CN111947604B - 一种可实现关节模组标定的角度测量装置及角度误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现关节模组标定的角度测量装置及角度误差补偿方法，是将关节模组固定至固定板，并利用铝型材置于光学平台上；将阶梯轴固定至关节模组的旋转轴上，将多面棱体固定至阶梯轴上，多面棱体、阶梯轴和关节模组同心；将自准直仪放置在与此装置同一光学平台上；控制关节模组旋转，以多面棱体结合自准直仪为基准，从而标定出关节模组测角误差。本发明能实现对坐标测量机或机器人关节精度的标定，从而能在不影响关节精度、力学性上简单有效地完成角度误差测量及补偿。

Description

一种可实现关节模组标定的角度测量装置及角度误差补偿 方法

技术领域

本发明属于工业机器人领域，具体是一种可实现机器人关节模组标定的角度测量装置及角度误差补偿方法。

背景技术

工业技术水平快速发展的今天，工业机器人以其快速、灵活、长期投入成本低等优点逐渐进入工业流水线生产链中，开始逐步替代人工操作，被广泛应用在了汽车，模具，航空航天，造船等机械及其他机械加工行业中。随着机器人的广泛应用，产品型号众多，零件通用性不佳等问题出现，研制集成化更高，可靠性更强，通用性更好的模组化机械臂极为重要。其中，构成模组化机械臂关键的关节模组也成为了研究重点。

如今的大多数机器人在重复定位精度上已经相当出色，但在绝对定位精度上仍然比较欠缺，已有的提高机器人绝对定位精度的研究方法主要分为两种：离线误差补偿和在线误差补偿。在线误差补偿需要装配精度很高的实时反馈装置，如基于激光跟踪仪对机器人运动学参数标定，可以实现实时在线补偿由机器人内外部因素引起的误差，该方法成本较高，且需要专门人员操作。离线误差补偿无需实时反馈装置，投入成本低，不依赖外部设备信息，但没有考虑非几何参数引起的误差，计算过程繁琐。

集成关节模组由电机、谐波减速器、位置编码器和电机驱动器等组成，位置编码器安装于驱动电机轴后端，实时感知角位移。驱动电机的轴前端连接谐波减速器的波发生器部件，通过柔轮和钢轮的谐波差，输出较低的转速，这种方式，在测量器件和输出端形成一个误差链，但角度误差不仅与位置编码器有关，也与谐波减速器有关，现有的误差模型一般采用最高三阶的谐波模型，由于集成关节模组角度误差的高频成分较一般的位置编码器大，误差模型需考虑更高阶的谐波成分。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足之处，提出一种关节模组的角度测量装置及角度误差补偿方法，以期能实现对坐标测量机或机器人关节精度的标定，从而能在不影响关节精度、力学性上简单有效地完成角度误差测量及补偿。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种可实现关节模组标定的角度测量装置的特点是：

在光学平台上设置由铝型材和固定板构成的基座；在所述固定板的下方固定设置有关节模组，在所述关节模组的旋转轴上设置有阶梯轴，在所述阶梯轴上固定有多面棱体，且与关节模组同心转动；

在光学平台上还设置有自准直仪，并与所述多面棱体保持同一高度；所述自准直仪的镜筒的延长线经过所述多面棱体的中心；

所述关节模组由上位机驱动，并带动所述多面棱体转动，从而检测所述关节模组的旋转角度误差。

本发明所述的角度测量装置的特点也在于：所述阶梯轴底部法兰盘与所述关节模组的旋转轴紧密配合；所述阶梯轴顶端与所述多面棱体紧密配合；所述阶梯轴的中部设置有一通孔用于挂负载。

多个铝型材通过角件固定在一起并组成长方体结构，从而通过所述角件将所述长方体结构的底面固定至所述光学平台上，将所述长方体结构的顶面固定在固定板上，以形成基座在所述在光学平台上的固定结构。

