CN113500584A - 一种三自由度并联机器人的末端误差校正系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人领域，公开了一种三自由度并联机器人的末端误差校正系统及方法，所述末端误差校正系统包括：并联机器人本体以及视觉定位系统；其中，并联机器人本体包括：电子舱、静平台、3组对称排布的并联机构和动平台，电子舱中安装有并联机器人运动控制系统，并联机构包括：臂舵机、主动臂以及从动臂；视觉定位系统包含：至少4台视觉定位摄像机，1台视觉定位装置和3个被动式反光靶标，其中，视觉定位摄像机和视觉定位装置之间通过有线或者无线方式组网，3个被动式反光靶标分别固定在静平台、动平台中心点处以及一臂舵机输出轴处。根据本发明三自由度并联机器人的末端误差校正系统及方法在保证定位精度的同时，有效控制了实施的成本。

Description

一种三自由度并联机器人的末端误差校正系统及方法

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种机器人的末端误差校正系统及方法，特别涉及一种三自由度并联机器人的末端误差校正系统及方法。

背景技术

随着智能制造水平的不断提升，自动化生产线对机器人需求也越来越大。并联机器人的发展比串联机器人晚的多，诞生距今不过几十年时间，但由于其具有结构简单、精度高、承载能力强等特点，有着越来越广泛的应用场景。

为了实现对并联机器人的精确控制，需要对装配好的并联机器人末端进行误差校正。现有的一种方法是通过提高加工和装配精度，来保证并联机器人的末端定位精度，但这种方法只能一定程度上改善精度，且对于定位精度要求较高的应用场景，成本太大。

另一种方法是对装配好的机器人进行误差校正，但现有方案往往要用到三维激光跟踪仪等贵重仪器进行误差测量，这种方案限制了误差校正方法的应用范围。

发明内容

(1)技术问题

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种简单有效、便于现场应用的三自由度并联机器人的末端误差校正系统及方法。

(2)技术方案

根据本发明的一方面，提供了一种三自由度并联机器人的末端误差校正系统，包括：并联机器人本体以及视觉定位系统；其中，并联机器人本体包括：电子舱、1个静平台、 3组对称排布的并联机构和1个动平台，电子舱中安装有并联机器人运动控制系统，并联机构包括：臂舵机、主动臂以及从动臂；视觉定位系统包含：至少4台视觉定位摄像机， 1台视觉定位装置和3个被动式反光靶标，其中，视觉定位摄像机和视觉定位装置之间通过有线或者无线方式组网，3个被动式反光靶标分别固定在静平台、动平台中心点处以及一臂舵机输出轴处。

根据本发明的另一方面，还提供了一种利用上述误差校正系统的一种三自由度并联机器人的末端误差校正方法，包括如下步骤：

(1)视觉定位系统初始化；

利用视觉定位装置对多台视觉定位摄像机进行时钟同步和图像校准，建立视觉定位坐标系O_v-x_vy_vz_v，该坐标系z_v轴竖直向上，x_v轴和y_v轴都在水平面内。

(2)视觉定位装置建立并联机器人的误差映射模型；

以并联机器人3个臂舵机输出轴轴线所围成的三角形中心O为坐标系原点，z轴垂直静平台竖直向上，x轴为从原点O指向1号臂舵机输出轴的轴线且与静平台所在水平面平行，建立右手坐标系O-xyz，即为并联机器人本体系，绕z轴正向旋转依次为2号和3号舵机。由空间矢量法可得到动平台中心的位置矢量

r＝r_si+l_iu_i+L_iw_i

其中，r_si为动静平台合成矢量，l、L分别为主动臂和从动臂的标称长度，l_i和L_i分别表示第i条支链上主动臂和从动臂的实际长度，u_i、w_i分别为主动臂和从动臂的方向向量，i＝1,2,3。对上式两端作小摄动并取一阶线性化，可得

