为机器人第六轴末端法兰中心处的力向量ΔF。

在上述基于工业机器人刚度测量加载装置的关节刚度辨识方法中，

末端加载系统，包括：六维力传感器、机器人端连接法兰、载荷端连接法兰、滑轮组、砝码和挂钩；其中，机器人端连接法兰的一端与机器人本体连接，另一端安装在六维力传感器的一端；载荷端连接法兰的一端通过挂钩与滑轮组的绳索相连连接，另一端安装在六维力传感器的另一端；滑轮组上挂有砝码，实现对机器人本体末端的加载，所施加载荷通过六维力传感器读出；

变形测量系统，包括：激光跟踪仪和三个激光靶球；其中，三个激光靶球通过靶标座安装在载荷端连接法兰上；激光跟踪仪用于对安装在载荷端连接法兰上的三个激光靶球进行跟踪测量。

在上述基于工业机器人刚度测量加载装置的关节刚度辨识方法中，通过变形测量系统对施加外载荷前后的三个激光靶球的位置进行测量，并根据测量结果建立坐标系{1}和坐标系{2}，包括：

在未挂载砝码时，通过激光跟踪仪对三个激光靶球进行位置测量，得到a点、b点和c点，并根据a点、b点和c点建立坐标系{1}；其中，坐标系{1}以机器人末端法兰中心点O为原心、以a点和b点连线所在方向为x轴，以a点、b点和c点所在平面的法向为z轴；

挂载砝码，通过激光跟踪仪对三个激光靶球进行位置测量，得到a′点、b′点和c′点，并根据a′点、b′点和c′点建立坐标系{2}；其中，坐标系{2}以机器人末端法兰中心点O为原心、以a′点和b′点连线所在方向为x轴，以a′点、b′点和c′点所在平面的法向为z轴。

在上述基于工业机器人刚度测量加载装置的关节刚度辨识方法中，还包括：

更换施加的外载荷；其中，更换的外载荷为已知量，记作ΔF₀；

获取更换施加的外载荷之后的机器人第六轴末端法兰中心处的变形量ΔX₀；

将最终的关节刚度、变形量ΔX₀反代入关节刚度辨识模型，求解得到更换的外载荷的理论值；

将所述求解得到的更换的外载荷的理论值与ΔF₀进行比较，以验证求得的所述最终的关节刚度是否正确。

在上述基于工业机器人刚度测量加载装置的关节刚度辨识方法中，

ΔX′＝[Δx′ Δy′ Δz′ Δa′ Δb′ Δc′]^T

ΔX＝[Δx Δy Δz Δa Δb Δc]^T

其中，Δx′、Δy′和Δz′分别表示施加外载荷前后载荷端连接法兰的线位移偏移量在坐标系{2}下的三个方向的分量，Δa′、Δb′和Δc′分别表示施加外载荷前后载荷端连接法兰的角位移偏移量在坐标系{2}下的三个方向的分量；Δx、Δy和Δz分别表示施加外载荷前后载荷端连接法兰的线位移偏移量在机器人第六轴末端坐标系下的三个方向的分量，Δa、Δb和Δc分别表示施加外载荷前后载荷端连接法兰的角位移偏移量在机器人第六轴末端坐标系下的三个方向的分量。

在上述基于工业机器人刚度测量加载装置的关节刚度辨识方法中，

ΔF′＝[Δf_x′ Δf_y′ Δf_z′ Δm_x′ Δm_y′ Δm_z′]^T

ΔF＝[Δf_x Δf_y Δf_z Δm_x Δm_y Δm_z]^T

其中，Δf_x′、Δf_y′和Δf_z′分别表示施加的外载荷的力在坐标系{2}下的三个方向的分量，Δm_x′、Δm_y′和Δm_z′分别表示施加的外载荷的力矩在坐标系{2}下的三个方向的分量；Δf_x、Δf_y和Δf_z分别表示施加的外载荷的力在机器人第六轴末端坐标系下的三个方向的分量，Δm_x、Δm_y和Δm_z分别表示施加的外载荷的力矩在机器人第六轴末端坐标系下的三个方向的分量。