本发明所述的角度测量装置的角度误差补偿方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、装配平台：

步骤1.1、在光学平台上设置一磁力表座，在所述磁力表座上设置有千分表；使得所述千分表的接触点与所述阶梯轴相接触；

步骤1.2、所述上位机驱动所述关节模组带动阶梯轴转动的过程中，微调所述阶梯轴，使得千分表转动幅度逐渐减小直至不转时，所述关节模组与阶梯轴达到同轴度的要求；

步骤2、实验：

步骤2.1、调整所述多面棱体，使自准直仪的光线照射到所述多面棱体后反射回到所述自准直仪上，并在目镜内形成带有圆光斑的十字像；

步骤2.2、对所述自准直仪进行微调，使得目镜中的十字像与目镜中刻度零点重合，并记为初始零位，同时在所述上位机上显示并记录关节模组的当前实际关节角度读数；

步骤2.3、所述上位机控制所述关节模组转动α度，并根据自准直仪的目镜中的十字像位置，利用所述上位机微调当前关节角度，使得所述十字像与所述刻度零点再次重合，从而在所述上位机上显示并记录转动α度后的关节模组的实际关节角度读数；

步骤2.4、以α为旋转步长，重复步骤2.3直至所述多面棱体转动一周为止，从而得到每个旋转步长对应下的关节模组的实际关节角度读数；

步骤2.5、利用式(1)得到所述关节模组的角度误差Δθ：

式(1)中，

表示第i阶谐波分量相位，C_i表示第i阶谐波分量幅值，θ表示角度，A表示最高阶次，C₀表示初始谐波分量幅值，并有：

式(2)中，Δθ_i为第i次实验测得角度误差值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明具有目的性强、操作简便的特点；利用上位机实现了关节模组的角度控制，利用自准直仪实现了关节模组的角度检测，并建立了误差模型实现了角度误差补偿，可以作为独立的测量技术用于工程实际。

2、本发明巧妙地利用关节模组有限空间，使用固定板精准配合，不影响关节模组正常旋转，从而使关节模组更有效的传递扭矩。

3、本发明采用的阶梯轴为关节模组量身定制，巧妙利用其结构特点，传递关节模组旋转并带动多面棱体转动，利用打表减少了装配误差，保证了其同心转动。

4、本发明所使用的铝型材易切割，轻便使用及易装配，并且利用其构成内空的长方体结构的优势可测关节模组水平和竖直方向受力情况。

5、角度误差不仅与位置编码器有关，也与谐波减速器有关，现有的误差模型一般采用最高三阶的谐波模型，本发明将测得数据通过更高阶的谐波分析建立了误差修正模型，并进行了误差补偿，有效地考虑了更全面的误差影响，提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本发明多面棱体、阶梯轴和关节模组示意图；

图3为本发明固定板与关节模组安装示意图；

图4为本发明阶梯轴结构示意图；

图中标号：1自准直仪；2多面棱体；3阶梯轴；4关节模组；5固定板；6铝型材；7光学工作平台；8角件；9物镜(自准直仪)；10目镜(自准直仪)；11螺母。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，一种关节模组的角度测量装置，是在光学平台7上设置由铝型材6和固定板5构成的基座，其由多个铝型材6通过多个角件8固定在一起并组合成一个内空的长方体结构，从而通过角件8将长方体结构的底面固定至光学平台7上；将长方体结构的顶面固定至固定板5上；以形成基座在在光学平台7上的固定结构。

在光学平台7上还设置有自准直仪1，并与多面棱体2保持同一高度，且自准直仪1的镜筒的延长线经过多面棱体2的中心。

如图3所示，在材料为6061铝合金的固定板5的下方固定设置有关节模组4，在关节模组4的旋转轴上设置有阶梯轴3，在阶梯轴3上固定有多面棱体2，且与关节模组4同心转动；关节模组4由上位机驱动，并带动多面棱体2转动，从而检测关节模组4的旋转角度误差。

具体实施中，固定板5使用M3螺栓通过关节模组4外圈螺纹孔与关节模组4固定；铝型材6与固定板5用M6螺栓连接；铝型材6和角件8之间的安装也使用T螺栓连接。

如图2所示，多面棱体2、阶梯轴3和关节模组4保持同心；关节模组4带动阶梯轴3和多面棱体2转动。

如图4所示，阶梯轴3底部法兰盘与关节模组4的旋转轴上的螺纹孔通过M3的螺栓紧密配合；阶梯轴3顶端设置有直径20的螺纹面，通过M20螺母将多面棱体2固定；阶梯轴3的中部设置一通孔用于挂负载。

