CN111546334B - 一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法，采用激光跟踪仪作为测量仪器，将T‑Mac固定在机器人末端；通过标定使激光跟踪仪能向激光跟踪仪控制用PC实时的传输机器人末端位姿；机器人控制器同时接收来自激光跟踪仪控制用PC和机器人驱动器的机器人末端位姿信息，比较后得到位置跟踪误差；通过笛卡尔空间内规划的末端移动速度求出从位置误差到轮廓误差的变换矩阵从而计算出轮廓误差；将笛卡尔空间的轮廓误差通过雅克比矩阵转化为关节空间的关节角误差；将转化后的关节角误差加到各关节位置驱动器从而实现各轴之间的耦合控制。

Description

一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，具体地说是机器人末端的位姿误差补偿方法用于提高机器人在加工过程中的轮廓误差。
背景技术
在使用机械臂进行焊接，铣削等作业中，要求机械臂沿预定的参考轨迹运动以完成预期的任务。这类运动称为多轴轮廓运动。在多轴轮廓运动中，轮廓误差(实际轨迹上的点到参考轨迹的法向距离)是比位置跟踪误差(采样时刻实际位置与参考位置之间的距离)更为重要的性能指标。目前针对工业机器人的运动控制，各轴之间的控制是相互独立的，每个轴的误差仅由自身去调节，其它轴没有相应的误差补偿。
轮廓误差作为反映多轴轮廓控制最终效果的性能指标，比跟踪误差具有更重要的意义，在控制实践中，由于轮廓误差的实时计算非常复杂，往往用跟踪误差来代替作为控制器输入的误差，但是在某些情况下跟踪误差的改善并不一定带来轮廓误差的改善，并且过大的控制增益有可能带来系统的不稳定。
产生机器人的轮廓误差的原因可以分为两类：各轴增益参数不匹配；外部扰动(包括摩擦力、振动和反冲力)。同时各种非线性因素引起的动态误差存在于机器人的运动过程中，降低了机器人的精度。所以对机器人进行误差补偿，提到其轮廓精度是很重要的。
当前主要有两类补偿方法：一类是离线方式，即对工业机器人的误差进行精确测量和标定，构建误差模型，通过参数辨识和补偿，进行机器人误差修正，这类方式建立的标定或补偿模型在使用时不可以改变；另一类是在线方式，即对机器人位姿误差在线动态修正；影响机器人的轮廓误差的因素众多，各因素在不同情况下对机器人的影响程度不同，所以后一类在线对机器人位姿误差动态修正的方式显然比前一类方式精度高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减小轮廓误差的工业现场应用的机器人末端位姿误差在线补偿方法，该方法通过比较激光跟踪仪测量的机器人末端位姿实测值和由机器人控制柜给出的机器人末端位姿的理论值得到位置跟踪误差；通过由机器人控制柜给出的笛卡尔空间内规划的末端移动速度求出从位置误差到轮廓误差的变换矩阵从而计算出轮廓误差；将笛卡尔空间内的轮廓误差反算到关节空间，进而对其进行补偿。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法，包括以下步骤：
步骤1：设置激光跟踪仪位置，其视角为待检测的机械臂，对激光跟踪仪进行标定，获取激光跟踪仪坐标系到世界坐标系的转换矩阵；
步骤2：机械臂末端安装激光靶标T-Mac；
步骤3：计算机械臂末端姿态位置的理论值Posideal从而改变机械臂运动轨迹，通过激光跟踪仪实时获取机械臂末端姿态位置的激光跟踪仪实测值Postrack；
步骤4：根据机械臂末端姿态误差Δp、移动速度计算轮廓误差Δc_h，再将轮廓误差反解到各关节的关节角误差Δq；
步骤5：将关节角误差Δq作为补偿量对机械臂末端位姿进行位置补偿。
所述通过激光跟踪仪实时获取机械臂末端姿态的实际值Postrack是通过：先获取激光跟踪仪坐标系下的机械臂末端姿态，再转换到世界坐标系下的机械臂末端姿态位置的激光跟踪仪实测值Postrack。
所述计算机械臂末端姿态位置的理论值Posideal为：机械臂驱动电机编码器反馈的位置与位置控制修正量之间的差值。
所述机械臂末端姿态误差Δp为：
Δp＝机械臂末端姿态位置的理论值Posideal-机械臂末端姿态位置的激光跟踪仪实测值Postrack。
所述计算轮廓误差Δc_h包括：
i.通过笛卡尔空间内规划的末端移动速度计算从机械臂末端姿态误差Δp到轮廓误差Δc_h的变换矩阵T；
Figure BDA0002470848050000031
其中，
Figure BDA0002470848050000032