Δr＝Δr_si+Δl_iu_i+lΔu_i+ΔL_iw_i+LΔw_i

等式两边分别左乘

则有

整理可得并联机器人末端误差映射模型

Δr＝J_errΔp

其中Δr为并联机器人的末端误差，J_err为误差映射矩阵，Δp为系统的误差模型参数。这些参数的定义如下：

J_err＝C^-1D

C＝[w₁ w₂ w₃]^T

其中，脚标i＝1,2,3表示并联机械臂支链的序号；主动臂姿态误差矩阵

误差模型参数Δp主要包括以下影响因素：从动臂长度误差ΔL_i，主动臂长度误差Δl_i，静动平台误差

主动臂姿态误差

(3)视觉定位装置计算机器人本体系和视觉定位坐标系之间的坐标变换量；

将2个被动式反光靶标固定于姿态定位点处，即并联机器人静平台中心处、1号臂舵机输出轴处，使用视觉定位系统测量这两点的坐标，根据这两点的坐标可计算出两个坐标系之间的平移向量r_t和旋转矩阵

其中θ表示从并联机器人本体系到视觉定位坐标系变换时沿z轴旋转的角度。

(4)视觉定位系统测量并联机器人在校正点处的末端误差；

首先将1个被动式反光靶标固定在并联机器人动平台中心点处。在并联机器人工作空间内选取均匀分布的66个校正点作为期望位置r₀；使用电子舱内的运动控制系统使动平台依次运动到这些校正点处，在此过程中使用视觉定位系统测量并联机器人末端在视觉定位坐标系下的实际的坐标r_v；将该坐标转换到并联机器人本体系下r₀'＝R(r_v-r_t)，即可得到并联机器人的末端误差向量Δr＝r₀'-r₀。

(5)视觉定位装置进行并联机器人的误差模型参数辨识；

已知了并联机器人的校正点r₀和对应的末端误差向量Δr的情况下，根据并联机器人运动学模型可计算出对应的误差映射矩阵J_err，对公式Δr＝J_errΔp使用最小二乘法辨识出误差模型参数

(6)视觉定位装置计算并联机器人系统的误差校正值并发送给运动控制系统。

辨识出误差模型的参数Δp之后即可撤去视觉定位系统。在给定任意期望坐标r后，计算出对应的误差映射矩阵J_err，使用公式Δr＝J_errΔp计算出并联机器人系统输入的误差校正值Δr，给并联机器人的运动控制系统输入信号(r-Δr)，此时并联机器人输出的实际坐标即为校正后的坐标。

(3)有益效果

与现有技术方案相比，根据本发明实施例的三自由度并联机器人的末端误差校正系统及方法简便易用，仅需在使用并联机器人之前进行一次误差模型辨识，有效提高了并联机器人的末端定位精度。

相较于传统的基于视觉的误差校正方法，即将摄像机固定于并联机器人动平台上，采用非接触式的三维视觉定位系统避免了对并联机器人本体的扰动。同时相较于三维激光跟踪仪等高精度、高成本测量设备，由于采用了成本较低的视觉定位系统进行测量，在保证定位精度的同时，有效控制了方案实施的成本。

附图说明

图1是本发明的一种三自由度并联机器人的末端误差校正系统结构示意图。

图2是本发明的一种三自由度并联机器人的运动学误差校正方法的工作流程图。

图3是本发明的一种三自由度并联机器人的等效结构示意图。

图4是本发明的一种三自由度并联机器人的运动学误差校正方法在工作空间中选取的66个校正点示意图。

图5是本发明的一种三自由度并联机器人的运动学误差校正方法在进行校正前与校正后并联机器人末端坐标误差的对比图。

图中：1、视觉定位摄像机；2、视觉定位装置；3、电子舱；4、臂舵机；5、动平台； 6、静平台；7、主动臂；8、从动臂；A、静平台中心处的被动式反光靶标；B、1号舵机输出轴处的被动式反光靶标；C、动平台中心点处的被动式反光靶标。