本实施例中，一种角度测量装置的角度误差补偿方法是按如下步骤进行：

S1、在光学平台7上设置一磁力表座，在磁力表座上设置有千分表，使得千分表的接触点与阶梯轴3的顶端(多面棱体放置处)相接触，尽量使千分表垂直于阶梯轴3接触面，并控制千分表的示数处于中间量程，这保证了千分表与接触面的充分接触，减少额外误差；

S2、上位机驱动关节模组4带动阶梯轴3转动的过程中，微调阶梯轴3，使得千分表转动幅度逐渐减小直至不转时，关节模组4与阶梯轴3达到同轴度的要求，说明此时阶梯轴与关节模组严格同心。

S3、安装多面棱体，打开自准直仪，由自准直仪的光管发射平行光线到多面棱体2某一面后反射回到自准直仪1上，轻微转动多面棱体2，并在目镜10内形成带有圆光斑的十字像，然后拧紧多面棱体，保证圆光斑处于目镜内；

S4、对自准直仪1进行微调，使得目镜10中的反射过来带有圆光斑的十字像与目镜10中刻度零点重合，并记为初始零位，此时已经完成了前期的准备工作。同时在上位机上显示并记录关节模组4的当前实际关节角度读数；

S5、上位机控制关节模组4转动α度，并根据自准直仪1的目镜10中的十字像位置，利用上位机微调当前关节角度，使得十字像与刻度零点再次重合，从而在上位机上显示并记录转动α度后的关节模组4的实际关节角度读数；本实施例中，α＝10；

S6、以α为旋转步长，重复S5直至多面棱体转动一周为止，从而得到每个旋转步长对应下的关节模组4的实际关节角度读数；

S7、建立误差修正模型：

关节模组的角度测量误差是以2π为周期的周期函数，其误差具有周期性。对于任何一个周期信号，若满足狄利克雷条件，都可以展开成三角形式的傅里叶级数，即：

式(1)中：

式(1)可化简为：

式(3)中，C_i代表第i阶谐波分量幅值，

代表第i阶谐波分量相位，θ表示角度，n表示最高阶次，C₀表示初始谐波分量幅值，像这样将误差周期函数展开成傅里叶级数的分析方法称为谐波分析法。

根据傅里叶级数构建模型，首先要确定展开的最高阶次n。根据香农采样定理可知，当采样点N为偶数时，阶数n只能计算到N/2阶；当N为奇数时，只能计算到(N-1)/2阶。当采样点N较少时，由于信息不足，高于N/2阶的高阶谐波分量不能被分离出来，而是混杂在低于N/2阶的谐波分量中，其混杂规律如下：

式(4)中，a_i、b_i是混杂了高阶次谐波分量的实际谐波分量系数，A_i、B_i为理论谐波分量系数。假设N＝37时，根据香农采样定理可以计算到18阶，由上公式得到谐波分析的实际谐波分量系数为：

通常谐量系数随着阶数增大而逐渐衰减，高阶谐量系数影响较小。从上式可知，在分析低阶谐量系数时，未分离的高阶谐量系数与理论谐量系数阶数跨度大，影响忽略不计。当阶数逐渐增大后，混杂的高阶谐量阶数逐渐向理论阶数靠拢，甚至在18阶时，被临近的19阶直接影响到，如此，即使系数会因阶数增大而衰减，但由于混入相邻阶数的系数，数量级相近，会对分析结果造成很大影响。更何况，实际的谐波也可能存在几个系数较大的高阶次谐波分量，临近混入的高阶次谐波分量将严重影响结果。为了减小谐量混杂的影响，实验中使用36面棱体，测取一周为37个采样点，因此n最高取至17较为合适。

结合式(3)，角度误差可表示为：

式(6)中：

式(6)中，Δθ为实验测得角度误差值，ε(θ)为谐波拟合角度误差。

实验周期内将两个关节模组4每隔几天测取共6组数据，取前5组拟合模型，最后一组验证修正模型效果。首先对于每一组测量数据利用最小二乘法求解A_i和B_i，得到各组各阶次谐波幅值C_i和相位