Vx,Vy,Vz为笛卡尔空间内规划的机械臂末端移动速度；
ii.计算轮廓误差Δc_h＝T*Δp。
所述将轮廓误差反解到各关节的关节角误差Δq包括：
按照如下公式将轮廓误差反解到各关节的关节角误差Δq，
Δq＝J-1*Δc_h；
其中，J为机械臂的雅克比矩阵。
是采用PID的控制方法对机械臂末端位姿进行控制调整的。
一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿系统，包括激光跟踪仪、激光跟踪仪控制用PC、机器人控制器、机器人的主计算机和驱动器、示教器；
所述激光跟踪仪控制用PC、机器人控制器中有存储部、处理部，存储部存储程序，处理部加载程序并执行如权利要求1-6任意一项所述的一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法的步骤；示教器用于输入机械臂的运动轨迹；机器人的主计算机用于接收机器人控制器或示教器的指令控制机器人驱动器使机械臂运动。
所述激光跟踪仪控制用PC与激光跟踪仪之间通过无线通讯连接。
所述机器人驱动器通过以太网与机器人控制器通信。
本发明的有益效果是：
采用本发明的一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法，实现了通过激光跟踪仪测量的机器人末端位姿的实测值实时计算轮廓误差并进行在线位姿补偿。
附图说明
图1是轮廓误差的示意图；
图2是工业机器人的控制系统结构图；
图3工业机器人的在线位姿误差补偿方法的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明的目的，但不用来限定本发明的范围。
如图1所示，说明了轮廓误差的计算方法。Pi为实际位置，Pe为期望位置，Δp为位置误差，Δc为轮廓误差，Ve为期望位置在Pe时的期望速度，轮廓误差Δc是实际位置到参考轨迹的法向距离。精确的计算轮廓误差Δc需要较大的计算量，不适于实时计算；在本发明中使用轮廓误差的近似值Δc_h来表示轮廓误差，Δc_h是实际位置到Ve的法向距离。
本发明实施例提供了一种工业机器人的控制系统，如图2所示，所述的控制系统包括激光跟踪仪，激光跟踪仪控制用PC，机器人控制器，机器人控制柜(控制柜中有主计算机和驱动器)，示教器和工业机器人。机器人控制器分别与激光跟踪仪控制用PC和机器人控制柜通信连接；激光跟踪仪控制用PC用于接收激光跟踪仪采集的工业机器人的实际位姿并传输到机器人控制器；机器人控制柜中的主计算机将机器人运动信息发送到机器人控制器；机器人控制器用于对比实际位姿与理论位姿，利用控制算法进行位姿补偿以达到减小轮廓误差的效果。
本发明的一种工业机器人的在线位姿误差补偿方法，包括以下步骤：
(1)架设激光跟踪仪，选取测量机械臂的初始姿态，安装T-Mac到机器人末端的固定件上。利用激光跟踪仪自带的SA软件得到T-Mac到机器人末端的转换矩阵；T-Mac激光靶标：跟踪控制探测器SA软件(SpatialAnalyzer)。
(2)激光跟踪仪控制用PC，用于接收激光跟踪仪发送机器人末端位姿的实测数据，测得实测数据进行坐标变换后送到机器人控制器。激光跟踪仪与激光跟踪仪控制用PC通过无线网络进行连接。
(3)在示教器上编写机器人的运动程序。
(4)运行示教器上的运动程序，激光跟踪仪控制用PC将激光跟踪仪测量的机器人末端姿态的激光跟踪仪实测值Postrack实时的传输到机器人控制器；机器人控制柜中的主计算机将机器人末端姿态位置的理论值Posideal与笛卡尔空间内规划的末端移动速度通过以太网传输到机器人控制器；机械臂末端姿态位置的理论值Posideal为：机械臂驱动电机编码器反馈的位置与位置控制修正量之间的差值，位置控制修正量是将(Posideal-Postrack)输入到PID控制器的输出值。如图3所示，在机器人控制器算出将轮廓误差反解到各关节的关节角误差Δq；其中Δq的计算方法如下：
(a)将由机器人控制柜中的主计算机给出的机器人末端位姿理论值Posideal与由激光跟踪仪测得的机器人末端位姿位置Postrack比较，计算得到机器人末端运动位置误差Δp，
Δp＝机械臂末端姿态位置的理论值Posideal-机械臂末端姿态位置的激光跟踪仪实测值Postrack。
(b)通过笛卡尔空间内规划的末端移动速度求出从位置误差到轮廓误差的变换矩阵T；
Figure BDA0002470848050000061
其中，
