CN111300406B - 基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿系统和方法。机器人互联接口、测量互联接口分别和机器人控制器、测量底层接口通信连接，机器人互联接口和测量互联接口均连接到轨迹偏差计算模块的输入端，轨迹偏差计算模块的输出端分别连接参数辨识模块和精度评价模块，参数辨识模块的输出端经补偿控制模块连接到机器人互联接口，轨迹控制模块连接到机器人互联接口；方法建立工业机器人的运动轨迹偏差模型，然后利用测量设备测得的机器人轨迹数据进行模型参数辨识，最后将辨识出的误差数据用于机器人运动学模型参数补偿。本发明从运动学分析的角度对工业机器人运动轨迹偏差进行补偿，提高机器人的运动轨迹精度，成本低且易于实现。

Description

基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿系统和方法
技术领域
本发明涉及了机器人技术领域的一种运动控制系统和方法，尤其是涉及一种基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿系统和方法，通过对运动学模型的参数误差进行补偿来提高运动轨迹精度。
背景技术
工业机器人轨迹精度是评价机器人性能的重要技术指标。目前工业应用中机器人一般具有较高的重复性定位精度，但随着工业生产自动化程度提高和精密制造精度要求的提高，除了要求机器人具有较高的定位精度外，对于其运动轨迹精度的要求也越来越高，如在精密激光切割、精密激光焊接和先进制造与装备等应用领域。目前国内外开展的关于机器人精度提高的方法和技术研究多采用基于空间位置点的标定方法来实现，对于特定运动轨迹精度提高的系统和方法相对较少，难以满足精密制造与装配领域对工业机器人应用中高运动轨迹精度的需求。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿方法。
本发明所采用的技术方案为：
一、一种基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿系统：
具体实施的工业机器人轨迹精度补偿系统如图1所示，包括轨迹修正补偿系统、测量设备和工业机器人，三者通过互联，构建闭环的轨迹偏差修正补偿系统，对工业机器人进行标定；测量设备具有与外部通信的测量底层接口，工业机器人包括相连接的机器人本体和与外部通信且接口开放的机器人控制器，轨迹修正补偿系统包括轨迹控制模块、机器人互联接口、测量互联接口、轨迹偏差计算模块、参数辨识模块、补偿控制模块和精度评价模块；机器人互联接口、测量互联接口分别和机器人控制器、测量底层接口通信连接，机器人互联接口和测量互联接口均连接到轨迹偏差计算模块的输入端，轨迹偏差计算模块的输出端分别连接参数辨识模块和精度评价模块，参数辨识模块的输出端经补偿控制模块连接到机器人互联接口，同时轨迹控制模块单独连接到机器人互联接口。
所述的轨迹修正补偿系统通过测量互联接口与测量设备的测量底层接口通信控制，轨迹修正补偿系统通过测量互联接口发送命令控制测量设备的工作，轨迹偏差计算模块通过测量互联接口获取测量设备测得的实际运动轨迹数据；轨迹修正补偿系统通过机器人互联接口与待修正补偿机器人本体的机器人控制器通信控制，轨迹控制模块通过机器人互联接口向机器人控制器发送规划的机器人本体运动轨迹数据，由机器人控制器控制机器人本体沿着规划的轨迹运动，同时测量设备动态跟踪并实时测量工业机器人的运动轨迹；轨迹偏差计算模块通过机器人互联接口获取待修正补偿机器人本体的机器人控制器当前实际控制中的规划运动轨迹数据。
所述的轨迹偏差计算模块结合当前实际控制中的规划运动轨迹数据和测量设备测得的实际运动轨迹数据进行处理获得轨迹偏差数据并发送到精度评价模块。
所述的测量设备动态跟踪工业机器人的运动，并实时测量工业机器人的机器人本体末端的运动轨迹，并且测量设备具有与轨迹修正补偿系统中的测量互联接口进行通信的开放测量底层接口，利用测量底层接口通过编程控制测量设备开始测量、停止测量和进行测量模式选择。
所述的工业机器人为机械臂类的用于激光焊接或切割的生产线机器人。
