CN111633645A - 一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法，首先在笛卡尔坐标系下首先将移动式机器人在每个站位的期望达到范围内，按照给定最大步长划分一系列立方体网格；然后构建世界坐标系、机器人坐标系；然后对机器人坐标系根据与移动平台的固定关系进行重建，最后根据世界坐标系、重建的机器人坐标系和立方体网格对移动式机器人每个站位的期望到大范围内任意一个待补偿点P(x,y,z)进行补偿。本发明通过上述操作在节约成本的基础上实现了高抗误差干扰性的精度补偿。

Description

一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法

技术领域

本发明属于机器人测量领域，具体地说，涉及一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法。

背景技术

随着工业4.0时代的高速发展和智能制造的快速推进，以工业机器人为载体的飞机柔性化自动装配技术受到广泛关注，其中，移动式机器人因能更好地适应飞机尺寸大的特征而成为研究热点。由于工业机器人在制造、装配中会不可避免地引入误差，并且通过移动导轨或AGV等搭载后的机器人，定位误差被进一步放大，导致机器人绝对定位精度远远不能满足在离线编程工作方式下的飞机自动化装配系统的精度要求。因此，研究精度补偿技术提高机器人系统的绝对定位精度是将工业机器人乃至移动式机器人应用于面向航空制造的柔性化自动装配的研究重点。

机器人精度补偿技术的传统方式是机器人运动学标定，运动学标定技术就是用测量得到的机器人实际定位误差，识别出机器人各连杆的运动学参数误差，从而得到修正后的运动学模型。但由于机器人误差不仅是由运动学参数误差组成，还包含了齿轮间隙、负载变化、热效应、机械臂的质量分布等因素，因此仅通过识别运动学参数误差来修正机器人运动学模型，很难使机器人达到足够高的定位精度。同时，由于目前大多数机器人控制系统开放性都不高，导致修改机器人运动学参数十分困难，因此该方法可操作性不强。另外，当补偿对象是移动式机器人系统时，机器人运动学标定技术无法对移动平台产生的误差进行补偿，因此该方法只适用于固定式机器人的误差补偿。在机器人应用的多形式和快速发展背景下，迫切需要对机器人精度补偿技术进行创新。

鉴于运动学参数标定方法的缺陷，很多学者探索了其他一些精度补偿方法来提高机器人的绝对定位精度。文献“曲巍崴，董辉跃，柯映林.机器人辅助飞机装配制孔中位姿精度补偿技术[J].航空学报,2011,21,(10):1951-1960.”采用激光跟踪仪实现机器人的全闭环反馈控制，极大地提高了机器人的绝对定位精度，但补偿时需要在现场配置一台激光跟踪仪，导致实现成本非常高昂。还有一部分学者提出机器人定位误差具有空间相似性，并利用定位误差的空间相似性实现了工业机器人的离线标定，文献“Zeng Yuanfan,Tian Wei,Liao Wenhe.Positional error similarity analysis for error compensation ofindustrial robots[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,2016,42:113-120.”提出一种基于空间相似性的线性无偏最优估计方法，但该方法需要首先利用采样点误差建立机器人定位误差与关节角输入之间的物理模型，当机器人搭载平台产生的误差干扰较大时，测量得到的采样点数据往往很难拟合出有效的空间映射关系模型。

发明内容

本发明针对现有技术，成本高昂、定位误差干扰大的问题，提出了一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法，通过构建一系列的立方体网格和世界坐标系并在世界坐标系中构建相应的机器人坐标系，进一步地采用反距离加权实现对移动式机器人的精度补偿。

本发明具体实现内容如下：

本发明提出了一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法，首先在笛卡尔坐标系下且在移动式机器人每个站位的期望达到范围内，按照给定最大步长划分一系列立方体网格；然后构建世界坐标系、机器人坐标系；然后对机器人坐标系根据与移动平台的固定关系进行重建，最后根据世界坐标系、重建的机器人坐标系和立方体网格对移动式机器人每个站位的期望到大范围内任意一个待补偿点P(x,y,z)通过对定位误差反距离加权进行精度补偿。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述对移动式机器人每个站位的期望到大范围内任意一个待补偿点P(x,y,z)通过对定位误差反距离加权进行精度补偿的具体步骤包括：

步骤S1.寻找到待补偿点P(x,y,z)所在的立方体网格；

步骤S2.求出待补偿点P(x,y,z)的理论坐标与所在的立方体网格8个顶点的实际定位坐标之间的距离d_i，然后通过反距离加权求得待补偿点P相对于立方体各顶点的权值k_i；其中，下标i＝1、2、3、4、5、6、7、8；