Figure BDA0002470848050000062
Vx,Vy,Vz为笛卡尔空间内规划的末端移动速度。
(c)计算轮廓误差Δc_h，Δc_h＝T*Δp；
(d)计算将轮廓误差反解到各关节的关节角误差Δq，Δq＝J-1*Δc_h。
J为机械臂的雅克比矩阵；
(5)将Δq发送到机器人控制柜的驱动器，并使其加到各关节位置驱动器之前，而实现各轴之间的耦合控制。
对于一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法，它最大的效果为通过激光跟踪仪测量的机器人末端位姿的实测值实时计算轮廓误差并进行在线位姿补偿。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设置激光跟踪仪位置，其视角为待检测的机械臂，对激光跟踪仪进行标定，获取激光跟踪仪坐标系到世界坐标系的转换矩阵；
步骤2：机械臂末端安装激光靶标T-Mac；
步骤3：计算机械臂末端姿态位置的理论值Posideal从而改变机械臂运动轨迹，通过激光跟踪仪实时获取机械臂末端姿态位置的激光跟踪仪实测值Postrack；
步骤4：根据机械臂末端姿态误差Δp、移动速度计算轮廓误差Δc_h，再将轮廓误差反解到各关节的关节角误差Δq；所述计算轮廓误差Δc_h包括：
i.通过笛卡尔空间内规划的末端移动速度计算从机械臂末端姿态误差Δp到轮廓误差Δc_h的变换矩阵T；
Figure FDA0003991694730000011
其中，
Figure FDA0003991694730000012
Vx,Vy,Vz为笛卡尔空间内规划的机械臂末端移动速度；
ii.计算轮廓误差Δc_h＝T*Δp;
所述将轮廓误差反解到各关节的关节角误差Δq包括：
按照如下公式将轮廓误差反解到各关节的关节角误差Δq，
Δq＝J-1*Δc_h；
其中，J为机械臂的雅克比矩阵；
步骤5：将关节角误差Δq作为补偿量对机械臂末端位姿进行位置补偿。
2.根据权利要求1所述的一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法，其特征在于，所述通过激光跟踪仪实时获取机械臂末端姿态的实际值Postrack是通过：先获取激光跟踪仪坐标系下的机械臂末端姿态，再转换到世界坐标系下的机械臂末端姿态位置的激光跟踪仪实测值Postrack。
3.根据权利要求1所述的一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法，其特征在于，所述计算机械臂末端姿态位置的理论值Posideal为：机械臂驱动电机编码器反馈的位置与位置控制修正量之间的差值。
4.根据权利要求1所述的一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法，其特征在于，所述机械臂末端姿态误差Δp为：
Δp＝机械臂末端姿态位置的理论值Posideal-机械臂末端姿态位置的激光跟踪仪实测值Postrack。
5.根据权利要求1所述的一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法，其特征在于，是采用PID的控制方法对机械臂末端位姿进行控制调整的。
6.一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿系统，其特征在于，包括激光跟踪仪、激光跟踪仪控制用PC、机器人控制器、机器人的主计算机和驱动器、示教器；
所述激光跟踪仪控制用PC、机器人控制器中有存储部、处理部，存储部存储程序，处理部加载程序并执行如权利要求1-5 任意一项所述的一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿方法的步骤；示教器用于输入机械臂的运动轨迹；机器人的主计算机用于接收机器人控制器或示教器的指令控制机器人驱动器使机械臂运动。
7.根据权利要求6所述的一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿系统 ，其特征在于，所述激光跟踪仪控制用PC与激光跟踪仪之间通过无线通讯连接。
8.根据权利要求6所述的一种减小轮廓误差的工业机器人在线位姿误差补偿系统 ，其特征在于，所述机器人驱动器通过以太网与机器人控制器通信。
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