二、一种基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿方法：
开始时，轨迹修正补偿系统中的轨迹控制模块通过机器人互联接口向工业机器人的机器人控制器发送控制命令，控制机器人本体沿着规划的轨迹运动；
在测量设备处于工作状态时，测量设备动态采集工业机器人的实际运动轨迹数据，并将轨迹数据通过测量底层接口、测量互联接口实时发送给轨迹修正补偿系统的轨迹偏差计算模块，同时工业机器人的机器人控制器通过机器人互联接口向轨迹偏差计算模块实时发送当前实际控制中的规划运动轨迹数据；
轨迹偏差计算模块接收到工业机器人的当前实际控制中的规划运动轨迹数据和实际运动轨迹数据进行分析处理得到轨迹偏差数据，然后经运动学模型参数辨识模块处理后辨识出模型参数误差，再通过补偿控制模块将模型参数误差经机器人互联接口补偿到工业机器人的机器人控制器中，利用实际辨识出的运动学模型参数替换存在参数误差的原运动学模型参数，完成工业机器人的运动学模型参数标定。从而可使得机器人控制器控制机器人本体沿着规划运动轨迹数据实现更加准确的轨迹运动。
所述的精度评价模块利用轨迹偏差计算模块计算出的轨迹偏差数据，分析获得被标定的工业机器人的运动轨迹精度，并判断补偿后的工业机器人的运动轨迹精度是否达到预设精度要求：如果达到预设精度要求，则停止标定，控制轨迹偏差计算模块停止工作；如果未达到预设精度要求，则继续进行标定过程。
所述轨迹偏差计算模块中的分析处理具体为：
工业机器人的模型参数误差会导致实际运动轨迹偏离理论运动轨迹，如图2 所示，其中点线所示曲线为理论运动轨迹，实线所示曲线为实际运动轨迹。
1)工业机器人末端的轨迹偏差ΔS计算为：
ΔS＝F(a+δa,d+δd,α+δα,θ+δθ)-F(a,d,α,θ)
其中，F()表示工业机器人末端的运动轨迹运动学模型参数函数，a为工业机器人的机器人本体中相邻关节间的连杆长度，d为工业机器人的机器人本体中相邻关节间的关节偏距，α为工业机器人的机器人本体中相邻关节间的连杆扭角，θ为工业机器人的机器人本体中相邻关节间的关节转角，δa、δd、δα、δθ分别为对应于连杆长度a，关节偏距d，连杆扭角α，关节转角θ的误差值；
2)同时工业机器人末端所需位置与实际位置之间的距离偏差为：
Figure RE-GDA0002469380700000031
其中，
Figure RE-GDA0002469380700000032
表示距离偏差，E()为期望值函数，Jim为测量设备实时采集工业机器人实际运动轨迹数据时的第i个采样点的雅可比矩阵；Δδ为工业机器人的运动学模型参数误差，T表示矩阵转置；
3)机器人运动学模型参数误差Δδ的无偏估计量为Δδ'，即E(Δδ)＝Δδ'，运动学模型参数误差的协方差矩阵为：
Figure RE-GDA0002469380700000033
其中，i＝1,2,3…m，m为测量设备实时采集工业机器人实际运动轨迹数据时的采样点的总个数，i为测量设备实时采集工业机器人实际运动轨迹数据时的采样点的序数，Jim为测量设备实时采集工业机器人实际运动轨迹数据时的第i 个采样点的雅可比矩阵；cov()表示模型参数误差的协方差；
4)将运动学模型参数误差的协方差矩阵代入工业机器人末端所需位置与实际位置之间距离公式得：
Figure RE-GDA0002469380700000034
其中，tr表示矩阵迹函数，J0m为初始时刻测量设备采集工业机器人实际运动轨迹数据时的采样点的雅可比矩阵；
5)使用运动轨迹中m个测量点距离偏差的均值作为轨迹偏差ΔS，建立以下工业机器人轨迹偏差模型：
Figure RE-GDA0002469380700000041
其中，Jδ为轨迹偏差辨识的雅可比矩阵，δn为所需辨识的机器人运动学参数，机器人运动学参数误差δn包括工业机器人中第n个关节的连杆长度an、连杆扭角αn、关节转角θn与关节偏距dn；
6)以所需位置点与实际位置点的最大轨迹偏差为最小建立以下目标函数：
Figure RE-GDA0002469380700000042
其中，Kmin为最大轨迹偏差的最小值；
7)利用轨迹偏差数据，通过模型参数辨识模块中的改进最小二乘辨识算法对目标函数进行迭代求解，迭代终止条件为：Kmin达到最小且保持恒定不变；当迭代条件满足时，以最终获得的包含机器人每个关节相邻关节间的连杆长度 a、相邻关节间的关节偏距d、相邻关节间的连杆扭角α和相邻关节间的关节转角θ的机器人最优运动学模型参数作为辨识出的工业机器人的实际运动学模型参数；
