CN112605995B - 一种基于磁场发射器的机械臂运动标定方法 - Google Patents

一种基于磁场发射器的机械臂运动标定方法 Download PDF

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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
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Abstract

本发明提出一种基于磁场发射器的机械臂运动标定方法，包括将磁场发射器与电磁导航系统相连接，将磁片固定于机械臂末端；在机械臂基座、机械臂末端、磁片和磁场发射器上分别建立坐标系；由机械臂带动磁片共同运动，通过电磁导航系统获取磁片的运动数据，通过机械臂获取机械臂末端的运动数据，当机械臂移动一次时，分别记录机械臂末端坐标值和磁片坐标值；构建机械臂的运动标定方程；通过使机械臂移动多个位置，记录机械臂末端坐标值，并记录每个位置对应的磁片坐标值，应用最小二乘法得到所求参数的最佳值；即可得到磁片坐标系和机械臂末端坐标系间的转换关系，完成机械臂的运动标定。上述方法标定结果的精度较高，适用范围广泛。

Description

一种基于磁场发射器的机械臂运动标定方法
技术领域
本发明涉及标定技术领域，尤其涉及一种基于磁场发射器的机械臂运动标定方法。
背景技术
利用机械臂对物体进行定位已广泛应用于医疗领域，但随着控制要求的不断提高，机械结构越加复杂，机械臂控制模型的建立以及计算的难度也逐渐增加。目前广泛应用的机器人由于受零件制造误差、装配误差、负载变化等因素的影响，限制了机械臂在定位任务中的应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种基于磁场发射器的机械臂运动标定方法，该方法操作简单，标定结果的精度较高，适用范围广泛。
为了实现上述目的，本申请提出了一种基于磁场发射器的机械臂运动标定方法，包括以下步骤：
步骤1、将磁场发射器与电磁导航系统相连接，将磁片固定于机械臂末端并且保持固定不动；
步骤2、在机械臂基座、机械臂末端、磁片和磁场发射器上分别建立坐标系，分别为机械臂基座坐标系，记做Base；机械臂末端坐标系，记做End；磁片坐标系，记做magnet；磁场发射器坐标系，记做NDI；
步骤3、由机械臂带动磁片共同运动，通过电磁导航系统获取磁片的运动数据，通过机械臂获取机械臂末端的运动数据，当机械臂移动一次时，即从第一位置移动到第二位置时，分别记录机械臂末端坐标值和磁片坐标值；
步骤4、构建机械臂的运动标定方程：当机械臂移动一次时，即从第一位置移动到第二位置时，机械臂移动前后，机械臂基座坐标系和磁场发射器坐标系之间的相对位置不改变，磁片坐标系和机械臂末端坐标系之间的相对位置不改变，有以下公式成立：
Figure BDA0002836062430000021
其中
Figure BDA0002836062430000022
均表示机械臂末端坐标系到机械臂基座坐标系的转换关系；
Figure BDA0002836062430000023
均表示磁场发射器坐标系到磁片坐标系的转换关系；
Figure BDA0002836062430000024
均表示磁片坐标系到机械臂末端坐标系的转换关系，它们在机械臂移动过程中是不变的；
公式(1)经过转换得到：
Figure BDA0002836062430000025
令
Figure BDA0002836062430000026
即A*X＝X*B；其中A和B是已知的，X是需要求解的参数；
步骤5、通过使机械臂移动多个位置，记录机械臂末端坐标值，并记录每个位置对应的磁片坐标值，应用最小二乘法得到所求参数X的最佳值；即可得到磁片坐标系和机械臂末端坐标系间的转换关系，完成机械臂的运动标定。
本申请的该方案的有益效果在于上述基于磁场发射器的机械臂运动标定方法借助磁场发射器，由机械臂带动磁片共同运动，通过电磁导航系统获取磁片的运动数据，通过机械臂获取机械臂末端的运动数据，结合两者运动的约束关系构建机械臂的运动标定方程，求解该方程即可得到磁片坐标系和机械臂末端坐标系间的转换关系，完成机械臂的运动标定；该方法中磁片方便携带，且标定的操作简单，标定结果的精度较高，适用范围广泛。
附图说明
图1示出了实施例中基于磁场发射器的机械臂运动标定的示意图。
附图标记：1-机械臂，2-机械臂基座，3-机械臂末端，4-磁片，5-磁场发射器。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示，本申请所涉及的基于磁场发射器的机械臂运动标定方法包括以下步骤：
步骤1、将磁场发射器与电磁导航系统相连接，将磁片固定于机械臂末端并且保持固定不动。
步骤2、在机械臂基座、机械臂末端、磁片和磁场发射器上分别建立坐标系，分别为机械臂基座坐标系，记做Base；机械臂末端坐标系，记做End；磁片坐标系，记做magnet；磁场发射器坐标系，记做NDI。
步骤3、由机械臂带动磁片共同运动，通过电磁导航系统获取磁片的运动数据，通过机械臂获取机械臂末端的运动数据，当机械臂移动一次时，即从第一位置移动到第二位置时，分别记录机械臂末端坐标值和磁片坐标值。
步骤4、构建机械臂的运动标定方程：当机械臂移动一次时，即从第一位置移动到第二位置时，机械臂移动前后，机械臂基座坐标系和磁场发射器坐标系之间的相对位置不改变，磁片坐标系和机械臂末端坐标系之间的相对位置不改变，有以下公式成立：
Figure BDA0002836062430000031
其中
Figure BDA0002836062430000032
均表示机械臂末端坐标系到机械臂基座坐标系的转换关系；
Figure BDA0002836062430000033
均表示磁场发射器坐标系到磁片坐标系的转换关系；
Figure BDA0002836062430000034
均表示磁片坐标系到机械臂末端坐标系的转换关系，它们在机械臂移动过程中是不变的，也是我们要求解的。
公式(1)经过转换得到：
Figure BDA0002836062430000041
令
Figure BDA0002836062430000042
即A*X＝X*B；其中A和B是已知的，X是需要求解的参数。
步骤5、通过使机械臂移动多个位置，记录机械臂末端坐标值，并记录每个位置对应的磁片坐标值，应用最小二乘法得到所求参数X的最佳值；即可得到磁片坐标系和机械臂末端坐标系间的转换关系，也就确定了磁片和机械臂末端间的转换关系，完成了机械臂的运动标定。
本申请所涉及的基于磁场发射器的机械臂运动标定方法借助磁场发射器，由机械臂带动磁片共同运动，通过电磁导航系统获取磁片的运动数据，通过机械臂获取机械臂末端的运动数据，结合两者运动的约束关系构建机械臂的运动标定方程，求解该方程即可得到磁片坐标系和机械臂末端坐标系间的转换关系，完成机械臂的运动标定；该方法中磁片方便携带，且标定的操作简单，建立了具有连续性和完备性的运动学模型，标定结果的精度较高，适用范围广泛。