步骤S3.根据待补偿点P(x,y,z)相对于所述立方体网格的8个顶点的权值k_i，在待补偿点P(x,y,z)的x,y,z三个方向上对实际定位误差分别进行加权平均，得到待补偿点P(x,y,z)在x,y,z三个方向上的预测误差Δx，Δy，Δz；

步骤S4.对待补偿点P(x,y,z)的理论位置x,y,z反向迭加定位误差的预测误差Δx，Δy，Δz，得到经过误差反向修正后的定位坐标x′，y′，z′，将修正后的坐标作为移动式机器人的定位指令输入控制器中，然后将机器人末端的实际位置定位至要求的目标位置上。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述机器人坐标系的建立具体步骤包括：

步骤Sa.然后保持移动式机器人的将移动式机器人置于HOME位姿，保持A₂到A₆轴不动，转动A₁轴连续测量，拟合得到圆O₁；

步骤Sb.保持A₁轴、A₃到A₆轴不动，转动A₂轴连续测量，拟合得到圆O₂；

步骤Sc.保持A₁到A₃轴、A₅轴、A₆轴不动，转动A₄轴连续测量，拟合得到圆O₃；

步骤Sd.做出平行于圆O₁且经过圆O₂的圆轴线的一个平面，并根据机器人连杆参数向下偏置固定距离，得到机器人机座平面，所述机器人机座平面与圆O₁轴线的交点为机器人坐标系的原点，圆O₁轴线为z轴；

步骤Se.将圆O₃的圆心向机器人机座平面投影得到机座坐标系x轴上的一点；

步骤Sf.通过得到的机器人坐标系的原点、z轴、x轴上的一点建立机器人坐标系。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述对机器人坐标系的重建，首先需要构建移动平台坐标系，具体步骤包括：

步骤Sg.在移动式机器人的末端执行器固定放置靶球；

步骤Sh.在移动平台上设置精度补偿站位和加工站位；

步骤Si.将移动平台移动到不同的加工位置，根据在不同加工位置处的精度补偿站位、加工站位和固定设置在末端执行器的靶球建立各个加工位置的移动平台坐标系。

为了更好地实现本发明，进一步地，在建立了移动平台坐标系后，根据每个加工位置的移动平台坐标系与固定不变的世界坐标系的转换关系、移动平台与机器人坐标系的固定关系，对机器人坐标系进行重建，转换得到在世界坐标系上重建的机器人坐标系。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述将移动平台移动到不同的加工位置的具体操作为：在精度补偿站位控制移动式机器人以固定RPY角或RPY范围α,β,γ∈[-10°,10°]到达划分的一系列立方体网格的各个顶点，并测量移动式机器人末端的实际位置。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述建立世界坐标系的具体步骤包括：

步骤SA.在地面铺设靶标座；

步骤SB.使用激光跟踪仪测量地面上所有靶标座的位置坐标；

步骤SC.将所有靶标座的位置坐标拟合为一个平面，并将所有的参考点向平面投影得到投影点；

步骤SD.选取三个投影点，采用三点构造法建立世界坐标系。

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：

(1)抗误差干扰性强，弥补了现有技术在精度补偿方面的不足；

(2)不需要激光跟踪仪实时全程跟踪，减少了成本。

附图说明

图1为各坐标系与立方体网格等的示意图；

图2为单个立方体网格结构示意图；

图3为在移动平台上的机器人各轴示意图；

图4为机器人各轴拟合生成圆及机器人坐标系示意图；

图5为未精度补偿前的各网格顶点的位置误差示意图；

图6为精度补偿后的各网格顶点的位置误差示意图。

其中：1、世界坐标系，2、机器人，3、机器人坐标系，4、移动平台，5、移动平台坐标系，6、末端执行器，7、靶球，8、靶球座，9、激光跟踪仪。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做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。

实施例1：

本发明提出一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法，如图1、图2所示，包括以下步骤：

步骤1：将移动式机器人在每个站位的期望到达范围内，在笛卡尔坐标系下按照给定最大步长划分为一系列立方体网格；

步骤2：用激光跟踪仪9建立世界坐标系1、机器人坐标系3，所述移动式机器人分为用于移动的移动平台4和固定安装在移动平台4上的六轴的机器人2；在移动平台4上设置精度补偿站位，在精度补偿站位控制机器人2以固定RPY角或RPY范围α,β,γ∈[-10°,10°]到达步骤1中划分的各立方体网格顶点，并测量移动式机器人末端的实际位置；