具体实施方式

为进一步阐释本发明的目的、技术方案和优点，下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，三自由度并联机器人包括电子舱3、动平台5、静平台6以及3条对称排布的支链(也可称作“并联机构”)组成，其中每条支链都包含1个臂舵机4、主动臂7 和从动臂8。

并联机器人运动时，由3个臂舵机驱动分别与之相连的3个主动臂转动，进而带动3个从动臂运动，从而使得动平台5产生三维空间内的平动。动平台的运动空间是圆柱体空间。

视觉定位摄像机1采用带有红外光源的CCD相机，固定在并联机器人本体上的被动式反光靶标A、B、C可以反射红外光，这样可避免环境中可见光对视觉定位系统的影响。

多个视觉定位摄像机1之间通过网线串联后，连接到视觉定位装置2的RJ45接口上，这些设备连通起来形成了一个局域网，视觉定位摄像机1采集到的图像信息通过该局域网传输到视觉定位装置2中。

视觉定位装置2安装有用于对视觉定位摄像机1采集的图像数据进行处理的软件，可以实现对多个视觉定位摄像机1进行时钟同步和图像校准，能够对视觉定位摄像机1传输的图像进行处理，从中检测被动式反光靶标并计算出靶标在视觉定位坐标系下的三维空间坐标。

如图1、2所示，本发明还提供了一种三自由度并联机器人的末端误差校正实施例，该方法的具体步骤和工作原理为：

步骤一：搭建视觉定位系统及初始化，具体地：

将多台(至少4台)视觉定位摄像机1和视觉定位装置2通过网线如图1所示依次串联起来，形成一个局域网，并给摄像机接上外部供电电源，由此完成视觉定位系统的硬件连接。

进一步地，利用视觉定位装置2对多台视觉定位摄像机1进行时钟同步和图像校准，建立视觉定位坐标系O_v-x_vy_vz_v，该坐标系z_v轴竖直向上，x_v轴和y_v轴都在水平面内。

步骤二：视觉定位装置建立并联机器人的误差映射模型，具体地：

如图3所示，三角形ΔT₁T₂T₃为静平台，其中心点为O；主动臂T₁C₁位置矢量为lu₁，从动臂C₁P₁位置矢量为Lw₁，三角形ΔP₁P₂P₃为动平台，其中心点为C。以并联机器人3 个臂舵机的输出轴轴线所围成的三角形ΔT₁T₂T₃中心O为坐标系原点，z轴垂直静平台6竖直向上，x轴为从原点O指向1号臂舵机输出轴的轴线且与静平台6所在水平面平行，建立右手坐标系O-xyz，即为并联机器人本体系，绕z轴正向旋转依次为2号和3号舵机。在T₁点(即B点)处建立主动臂坐标系B-x_By_Bz_B，其中z轴竖直向上，y轴沿主动臂电机输出轴方向，x轴由右手定则得到。记系B-x_By_Bz_B相对于系O-xyz三轴的偏转角度向量为

由空间矢量法可得到动平台中心的位置矢量

r＝r_si+l_iu_i+L_iw_i

其中，r_si＝r_ai-r_bi为动静平台合成矢量，向量r_ai位于静平台所在平面内且从静平台中心点指向第i条支链，向量r_bi位于动平台所在平面内且从动平台中心点指向第i条支链，l、L 分别为主动臂和从动臂标称长度，l_i和L_i分别表示第i条支链上主动臂和从动臂的实际长度，u_i、w_i分别为主动臂和从动臂的方向向量。对上式两端作小摄动并取一阶线性化，可得