本发明具有以下优点：

本发明采用六维力传感器与滑轮组将结合的形式构成末端加载系统，与一般单滑轮组与砝码组合的形式相比，所采集的末端载荷具有较高的精度，且操作简便，增减砝码并改变滑轮组位置即可改变施加载荷的大小和方向。

本发明通过激光跟踪仪测量末端坐标系姿态变化来获取末端变形量，未忽略角位移，测量效率高、测量精度高，操作简单，可适用于不同型号机器人的刚度测量。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于工业机器人刚度测量加载装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种基于工业机器人刚度测量加载装置的关节刚度辨识方法的步骤流程图；

图3是本发明实施例中一种激光靶球的安装示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1，在本实施例中，该基于工业机器人刚度测量加载装置，包括：机器人本体9、末端加载系统和变形测量系统。其中，末端加载系统，包括：六维力传感器1、机器人端连接法兰2、载荷端连接法兰3、滑轮组4、砝码5和挂钩8；其中，机器人端连接法兰2的一端与机器人本体9连接，另一端安装在六维力传感器1的一端；载荷端连接法兰3的一端通过挂钩8与滑轮组4的绳索连接，另一端安装在六维力传感器1的另一端；滑轮组4上挂有砝码5，实现对机器人本体9末端的加载，所施加载荷通过六维力传感器1读出。变形测量系统，包括：激光跟踪仪6和三个激光靶球7；其中，三个激光靶球7通过靶标座安装在载荷端连接法兰3上；激光跟踪仪6用于对安装在载荷端连接法兰3上的三个激光靶球7进行跟踪测量。

如图2，在本实施例中，还公开一种基于工业机器人刚度测量加载装置的关节刚度辨识方法，具体包括：

步骤101，获取施加外载荷后的机器人第六轴末端法兰中心处的变形量ΔX和力向量ΔF。

在本实施例中，可以通过如下方式获取变形量ΔX和力向量ΔF：

1.1)将末端加载系统与机器人本体连接。

1.2)在载荷端连接法兰的端面上粘贴三个靶标座。

1.3)将三个激光靶球通过所述三个靶标座安装在载荷端连接法兰上，如图3所示。

1.4)通过变形测量系统对施加外载荷前后的三个激光靶球的位置进行测量，并根据测量结果建立坐标系{1}和坐标系{2}。

在本实施例中，在未挂载砝码时，通过激光跟踪仪对三个激光靶球进行位置测量，得到a点、b点和c点，并根据a点、b点和c点建立坐标系{1}；其中，坐标系{1}以机器人末端法兰中心点O为原心、以a点和b点连线所在方向为x轴，以a点、b点和c点所在平面的法向为z轴。挂载砝码，通过激光跟踪仪对三个激光靶球进行位置测量，得到a′点、b′点和c′点，并根据a′点、b′点和c′点建立坐标系{2}；其中，坐标系{2}以机器人末端法兰中心点O为原心、以a′点和b′点连线所在方向为x轴，以a′点、b′点和c′点所在平面的法向为z轴。

