CN113894791B - 多自由度机器人的运动学标定方法及标定系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种具有多自由度的机器人的运动学标定方法，机器人包括基座、末端执行器以及通过关节连接的臂，方法包括：通过限制基座和末端执行器来锁定多个自由度中的一部分以实施自由度限制；使机器人运动以执行第一动作，并获取相应的与关节角度关联的第一组数据以及末端执行器的第一实际运动；根据第一组数据和初始运动学参数计算末端执行器的第一理论运动；以及基于第一理论运动和第一实际运动更新机器人的初始运动学参数以获取第一更新运动学参数。

Description

多自由度机器人的运动学标定方法及标定系统

技术领域

本申请涉及机器人领域，尤其涉及一种多自由度机器人的运动学标定方法及标定系统。

背景技术

为实现机器人的灵活操作，往往赋予机器人多个运动自由度。例如，具有六个自由度的机械手可以通过六个关节来实现，每个关节连接相邻的两个机器人的臂。以此，通过恰当的关节配置，可以在一定的三维空间中任意调整位于末端的执行器，如夹爪的位置和朝向。

机器人在进行工作前需进行运动学标定，以确保机器人的动作准确。运动学标定是确定机器人运动学结构中某些参数的过程，例如与机器人的各段手臂的相对位置和方向关联的参数。申请人已知的用于工业机器人的运动学标定方法需要使用外部传感器，例如激光跟踪器、百分表或拉线装置等来测量机器人的运动，测量结果用于估计机器人的运动学特性。这些外部传感器会给标定过程带来额外的测量误差、复杂的配置以及较高的成本。

发明内容

本申请提供一种改进的多自由度机器人的运动学标定方法及标定系统，以解决现有技术中的至少一个技术问题。

本申请一方面提供一种具有多自由度的机器人的运动学标定方法，机器人包括基座、末端执行器以及通过关节连接的臂，方法包括：通过限制基座和末端执行器来锁定多个自由度中的一部分以实施自由度限制；使机器人运动以执行第一动作，并获取相应的与关节角度关联的第一组数据以及末端执行器的第一实际运动；根据第一组数据和初始运动学参数计算末端执行器的第一理论运动；以及基于第一理论运动和第一实际运动更新机器人的初始运动学参数以获取第一更新运动学参数。

在一个实施例中，使机器人运动以执行第一动作包括控制关节使机器人运动以执行第一动作，或者使机器人在外力作用下运动以执行第一动作。

在一个实施例中，方法还包括：使机器人运动以执行第二动作，并相应地获取与关节角度相关联的第二组数据以及末端执行器的第二实际运动，第二动作不同于第一动作；根据第二组数据和初始运动学参数计算末端执行器的第二理论运动；以及根据第二理论运动和第二实际运动更新初始运动学参数以获取第二更新运动学参数，并基于第一更新运动学参数和第二更新运动学参数确定标定的运动学参数。

在一个实施例中，方法还包括：使机器人运动以执行第二动作，并相应地获取与关节角度相关联的第二组数据以及末端执行器的第二实际运动，第二动作不同于第一动作；根据第二组数据和第一更新运动学参数计算末端执行器的第二理论运动；以及根据第二理论运动和第二实际运动更新第一更新运动学参数以获取第二更新运动学参数，并将其作为标定的运动学参数。

在一个实施例中，使机器人运动以执行第一动作包括使机器人的所有关节产生关节角度变化以执行第一动作。

在一个实施例中，机器人包括具有n个自由度的n轴机器人，其中n为大于等于2的自然数，锁定多个自由度中的一部分包括锁定n-1个自由度，从而使得机器人能够在其零空间中运动，使机器人运动以执行第一动作包括使机器人运动以执行第一零空间运动。