Δr＝Δr_si+Δl_iu_i+lΔu_i+ΔL_iw_i+LΔw_i

等式两边分别左乘

则有

整理可得并联机器人末端误差映射模型

Δr＝J_errΔp

其中Δr为并联机器人的末端误差，J_err为误差映射矩阵，Δp为系统的误差模型参数，这些参数的定义如下：

J_err＝C^-1D

C＝[w₁ w₂ w₃]^T

其中脚标i表示并联机械臂支链的序号；主动臂姿态误差矩阵

误差模型参数Δp主要包括以下影响因素：从动臂长度误差ΔL_i，主动臂长度误差Δl_i，静动平台误差

主动臂姿态误差

步骤三：视觉定位装置计算机器人本体系和视觉定位坐标系之间的坐标变换量，具体地：

静平台中心A处、1号臂舵机输出轴B处，使用视觉定位系统测量这两点在视觉定位坐标系O_v-x_vy_vz_v下的坐标(x_A,y_A,z_A)、(x_B,y_B,z_B)。由图1可知原点O在视觉坐标系下的坐标为(x_A,y_A,z_A)，因此可得到两个坐标系之间的平移变换向量r_t＝(x_A,y_A,z_A)。从机器人的设计图上可以得到点B在坐标系O-xyz下的坐标(x_B',y_B',z_B')，则点B在水平面内的理论方位角为α_B＝atan2(y_B',x_B')；在坐标系O_v-x_vy_vz_v下点B在水平面内的实际方位角为α_v＝atan2(y_B-y_A,x_B-x_A)，则从并联机器人本体系到视觉定位坐标系变换时沿z轴旋转的角度θ＝α_B-α_v，由此可得到两个坐标系之间的旋转变换矩阵

步骤四：视觉定位系统测量并联机器人在校正点处的末端误差，具体地：

首先将1个被动式反光靶标固定在并联机器人动平台中心点C处。在并联机器人工作空间内选取均匀分布的66个校正点作为期望位置r₀，如图4所示；使用电子舱3内的运动控制系统使动平台依次运动到这些校正点处，在此过程中使用视觉定位系统测量并联机器人末端C点在视觉定位坐标系O_v-x_vy_vz_v下的实际的坐标r_v。视觉定位系统的工作原理是空间内的三点定位，即当被动式反光靶标能够同时被至少3个视觉定位摄像机捕捉到时，可利用这些相机拍摄的图像中靶标的视角差异来计算出靶标的三维坐标信息，当同时捕捉到靶标的摄像机的数目越多时，定位越可靠。

进一步地，将坐标r_v转换到并联机器人本体系O-xyz下r₀'＝R(r_v-r_t)，然后即可得到并联机器人的末端误差向量Δr＝r₀'-r₀。

步骤五：视觉定位装置进行并联机器人的误差模型参数辨识，具体地：

已知了并联机器人的校正点和对应的末端误差向量Δr的情况下，根据并联机器人运动学模型可计算出对应的误差映射矩阵J_err，对公式Δr＝J_errΔp使用最小二乘法辨识出误差模型参数

步骤六：视觉定位装置计算并联机器人系统的误差校正值并发送给运动控制系统，具体地：

辨识出误差模型的参数Δp之后即可撤去视觉定位系统。在给定任意期望坐标r后，根据并联机器人的运动学模型可计算出对应的误差映射矩阵J_err，使用公式Δr＝J_errΔp计算出并联机器人系统输入的误差校正值Δr，给并联机器人的运动控制系统输入信号(r-Δr)，此时并联机器人输出的实际末端点C的坐标即为校正后的坐标。

如图4所示的校正点的选取过程如下：首先在并联机器人工作空间中选取4个水平面，这些水平面在纵向上均匀分布在工作空间中；然后在每个水平面上，选择2个圆，圆心都在并联机器人本体系的z轴上，半径分别为工作空间半径的92％和48％；接下来在每个圆上每隔45°取一个校正点，则一共有(360°÷45°×2)×4＝64个校正点；最后在最上和最下两个选取的水平面上各取一个中心点，此时一共选取了64+2＝66个校正点。

并联机器人动平台末端的位置坐标在校正前和校正后的误差如图5所示，可以看出校正后的误差大幅降低，定位精度由厘米级提高到了毫米级；且校正后的误差较为均匀地分布于0附近，没有出现校正前误差大幅偏向某一侧的现象。以上校正结果说明了本发明提出的一种并联机器人末端误差校正系统及方法的有效性。