1.5)以坐标系{1}为基准坐标系，求得坐标系{2}相对坐标系{1}的位置关系，根据所述位置关系确定载荷端连接法兰施加外载荷后的变形量ΔX′。

1.6)通过六维力传感器对施加的外载荷进行测量，得到外载荷力向量ΔF′。

1.7)通过零部件的几何特征，将变形量ΔX′转换为机器人第六轴末端法兰中心处的变形量ΔX，将外载荷力向量ΔF′转换为机器人第六轴末端法兰中心处的力向量ΔF。

在本实施例中，有

ΔX′＝[Δx′ Δy′ Δz′ Δa′ Δb′ Δc′]^T

ΔX＝[Δx Δy Δz Δa Δb Δc]^T

ΔF′＝[Δf_x′ Δf_y′ Δf_z′ Δm_x′ Δm_y′ Δm_z′]^T

ΔF＝[Δf_x Δf_y Δf_z Δm_x Δm_y Δm_z]^T

其中，Δx′、Δy′和Δz′分别表示施加外载荷前后载荷端连接法兰的线位移偏移量在坐标系{2}下的三个方向的分量，Δa′、Δb′和Δc′分别表示施加外载荷前后载荷端连接法兰的角位移偏移量在坐标系{2}下的三个方向的分量；Δx、Δy和Δz分别表示施加外载荷前后载荷端连接法兰的线位移偏移量在机器人第六轴末端坐标系下的三个方向的分量，Δa、Δb和Δc分别表示施加外载荷前后载荷端连接法兰的角位移偏移量在机器人第六轴末端坐标系下的三个方向的分量；Δf_x′、Δf_y′和Δf_z′分别表示施加的外载荷的力在坐标系{2}下的三个方向的分量，Δm_x′、Δm_y′和Δm_z′分别表示施加的外载荷的力矩在坐标系{2}下的三个方向的分量；Δf_x、Δf_y和Δf_z分别表示施加的外载荷的力在机器人第六轴末端坐标系下的三个方向的分量，Δm_x、Δm_y和Δm_z分别表示施加的外载荷的力矩在机器人第六轴末端坐标系下的三个方向的分量。

步骤102，调用关节刚度辨识模型。

在本实施例中，将弹性胡克定律推及到串联机器人各关节上，有：

ΔF_θ＝K_θ·Δθ···(1)

其中，ΔF_θ表示机器人在施加外载后各关节说受的关节力，Δθ表示机器人在施加外载后各关节转角的变化量，K_θ表示机器人各关节的刚度。

根据机器人运动学理论，有：

ΔX＝J·Δθ···(2)

其中，J表示机器人特定位姿处的运动学雅可比矩阵。

根据虚功原理，有：

ΔF＝J^T·ΔF_θ···(3)

联立上述式(1)～(3)，可得关节刚度辨识模型：

ΔX＝J·K_θ ^-1·J^T·ΔF

步骤103，将ΔX和ΔF代入关节刚度辨识模型进行求解，得到一次测量的机器人各关节的刚度。

步骤104，进行多次测量，得到多次测量的机器人各关节的刚度。

步骤105，将多次测量的机器人各关节的刚度的平均值作为最终的关节刚度输出。

在本实施例中，可对步骤105求解得到的最终的关节刚度进行验证：更换施加的外载荷(更换的外载荷为已知量，记作ΔF₀)；获取更换施加的外载荷之后的机器人第六轴末端法兰中心处的变形量ΔX₀；将最终的关节刚度、变形量ΔX₀反代入关节刚度辨识模型，求解得到更换的外载荷的理论值；将所述求解得到的更换的外载荷的理论值与ΔF₀进行比较，以验证求得的所述最终的关节刚度是否正确。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于工业机器人刚度测量加载装置的关节刚度辨识方法，其特征在于，包括：

将末端加载系统与机器人本体(9)连接；其中，末端加载系统，包括：六维力传感器(1)、机器人端连接法兰(2)、载荷端连接法兰(3)、滑轮组(4)、砝码(5)和挂钩(8)；机器人端连接法兰(2)的一端与机器人本体(9)连接，另一端安装在六维力传感器(1)的一端；载荷端连接法兰(3)的一端通过挂钩(8)与滑轮组(4)的绳索连接，另一端安装在六维力传感器(1)的另一端；滑轮组(4)上挂有砝码(5)，实现对机器人本体(9)末端的加载，所施加载荷通过六维力传感器(1)读出；