Claims (1)

1.一种基于磁场发射器的机械臂运动标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、将磁场发射器与电磁导航系统相连接，将磁片固定于机械臂末端并且保持固定不动；
步骤2、在机械臂基座、机械臂末端、磁片和磁场发射器上分别建立坐标系，分别为机械臂基座坐标系，记做Base；机械臂末端坐标系，记做End；磁片坐标系，记做magnet；磁场发射器坐标系，记做NDI；
步骤3、由机械臂带动磁片共同运动，通过电磁导航系统获取磁片的运动数据，通过机械臂获取机械臂末端的运动数据，当机械臂移动一次时，即从第一位置移动到第二位置时，分别记录机械臂末端坐标值和磁片坐标值；
步骤4、构建机械臂的运动标定方程：当机械臂移动一次时，即从第一位置移动到第二位置时，机械臂移动前后，机械臂基座坐标系和磁场发射器坐标系之间的相对位置不改变，磁片坐标系和机械臂末端坐标系之间的相对位置不改变，有以下公式成立：
Figure FDA0002836062420000011
其中
Figure FDA0002836062420000012
均表示机械臂末端坐标系到机械臂基座坐标系的转换关系；
Figure FDA0002836062420000013
均表示磁场发射器坐标系到磁片坐标系的转换关系；
Figure FDA0002836062420000014
均表示磁片坐标系到机械臂末端坐标系的转换关系，它们在机械臂移动过程中是不变的；
公式(1)经过转换得到：
Figure FDA0002836062420000015
令
Figure FDA0002836062420000016
即A*X＝X*B；其中A和B是已知的，X是需要求解的参数；
步骤5、通过使机械臂移动多个位置，记录机械臂末端坐标值，并记录每个位置对应的磁片坐标值，应用最小二乘法得到所求参数X的最佳值；即可得到磁片坐标系和机械臂末端坐标系间的转换关系，完成机械臂的运动标定。
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