以上内容是结合具体的优选实例对本发明所作的进一步的详细说明，但是上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员在本发明的启发下，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变形，且性能或用途相同，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种三自由度并联机器人的末端误差校正系统，其特征在于，所述末端误差校正系统包括：并联机器人本体以及视觉定位系统；其中，并联机器人本体包括：电子舱、1个静平台、3组对称排布的并联机构和1个动平台，电子舱中安装有并联机器人运动控制系统，并联机构包括：臂舵机、主动臂以及从动臂；视觉定位系统包含：至少4台视觉定位摄像机，1台视觉定位装置和3个被动式反光靶标，其中，视觉定位摄像机和视觉定位装置之间通过有线或者无线方式组网，3个被动式反光靶标分别固定在静平台、动平台中心点处以及一臂舵机输出轴处。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度并联机器人的末端误差校正系统的末端误差校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)视觉定位系统初始化；

(2)视觉定位装置建立并联机器人的误差映射模型；

(3)视觉定位装置计算机器人本体系和视觉定位坐标系之间的坐标变换量；

(4)视觉定位系统测量并联机器人在校正点处的末端误差；

(5)视觉定位装置进行并联机器人的误差模型参数辨识；

(6)视觉定位装置计算并联机器人系统的误差校正值并发送给运动控制系统。

3.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于，视觉定位系统初始化包括：利用视觉定位装置对多个视觉定位摄像机进行时钟同步和图像校准，建立视觉定位坐标系O_v-x_vy_vz_v，该坐标系z_v轴竖直向上，x_v轴和y_v轴位于水平面内。

4.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于，视觉定位装置建立并联机器人的误差映射模型包括：

以并联机器人3个臂舵机输出轴轴线所围成的三角形中心O为坐标系原点，z轴垂直静平台竖直向上，x轴为从原点O指向一臂舵机输出轴的轴线且与静平台所在水平面平行，建立并联机器人本体系O-xyz，利用空间矢量法建立并联机器人的运动学模型，并利用小扰动法得到并联机器人末端误差映射模型Δr＝J_errΔp，其中，Δr为并联机器人的末端误差，J_err为误差映射矩阵，Δp为系统的误差模型参数。

5.根据权利要求2所述的校正方法，其特征在于，视觉定位装置计算机器人本体系和视觉定位坐标系之间的坐标变换量包括：

利用视觉定位系统测量静平台中心点处以及一臂舵机输出轴处2个被动式反光靶标两点的坐标，根据这两点的坐标可计算出两个坐标系之间的平移向量r_t和旋转矩阵

其中，θ表示从并联机器人本体系到视觉定位坐标系变换时沿z轴旋转的角度。

6.根据权利要求5所述的校正方法，其特征在于，视觉定位系统测量并联机器人在校正点处的末端误差包括：

在并联机器人工作空间内选取均匀分布的66个校正点作为期望位置r₀；使动平台依次运动到这些校正点处，使用视觉定位系统测量并联机器人末端在视觉定位坐标系下的实际的坐标r_v；将该坐标转换到并联机器人本体系下r₀'＝R(r_v-r_t)，得到并联机器人的末端误差向量Δr＝r₀'-r₀。

7.根据权利要求6所述的校正方法，其特征在于，视觉定位装置进行并联机器人的误差模型参数辨识包括：

根据并联机器人运动学模型可计算出对应的误差映射矩阵J_err，对公式Δr＝J_errΔp使用最小二乘法辨识出误差模型参数

8.根据权利要求7所述的校正方法，其特征在于，视觉定位装置计算并联机器人系统的误差校正值并发送给运动控制系统包括：

辨识出误差模型参数Δp之后，在给定任意期望坐标r后，计算出对应的误差映射矩阵J_err，使用公式Δr＝J_errΔp计算出并联机器人系统的误差校正值Δr，给并联机器人的运动控制系统输入信号(r-Δr)。

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