8)然后将辨识出的工业机器人的实际运动学模型参数，通过补偿控制模块、机器人互联接口发送到机器人控制器中，替换机器人控制器中原来存在误差的运动学模型参数，完成机器人运动学参数误差的补偿。
本发明方法，建立工业机器人运动轨迹偏差模型，通过对规划的实际运动轨迹偏差的测量，轨迹偏差计算，利用测量设备测得的机器人轨迹数据进行模型参数辨识，辨识出能提高运动轨迹精度的实际运动学模型参数，最后将辨识出的误差数据用于机器人运动学模型参数补偿中，通过模型参数误差的补偿提高运动轨迹精度，达到提高工业机器人运动精度的目的。
本发明可为精密加工与制造等领域提供高精度运动轨迹修正补偿方法和技术，助力提高工业生产中加工与制造的精度。
本发明具有的有益效果是：
1)本发明针对工业机器人运动轨迹精度不高的技术问题，建立运动轨迹偏差模型，从运动学分析的角度对工业机器人运动学模型参数误差进行补偿，实现对运动轨迹偏差的修正，提高工业机器人的运动轨迹精度。
2)本发明通过软件补偿的方式来解决工业机器人在使用过程中因零部件磨损等导致的精度下降的问题，实用价值高且成本低。
3)本发明可为工业机器人校准和标定应用领域提供快速有效的轨迹偏差修正补偿解决方案和技术参考。
附图说明
图1是机器人轨迹偏差修正补偿系统框图。
图2是模型参数误差对运动轨迹影响示意图。
图3是实施例规划出的直线和圆弧运动轨迹仿真结果图。
图中：1、轨迹修正补偿系统，2、测量设备，3、工业机器人，4、轨迹控制模块，5、机器人互联接口，6、机器人控制器，7、机器人本体，8、测量底层接口，9、测量互联接口，10、轨迹偏差计算模块，11、参数辨识模块，12、补偿控制模块，13、精度评价模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明加以详细说明。
按照本发明发明内容完整方法实施的实施例具体如下：
本实施例中，测量设备2为激光跟踪仪，具体为精密工程公司的 RADIAN-API跟踪仪，采用激光干涉测量实现轨迹数据的测量，其线性测量范围为40m，角度分辨率为0.018as，系统分辨率为1μm，最大跟踪速度为6m/s。进行轨迹修正补偿实验的工业机器人6采用的是杭州新松的SR4C型六自由度机器人，负载为4kg，重复定位精度为±0.03mm，该机器人具有开放接口的机器人控制器6，控制器采用的是基于开源的RT-Linux设计实现，将来自轨迹控制模块4的轨迹数据进行解码，通过编程可控制机器人本体7按照规划的轨迹运动。
运动轨迹修正补偿系统在建立的运动轨迹偏差模型基础上实现轨迹偏差修正补偿，主要步骤如下：
(1)建立SR4C型工业机器人3的六个连杆的坐标系，结合工业机器人本体7具体连杆尺寸，进行机器人D-H建模，并确定其具体的模型参数，如下表所示。
Figure RE-GDA0002469380700000051
(2)在机器人末端位置误差模型的基础上，利用对轨迹实时动态采样的所有轨迹点的距离偏差均值作为机器人轨迹偏差，构建机器人运动轨迹偏差模型，工业机器人3轨迹偏差模型为：
Figure RE-GDA0002469380700000061
(3)轨迹修正补偿系统1利用轨迹控制模块4对SR4C机器人的运动轨迹进行规划，包括直线轨迹和圆弧轨迹。用于控制机器人运动的运动轨迹规划数据通过Matlab进行仿真分析和验证。根据实际机器人轨迹规划的路径点对规划的直线与圆弧轨迹在Matlab中进行仿真。实验中的直线轨迹规划点为C1(500， 100，675)与C2(300，-100，475)，圆形轨迹规划点为LGC1(400，80，575)， LGC2(456.568，0，631.568)与LGC3(400，-80，575)，规划出的直线和圆弧运动轨迹仿真结果如图3所示。将经仿真验证过的轨迹规划数据发送给机器人控制器6，控制机器人本体7沿着规划的运动轨迹运动。同时RADIAN-API跟踪仪实时采集工业机器人本体7末端运动轨迹数据。