步骤3：利用移动平台坐标系5与机器人2机器人坐标系3之间的变换关系，对机器人坐标系3进行重建：

(1)分别在精度补偿站位和各加工站位，测量移动平台4上的固定靶球座8，用三点构造法建立各站位的平台坐标系；

(2)通过平台坐标系与机器人坐标系3之间固定的位姿变换关系，对机器人坐标系3进行重建，原理如下：

若已知目标点在世界坐标系1下的位姿^wT_hole，则目标点相对于加工站位n的位姿

可以通过下式计算得到：

上式中，

和

分别表示在精度补偿站位和加工站位n处，机器人2机器人坐标系3相对于移动平台坐标系5之间的其次变换矩阵，

为加工站位n处，移动平台坐标系5相对于世界坐标系1的其次变换矩阵。这些其次变换矩阵均可以通过激光跟踪仪9测量得到，由此可以计算的得到在加工站位n处的位姿

作为机器人2运动的理论位置进行精度补偿。

步骤4：对于网格范围内的任意一点P(x,y,z)用基于反距离加权的空间插值与补偿方法进行精度补偿，包括：

(1)寻找该补偿点P所在的立方体网格；

(2)求出待补偿点P理论坐标与所在的立方体网格8个顶点的实际定位坐标之间的距离d_i(i＝1,2...8)为：

(3)通过反距离加全求得待补偿点P相对于立方体各顶点的权值k_i(i＝1,2...8)；

(4)根据该待补偿点P相对于立方体8个顶点的权值k_i，在x,y,z三个方向上对实际定位误差分别进行加权平均，得到待补偿点P在x,y,z三个方向上的预测误差Δx、Δy、Δz为：

上式中，Δx_i、Δy_i、Δz_i为第i个顶点的实际定位误差。

(5)对待补偿点的理论位置反向迭加其定位误差的预测值，得到误差反向修正后的定位坐标x′、y′、z′：

x′＝x+Δx,y′＝y+Δy,z′＝z+Δz

(6)将修正后的坐标作为机器人2的定位指令输入控制器中，就能将机器人2末端的实际位置定位至要求的目标位置上。

工作原理：分别实现使用激光跟踪仪9测量出世界坐标系1、机器人坐标系3，然后计算出移动平台4与机器人坐标系3之间的坐标的换算，通过移动移动平台4实现机器人坐标系3的移动；通过平台坐标系对机器人坐标系3重建是为了使建立机器人坐标系3的重复性较高，因为机器人坐标系3是通过测量机器人2运动关节拟合得到的机器人2运动存在重复度误差每次都通过测量拟合建立很难达到较大重复度而且操作也很复杂但是通过平台坐标系来重建的话平台坐标系通过几个固定点构建能够保证较高的重复度

实施例2：

本发明在上述实施例1的基础上，如图1、图3、图4所示，世界坐标系1和机器人坐标系3的具体建立操作为：

(1)世界坐标系1的建立：用激光跟踪仪9测量图1中地面上所有的靶标座在激光跟踪仪9坐标系下的位置坐标并拟合一个平面，将所有参考点向平面投影。选取合适的三个投影点用三点构造法建立世界坐标系1。

(2)机器人坐标系3的建立：

①将靶球7放置于机器人2末端执行器6固定位置，将机器人2置于HOME位姿，保持A₂到A₆轴不动，转动A₁轴连续测量，拟合圆O₁；用相同的方法转动A₂轴，拟合圆O₂；转动A₄轴，拟合圆O₃；

②在SA软件中做出平行于圆O₁且经过圆轴线O₂的平面，根据机器人2连杆参数向下偏置固定距离，即为机器人2机座平面，该平面与圆O₁轴线的交点为机器人坐标系3原点，圆O₁轴线为z轴；

③将圆O₃圆心向机座平面投影得到机器人坐标系3x轴上的一点；

④将以上得到的三个特征(坐标原点、z轴、x轴上的一点)建立机器人坐标系3。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本发明在上述实施例1-2任一项的基础上，以搭载于移动AGV上的KUKAKR480工业机器人2系统为例来说明该发明的具体实施步骤：

步骤1：在精度补偿站位选取了1200×2800×1200mm的长方体空间，在机器人坐标系3下x,y,z方向的范围分别为x(2100,3300),y(-1400,1400),z(400,1600)，将该区域以给定最大步长进行立方体网格划分；

步骤2：建立系统的世界坐标系1、机器人坐标系3、各站位的移动平台坐标系5，以固定RPY角或RPY范围α,β,γ∈[-10°,10°]控制机器人2到达步骤1中划分的立方体网格顶点，用激光跟踪仪9测量各顶点位置误差，结果如图5所示；