在一个实施例中，机器人为具有七个自由度的冗余机器人，锁定n-1个自由度包括锁定基座以及将末端执行器锁定到第一位置，从而锁定六个自由度。

在一个实施例中，方法还包括：将末端执行器运动并锁定到不同于第一位置的第二位置；使机器人运动以执行第三零空间运动，并相应地获取与关节角度关联的第三组数据以及末端执行器的第三实际运动；基于第三组数据以及初始运动学参数计算末端执行器的第三理论运动；以及根据第三理论运动以及第三实际运动更新初始运动学参数以获取第三更新运动学参数，并基于第一更新运动学参数和第三更新运动学参数确定标定的运动学参数。

在一个实施例中，基座和末端执行器被锁定到同一固定装置上。

在一个实施例中，基于第一组数据和初始运动学参数更新初始运动学参数包括使用成对距离法更新初始运动学参数。

在一个实施例中，锁定多自由度中的一部分包括锁定基座，同时允许末端执行器在多个方向上运动，多个方向的数量小于多个自由度的数量。

在一个实施例中，末端执行器配置为在固定的线性方向上沿着线性轨道运动。

在一个实施例中，末端执行器配置为围绕轴承的轴线旋转。

在一个实施例中，末端执行器配置为在一个平面上运动。

在一个实施例中，末端执行器配置为围绕球关节的中心旋转。

本申请另一方面提供一种具有多自由度的机器人的运动学标定系统，机器人包括基座、末端执行器以及通过关节连接的臂，运动学标定系统包括用以对机器人进行运动学标定的控制系统，控制系统配置为执行本申请各实施例中所述的运动学标定方法。

本发明的一个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中提出。本发明的其它特征、目的和优点将从说明书、附图以及权利要求书变得明显。

附图说明

结合描述本申请的各种实施例的附图，通过对本申请的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本申请的这些和其它特征，其中：

图1是本申请一个实施例的机器人的示意图；

图2是本申请一个实施例的机器人运动学标定的方法的流程图；

图3是本申请一个实施例的机器人运动学标定系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解。例如，除非另有明确的限定，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。又比如，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本申请提供一种多自由度机器人的运动学标定方法，机器人包括基座、末端执行器以及通过关节连接的臂。标定方法包括：通过限制机器人的基座和末端执行器来锁定多个自由度中的一部分以实施自由度限制；使机器人运动以执行第一动作，并获取相应的与关节角度关联的第一组数据以及末端执行器的第一实际运动；根据第一组数据和初始运动学参数计算末端执行器的第一理论运动；以及基于第一理论运动和第一实际运动更新机器人的初始运动学参数以获取第一更新运动学参数。

在一个实施例中，如图1所示，机器人10包括一端的基座11、位于另一端的末端执行器12，多个臂13以及连接相邻的基座11、臂13及末端执行器12的关节14。末端执行器12可以包括多种形式，例如夹持器等。由于在该示例中，由于机器人10存在七个关节，因此属于具有七个自由度的七轴机器人，同时也因此构成可于三维笛卡尔坐标系空间执行操作的冗余机器人。

参照图2，根据本申请一些实施例，进行机器人运动学标定的方法包括：

S1：通过限制机器人的基座和末端执行器来锁定多个自由度中的一部分以实施自由度限制。

在一个实施例中，假定机器人为具有n个自由度的n轴机器人，其中n为大于等于2的自然数。锁定多个自由度中的一部分包括锁定n-1个自由度，从而使机器人运动以执行零空间运动。零空间(null-space)运动即是指在末端执行器不运动的情况下机器人其他部分如臂和关节进行运动。以具有七个自由度的机器人10举例说，锁定基座11和末端执行器12可以锁定六个自由度，此时剩余一个自由度可供机器人10执行零空间运动。在一些实施例中，可以通过将基座11和末端执行器12固定至相同的或不同的固定装置上来实现二者的锁定。

在其他实施例中，可以通过其他限制基座11和末端执行器12的方式来减少被锁定的自由度。例如，允许末端执行器12在多个方向上运动，从而给与机器人10在标定过程中的更多的运动自由度。此处多个方向的数量小于机器人10的自由度的数量。