在实际拟合过程中，拟合一个最佳的谐波误差模型，只考虑有限的幅值较为突出的阶次谐波分量，而非所有阶次谐波分量，可避免因过拟合造成的额外误差。

理论上分析，诸如偏心误差此类安装误差一般不会随时间变化，引起的相应谐波阶次幅值与相位也基本不随时间发生变化，因此可以结合各组实验中各阶次的相位变动，来确定阶次。其中，关节模组a的4，8，12，14，15，16阶的相位波动在10度左右，结合幅值较大的阶次，最终确定1，4，8，12，14，15，16阶；关节模组b的1，4，6，7，8，12，14，16阶的相位波动在10度左右，结合幅值较大的阶次，最终确定0，1，4，7，8，12，14，16阶。由此确定两个关节模组的角度误差的谐波表达式为：

为了减小偶然误差的影响，对五组误差数据的幅值及相位取平均后，最终误差修正模型如下式所示：

通过修正，修正前，关节模组a误差峰峰值为149.53角秒，关节模组b为101.35角秒，应用谐波修正模型后，分别降低至26.62角秒和18.40角秒，误差峰峰值分别下降了82.20％和81.85％。这对于内部结构是精度有限的磁编码器的关节模组而言，角度测量精度有了明显的提升，效果显著。

Claims (3)

1.一种可实现关节模组标定的角度测量装置的角度误差补偿方法，所述角度测量装置是在光学平台(7)上设置由铝型材(6)和固定板(5)构成的基座；在所述固定板(5)的下方固定设置有关节模组(4)，在所述关节模组(4)的旋转轴上设置有阶梯轴(3)，在所述阶梯轴(3)上固定有多面棱体(2)，且与关节模组(4)同心转动；

在光学平台(7)上还设置有自准直仪(1)，并与所述多面棱体(2)保持同一高度；所述自准直仪(1)的镜筒的延长线经过所述多面棱体(2)的中心；

所述关节模组(4)由上位机驱动，并带动所述多面棱体(2)转动，从而检测所述关节模组(4)的旋转角度误差，其特征是，所述角度误差补偿方法是按如下步骤进行：

步骤1、装配平台：

步骤1.1、在光学平台(7)上设置一磁力表座，在所述磁力表座上设置有千分表；使得所述千分表的接触点与所述阶梯轴(3)相接触；

步骤1.2、所述上位机驱动所述关节模组(4)带动阶梯轴(3)转动的过程中，微调所述阶梯轴(3)，使得千分表转动幅度逐渐减小直至不转时，所述关节模组(4)与阶梯轴(3)达到同轴度的要求；

步骤2、实验：

步骤2.1、调整所述多面棱体(2)，使自准直仪(1)的光线照射到所述多面棱体(2)后反射回到所述自准直仪(1)上，并在目镜(10)内形成带有圆光斑的十字像；

步骤2.2、对所述自准直仪(1)进行微调，使得目镜(10)中的十字像与目镜(10)中刻度零点重合，并记为初始零位，同时在所述上位机上显示并记录关节模组(4)的当前实际关节角度读数；

步骤2.3、所述上位机控制所述关节模组(4)转动α度，并根据自准直仪(1)的目镜(10)中的十字像位置，利用所述上位机微调当前关节角度，使得所述十字像与所述刻度零点再次重合，从而在所述上位机上显示并记录转动α度后的关节模组(4)的实际关节角度读数；

步骤2.4、以α为旋转步长，重复步骤2.3直至所述多面棱体(2)转动一周为止，从而得到每个旋转步长对应下的关节模组(4)的实际关节角度读数；

步骤2.5、利用式(1)得到所述关节模组(4)的角度误差Δθ：

式(1)中，

表示第i阶谐波分量相位，C_i表示第i阶谐波分量幅值，θ表示角度，A表示最高阶次，C₀表示初始谐波分量幅值，并有：

式(2)中，Δθ_i为第i次实验测得角度误差值。

2.根据权利要求1所述的角度测量装置的角度误差补偿方法，其特征是：所述阶梯轴(3)底部法兰盘与所述关节模组(4)的旋转轴紧密配合；所述阶梯轴(3)顶端与所述多面棱体(2)紧密配合；所述阶梯轴(3)的中部设置有一通孔用于挂负载。

3.根据权利要求1所述的角度测量装置的角度误差补偿方法，其特征是：多个铝型材(6)通过角件(8)固定在一起并组成长方体结构，从而通过所述角件(8)将所述长方体结构的底面固定至所述光学平台(7)上，将所述长方体结构的顶面固定在固定板(5)上，以形成基座在所述在光学平台(7)上的固定结构。

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