步骤3：用本发明提出的机器人坐标系3换站方法对加工站位网格内随机选取的276个点先进行位姿变换，然后应用基于反距离加权的空间插值与补偿方法进行精度补偿，结果如图6所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是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，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法，其特征在于，首先在笛卡尔坐标系下且在移动式机器人每个站位的期望达到范围内，按照给定最大步长划分一系列立方体网格；然后构建世界坐标系、机器人坐标系；然后对机器人坐标系根据与移动平台的固定关系进行重建，最后根据世界坐标系、重建的机器人坐标系和立方体网格对移动式机器人每个站位的期望到大范围内任意一个待补偿点P(x,y,z)通过对定位误差反距离加权进行精度补偿。

2.如权利要求1所述的一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法，其特征在于，所述对移动式机器人每个站位的期望到大范围内任意一个待补偿点P(x,y,z)通过对定位误差反距离加权进行精度补偿的具体步骤包括：

步骤S1.寻找到待补偿点P(x,y,z)所在的立方体网格；

步骤S2.求出待补偿点P(x,y,z)的理论坐标与所在的立方体网格8个顶点的实际定位坐标之间的距离d_i，然后通过反距离加权求得待补偿点P相对于立方体各顶点的权值k_i；其中，下标i＝1、2、3、4、5、6、7、8；

步骤S3.根据待补偿点P(x,y,z)相对于所述立方体网格的8个顶点的权值k_i，在待补偿点P(x,y,z)的x,y,z三个方向上对实际定位误差分别进行加权平均，得到待补偿点P(x,y,z)在x,y,z三个方向上的预测误差Δx，Δy，Δz；

步骤S4.对待补偿点P(x,y,z)的理论位置x,y,z反向迭加定位误差的预测误差Δx，Δy，Δz，得到经过误差反向修正后的定位坐标x′，y′，z′，将修正后的坐标作为移动式机器人的定位指令输入控制器中，然后将机器人末端的实际位置定位至要求的目标位置上。

3.如权利要求1所述的一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法，其特征在于，所述机器人坐标系的建立具体步骤包括：

步骤Sa.然后保持移动式机器人的将移动式机器人置于HOME位姿，保持A₂到A₆轴不动，转动A₁轴连续测量，拟合得到圆O₁；

步骤Sb.保持A₁轴、A₃到A₆轴不动，转动A₂轴连续测量，拟合得到圆O₂；

步骤Sc.保持A₁到A₃轴、A₅轴、A₆轴不动，转动A₄轴连续测量，拟合得到圆O₃；

步骤Sd.做出平行于圆O₁且经过圆O₂的圆轴线的一个平面，并根据机器人连杆参数向下偏置固定距离，得到机器人机座平面，所述机器人机座平面与圆O₁轴线的交点为机器人坐标系的原点，圆O₁轴线为z轴；

步骤Se.将圆O₃的圆心向机器人机座平面投影得到机座坐标系x轴上的一点；

步骤Sf.通过得到的机器人坐标系的原点、z轴、x轴上的一点建立机器人坐标系。

4.如权利要求3所述的一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法，其特征在于，所述对机器人坐标系的重建，首先需要构建移动平台坐标系，具体步骤包括：

步骤Sg.在移动式机器人的末端执行器固定放置靶球；

步骤Sh.在移动平台上设置精度补偿站位和加工站位；

步骤Si.将移动平台移动到不同的加工位置，根据在不同加工位置处的精度补偿站位、加工站位和固定设置在末端执行器的靶球建立各个加工位置的移动平台坐标系。

5.如权利要求4所述的一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法，其特征在于，在建立了移动平台坐标系后，根据每个加工位置的移动平台坐标系与固定不变的世界坐标系的转换关系、移动平台与机器人坐标系的固定关系，对机器人坐标系进行重建，转换得到在世界坐标系上重建的机器人坐标系。

6.如权利要求5所述的一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法，其特征在于，所述将移动平台移动到不同的加工位置的具体操作为：在精度补偿站位控制移动式机器人以固定RPY角或RPY范围α,β,γ∈[-10°,10°]到达划分的一系列立方体网格的各个顶点，并测量移动式机器人末端的实际位置。

7.如权利要求1所述的一种用于移动式机器人系统的精度补偿方法，其特征在于，所述建立世界坐标系的具体步骤包括：

步骤SA.在地面铺设靶标座；

步骤SB.使用激光跟踪仪测量地面上所有靶标座的位置坐标；

步骤SC.将所有靶标座的位置坐标拟合为一个平面，并将所有的参考点向平面投影得到投影点；

步骤SD.选取三个投影点，采用三点构造法建立世界坐标系。

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