例如，在一个示例中，末端执行器12配置为在固定的线性方向上沿着线性轨道运动。此时相对于末端执行器被固定的情况多出了一个可供机器人10运动的自由度。如对于七个自由度的机器人10而言，则留有两个自由度可供机器人10运动。

在另一个示例中，末端执行器12配置为围绕轴承的轴线旋转。此时相对于末端执行器被固定的情况，同样多出一个可供机器人10运动的自由度。如对于具有七个自由度的机器人10而言，同样留有两个自由度可供机器人10运动。

在另一示例中，末端执行器12配置为在一个平面上运动。此时相对于末端执行器被固定的情况则多出两个可供机器人10运动的自由度。如对于具有七个自由度的机器人10而言，则留有三个自由度可供机器人10运动。

在另一示例中，末端执行器12配置为围绕球关节的中心旋转。此时相对于末端执行器被固定的情况多出了三个可供机器人运动的自由度。如对于具有七个自由度的机器人10而言，留有四个自由度可供机器人运动。

S2：使机器人运动以执行第一动作，并获取相应的与关节角度关联的第一组数据以及末端执行器的第一实际运动。

例如，针对具有七个自由度的机器人10，将其基座11与末端执行器12固定，则此时可以使得机器人10执行零空间运动。此时第一动作即为第一零空间动作，第一实际运动实质上是零运动，即末端执行器由于被固定并未产生实际运动。

在末端执行器12未完全固定的示例中，第一实际运动包括末端执行器12在各自由度上的运动情况，例如旋转角度、运动方向、运动的行程等。

在一个实施例中，可以控制机器人10执行第一动作，例如基于指令控制关节14运动以控制机器人10执行第一动作。在另一实施例中，可以使机器人10在外力作用下运动以执行第一动作。例如通过人力促动机器人10运动以执行第一动作。第一动作可以是预定的动作，也可以是相对随机的动作，均可以实现后面所要描述的收集数据进行参数标定的过程。

在一个实施例中，可以使机器人10的所有关节14均运动，即产生关节角度的变化。在其他实施例中，例如在机器人10留有多个可供运动的自由度的情况下，可以仅使部分关节14运动。

与关节角度关联第一组数据可以直接是关节角度数据，或者是用以反映关节角度的间接数据。基于这些角度数据同时可以计算出与关节14相连的各个臂13的运动情况，例如臂13在运动后的姿态。因此第一组数据可以用于后面所要描述的运动学参数的标定。

S3：根据第一组数据和初始运动学参数计算末端执行器的第一理论运动。

所谓理论运动即是指根据初始运动学参数，末端执行器理论上应该可以实现的运动。根据关节角度数据以及初始的运动学参数可以计算出末端执行器的运动情况。初始运动学参数可以是机器人出厂时设定的数据，也可以是前次标定后的最终标定数据。在实际情况中，由于各种误差存在，例如由于零部件的磨损等导致参数发生变化，根据初始运动学参数计算得到的理论运动与实际产生的运动并不一致。

在一个实施例中，采用正向运动学方法计算末端执行器12的第一理论运动，即根据关节参数使用正向运动学等式来计算末端执行器12的理论运动。正向运动学方法是本领域的现有技术，本申请在此不另作详细赘述。

S4：基于第一理论运动和第一实际运动更新机器人的初始运动学参数以获取第一更新运动学参数。

如前面所述，基于初始运动学参数计算的理论运动和实际运动之间不一致，因此需对机器人10运动学参数作重新标定，使得通过正向运动学计算出的运动与实际运动一致。以此，可以根据关节数据推导出末端执行器12的姿态，包括朝向和位置，或者根据期望的末端执行器12的姿态逆向计算出所需要的关节运动数据，用以控制关节14运动。

在一个实施例中，可以通过适当的算法进行运动学参数的更新。例如，采用成对距离(Pair-wise distance)法将计算值收敛到实际值，从而获取第一更新运动学参数。