(4)RADIAN-API跟踪仪将测得的工业机器人末端实际运动轨迹数据通过测量底层接口8发送至轨迹修正补偿系统的轨迹偏差计算模块10，经轨迹偏差计算模块10进行轨迹偏差计算和评定后获得轨迹偏差数据送至参数辨识模块11。参数辨识模块采用最小二乘法进行轨迹路径点的优化辨识，并以运动轨迹路径点上的最大距离偏差作为优化目标条件，经参数辨识模块11辨识出工业机器人 3的实际运动模型参数，其中辨识取优的一组实际模型参数如下表所示。
Figure RE-GDA0002469380700000062
(5)将参数辨识模块11中得到的工业机器人3的实际模型参数通过轨迹补偿控制模块12，经机器人互联接口5发送至机器人控制器6，替换机器人控制器6原来的运动学模型参数，完成运动学参数误差的补偿。
具体实施例中，选择典型的直线和圆弧运动作为机器人轨迹偏差修正补偿的实验测试轨迹，直线与圆弧轨迹补偿实验的实验结果如下表所示：
Figure RE-GDA0002469380700000063
如上表所示实验结果表明：在SR4C工业机器人3工作空间内，机器人直线轨迹偏差由补偿前的1.6mm减小至补偿后的0.98mm；圆弧运动轨迹偏差由补偿前的3.2mm减小至补偿后2.4mm。从而验证了本发明的基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿方法的可行性和有效性。
由此，本发明从运动学分析的角度对工业机器人运动轨迹偏差进行补偿，提高机器人的运动轨迹精度，成本低且易于实现。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿方法，其特征在于：采用工业机器人轨迹精度补偿系统，包括轨迹修正补偿系统(1)、测量设备(2)和工业机器人(3)；
测量设备(2)具有与外部通信的测量底层接口(8)，工业机器人(3)包括相连接的机器人本体(7)和机器人控制器(6)，轨迹修正补偿系统(1)包括轨迹控制模块(4)、机器人互联接口(5)、测量互联接口(9)、轨迹偏差计算模块(10)、参数辨识模块(11)、补偿控制模块(12)和精度评价模块(13)；
机器人互联接口(5)、测量互联接口(9)分别和机器人控制器(6)、测量底层接口(8)通信连接，机器人互联接口(5)和测量互联接口(9)均连接到轨迹偏差计算模块(10)的输入端，轨迹偏差计算模块(10)的输出端分别连接参数辨识模块(11)和精度评价模块(13)，参数辨识模块(11)的输出端经补偿控制模块(12)连接到机器人互联接口(5)，同时轨迹控制模块(4)单独连接到机器人互联接口(5)；
所述的轨迹修正补偿系统(1)通过测量互联接口(9)与测量设备(2)的测量底层接口(8)通信控制，轨迹修正补偿系统(1)通过测量互联接口(9)发送命令控制测量设备(2)的工作，轨迹偏差计算模块(10)通过测量互联接口(9)获取测量设备(2)测得的实际运动轨迹数据；轨迹修正补偿系统(1)通过机器人互联接口(5)与待修正补偿机器人本体(7)的机器人控制器(6)通信控制，轨迹控制模块(4)通过机器人互联接口(5)向机器人控制器(6)发送机器人本体(7)运动轨迹数据，由机器人控制器(6)控制机器人本体(7)沿着规划的轨迹运动，同时测量设备(2)动态跟踪并实时测量工业机器人(3)的运动轨迹；轨迹偏差计算模块(10)通过机器人互联接口(5)获取待修正补偿机器人本体(7)的机器人控制器(6)当前实际控制中的规划运动轨迹数据；
所述的轨迹偏差计算模块(10)结合当前实际控制中的规划运动轨迹数据和测量设备(2)测得的实际运动轨迹数据进行处理获得轨迹偏差数据并发送到精度评价模块(13)；
方法步骤包括：
开始时，轨迹修正补偿系统(1)中的轨迹控制模块(4)通过机器人互联接口(5)向工业机器人(3)的机器人控制器(6)发送控制命令，控制机器人本体(7)沿着规划的轨迹运动；
在测量设备(2)处于工作状态时，测量设备(2)动态采集工业机器人(3)的实际运动轨迹数据，并将轨迹数据通过测量底层接口(8)、测量互联接口(9)实时发送给轨迹修正补偿系统(1)的轨迹偏差计算模块(10)，同时的机器人控制器(6)通过机器人互联接口(5)向轨迹偏差计算模块(10)实时发送当前实际控制中的规划运动轨迹数据；