在载荷端连接法兰(3)的端面上粘贴三个靶标座；将三个激光靶球(7)通过所述三个靶标座安装在载荷端连接法兰(3)上；

通过变形测量系统对施加外载荷前后的三个激光靶球(7)的位置进行测量，并根据测量结果建立坐标系{1}和坐标系{2}；以坐标系{1}为基准坐标系，求得坐标系{2}相对坐标系{1}的位置关系，根据所述位置关系确定载荷端连接法兰(3)施加外载荷后的变形量ΔX′；其中，变形测量系统，包括：激光跟踪仪(6)和三个激光靶球(7)；其中，三个激光靶球(7)通过靶标座安装在载荷端连接法兰(3)上；激光跟踪仪(6)用于对安装在载荷端连接法兰(3)上的三个激光靶球(7)进行跟踪测量；所述通过变形测量系统对施加外载荷前后的三个激光靶球(7)的位置进行测量，并根据测量结果建立坐标系{1}和坐标系{2}，包括：在未挂载砝码(5)时，通过激光跟踪仪(6)对三个激光靶球进行位置测量，得到a点、b点和c点，并根据a点、b点和c点建立坐标系{1}；其中，坐标系{1}以机器人末端法兰中心点O为原心、以a点和b点连线所在方向为x轴，以a点、b点和c点所在平面的法向为z轴；挂载砝码(5)，通过激光跟踪仪(6)对三个激光靶球进行位置测量，得到a′点、b′点和c′点，并根据a′点、b′点和c′点建立坐标系{2}；其中，坐标系{2}以机器人末端法兰中心点O为原心、以a′点和b′点连线所在方向为x轴，以a′点、b′点和c′点所在平面的法向为z轴；

通过六维力传感器(1)对施加的外载荷进行测量，得到外载荷力向量ΔF′；

通过零部件的几何特征，将变形量ΔX′转换为机器人第六轴末端法兰中心处的变形量ΔX，将外载荷力向量ΔF′转换为机器人第六轴末端法兰中心处的力向量ΔF：

ΔX′＝[Δx′ Δy′ Δz′ Δa′ Δb′ Δc′]^T

ΔX＝[Δx Δy Δz Δa Δb Δc]^T

ΔF′＝[Δf_x′ Δf_y′ Δf_z′ Δm_x′ Δm_y′ Δm_z′]^T

ΔF＝[Δf_x Δf_y Δf_z Δm_x Δm_y Δm_z]^T

其中，Δx′、Δy′和Δz′分别表示施加外载荷前后载荷端连接法兰(3)的线位移偏移量在坐标系{2}下的三个方向的分量，Δa′、Δb′和Δc′分别表示施加外载荷前后载荷端连接法兰(3)的角位移偏移量在坐标系{2}下的三个方向的分量；Δx、Δy和Δz分别表示施加外载荷前后载荷端连接法兰(3)的线位移偏移量在机器人第六轴末端坐标系下的三个方向的分量，Δa、Δb和Δc分别表示施加外载荷前后载荷端连接法兰(3)的角位移偏移量在机器人第六轴末端坐标系下的三个方向的分量；Δf_x′、Δf_y′和Δf_z′分别表示施加的外载荷的力在坐标系{2}下的三个方向的分量，Δm_x′、Δm_y′和Δm_z′分别表示施加的外载荷的力矩在坐标系{2}下的三个方向的分量；Δf_x、Δf_y和Δf_z分别表示施加的外载荷的力在机器人第六轴末端坐标系下的三个方向的分量，Δm_x、Δm_y和Δm_z分别表示施加的外载荷的力矩在机器人第六轴末端坐标系下的三个方向的分量；

调用关节刚度辨识模型：

ΔX＝J·K_θ ^-1·J^T·ΔF

其中，J表示机器人特定位姿处的运动学雅可比矩阵，K_θ表示机器人各关节的刚度；

将ΔX和ΔF代入关节刚度辨识模型进行求解，得到一次测量的机器人各关节的刚度；

进行多次测量，得到多次测量的机器人各关节的刚度；

将多次测量的机器人各关节的刚度的平均值作为最终的关节刚度输出；

更换施加的外载荷；其中，更换的外载荷为已知量，记作ΔF₀；

获取更换施加的外载荷之后的机器人第六轴末端法兰中心处的变形量ΔX₀；

将最终的关节刚度、变形量ΔX₀反代入关节刚度辨识模型，求解得到更换的外载荷的理论值；

将所述求解得到的更换的外载荷的理论值与ΔF₀进行比较，以验证求得的所述最终的关节刚度是否正确。

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