轨迹偏差计算模块(10)接收到工业机器人(3)的当前实际控制中的规划运动轨迹数据和实际运动轨迹数据进行分析处理得到轨迹偏差数据，然后经运动学模型参数辨识模块(11)处理后辨识出模型参数误差，再通过补偿控制模块(12)将模型参数误差经机器人互联接口(5)补偿到工业机器人(3)的机器人控制器(6)中，使得机器人控制器(6)控制机器人本体(7)沿着规划运动轨迹数据的轨迹运动；
所述轨迹偏差计算模块(10)中的分析处理具体为：
1)工业机器人(3)末端的轨迹偏差ΔS计算为：
ΔS＝F(a+δa,d+δd,α+δα,θ+δθ)-F(a,d,a,θ)
其中，F()表示工业机器人(3)末端的运动轨迹运动学模型参数函数，a为工业机器人(3)的机器人本体(7)中相邻关节间的连杆长度，d为工业机器人(3)的机器人本体(7)中相邻关节间的关节偏距，α为工业机器人(3)的机器人本体(7)中相邻关节间的连杆扭角，θ为工业机器人(3)的机器人本体(7)中相邻关节间的关节转角，δa、δd、δα、δθ分别为对应于连杆长度a，关节偏距d，连杆扭角α，关节转角θ的误差值；
2)同时工业机器人末端所需位置与实际位置之间的距离偏差为：
Figure FDA0003017562110000021
其中，
Figure FDA0003017562110000022
表示距离偏差，E()为期望值函数，Jim为测量设备(2)实时采集工业机器人(3)实际运动轨迹数据时的第i个采样点的雅可比矩阵；Δδ为工业机器人(3)的运动学模型参数误差，T表示矩阵转置；
3)机器人运动学模型参数误差Δδ的无偏估计量为Δδ'，即E(Δδ)＝Δδ'，运动学模型参数误差的协方差矩阵为：
Figure FDA0003017562110000023
其中，i＝1,2,3…m，m为测量设备(2)实时采集工业机器人(3)实际运动轨迹数据时的采样点的总个数，i为测量设备(2)实时采集工业机器人(3)实际运动轨迹数据时的采样点的序数，Jim为测量设备(2)实时采集工业机器人(3)实际运动轨迹数据时的第i个采样点的雅可比矩阵；cov()表示模型参数误差的协方差；
4)将运动学模型参数误差的协方差矩阵代入工业机器人末端所需位置与实际位置之间距离公式得：
Figure FDA0003017562110000031
其中，tr表示矩阵轨迹函数，J0m为初始时刻测量设备(2)采集工业机器人(3)实际运动轨迹数据时的采样点的雅可比矩阵；
5)使用运动轨迹中m个测量点距离偏差的均值作为轨迹偏差ΔS，建立以下工业机器人轨迹偏差模型：
Figure FDA0003017562110000032
其中，Jδ为轨迹偏差辨识的雅可比矩阵，δn为所需辨识的机器人运动学参数，机器人运动学参数误差δn包括工业机器人(3)中第n个关节的连杆长度an、连杆扭角αn、关节转角θn与关节偏距dn；
6)以所需位置点与实际位置点的最大轨迹偏差为最小建立以下目标函数：
Figure FDA0003017562110000033
其中，Kmin为最大轨迹偏差的最小值；
7)利用轨迹偏差数据，通过模型参数辨识模块(11)对目标函数进行迭代求解，迭代终止条件为：Kmin达到最小且保持恒定不变；当迭代条件满足时，以最终获得的包含机器人每个关节相邻关节间的连杆长度a、相邻关节间的关节偏距d、相邻关节间的连杆扭角α和相邻关节间的关节转角θ的机器人最优运动学模型参数作为辨识出的工业机器人(3)的实际运动学模型参数；
8)然后将辨识出的工业机器人(3)的实际运动学模型参数，通过补偿控制模块(12)、机器人互联接口(5)发送到机器人控制器(6)中，替换机器人控制器(6)中原来存在误差的运动学模型参数，完成机器人运动学参数误差的补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿方法，其特征在于：所述的精度评价模块(13)利用轨迹偏差计算模块(10)计算出的轨迹偏差数据，分析获得被标定的工业机器人(3)的运动轨迹精度，并判断补偿后的工业机器人(3)的运动轨迹精度是否达到预设精度要求：如果达到预设精度要求，则停止标定，控制轨迹偏差计算模块(10)停止工作；如果未达到预设精度要求，则继续进行标定过程。
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