在一个实施例中，可以直接以获取的第一更新运动学参数作为机器人10的标定运动学参数。

在其他实施例中，可以进行多次标定，并获取多组更新运动学参数，从而综合这些更新运动学参数确定机器人10最终的标定运动学参数。

例如，在一个实施例中，标定方法还包括：使机器人10运动以执行第二动作，并相应地获取与关节角度相关联的第二组数据以及末端执行器12的第二实际运动，其中第二动作不同于第一动作；根据第二组数据和初始运动学参数计算末端执行器12的第二理论运动；根据第二理论运动和第二实际运动更新初始运动学参数以获取第二更新运动学参数。

以上获取第二更新运动学参数的过程与前面描述的获取第一更新运动学参数的过程类似，差别在于改变了机器人10的动作。例如，针对零空间运动而言，部分或全部关节14或臂13的运动发生了变化。

通过改变机器人10的动作重新进行运动学标定，可以基于两次标定的结果，综合计算出最后的标定运动学参数，例如采用二者的平均值作为最终的标定运动学参数。

此外，在另一实施例中，在第二次标定过程中，可以将第一更新运动学参数作为初始运动学参数，采用相似的流程进行重新标定，从而获取第二更新运动学参数，并以该第二更新运动学参数作为机器人10的标定运动学参数。

在将机器人10的基座11以及将末端执行器12锁定以使得机器人10执行零空间运动的实施例中，标定方法还可以包括：将末端执行器12运动并锁定到不同于第一位置的第二位置；使机器人10运动以执行第三零空间运动，并相应地获取与关节角度关联的第三组数据以及末端执行器12的第三实际运动；基于第三组数据以及初始运动学参数计算末端执行器12的第三理论运动；以及根据第三理论运动以及第三实际运动更新初始运动学参数以获取第三更新运动学参数，并基于第一更新运动学参数和第三更新运动学参数确定标定运动学参数。

以上获取第三更新运动学参数的过程与前面描述的获取第一更新运动学参数的过程类似，差别在于改变了机器人10的末端执行器12的位置。

通过改变末端执行器12的位置重新进行一次标定，可以基于两次标定的结果，综合确定最终的标定运动学参数，例如采用二者的平均值作为最终的标定运动学参数。在另一实施例中，在第二次标定过程中，可以将第一更新运动学参数作为初始运动学参数，采用相似的流程进行重新标定，从而获取第三更新运动学参数，并以该第三更新运动学参数作为最终的标定运动学参数。

当然，也可以综合前述的第一更新运动学参数、第二更新运动学参数以及第三更新运动学参数，从而最终确定标定运动学参数。例如，例如采用三者的平均值作为最终的标定运动学参数。

可以理解的是，以上所提及的“第二更新运动学参数”和“第三更新运动学参数”仅是为了描述方便而作出的名称上的区分，二者并无逻辑上的必然依存关系。例如获取第三更新运动学参数并不依赖于第二更新运动学参数。当然也可以理解的是，获取第三更新运动学参数也可以在第二更新运动学参数的基础上进行，例如以第二更新运动学参数作为初始运动学参数，改变末端执行器12的位置，重新进行标定以获取第三更新运动学参数，并作为最终的标定运动学参数。

本申请同时还提供了一种具有多自由度的机器人的运动学标定系统。参图3，运动学标定系统包括用以对机器人10进行运动学标定的控制系统20。控制系统20可以是具有处理器的各种计算机系统。可以理解的是，控制系统20可以是机器人10自身的控制系统，也可以是单独的用于运动学标定的系统。控制系统20配置为执行以上各实施例中所描述的运动学标定方法，例如控制机器人10运动以执行动作并获取相应的与关节角度关联的数据以及末端执行器12的运动；根据数据和初始运动学参数计算末端执行器12的理论运动；以及基于理论运动和实际运动更新机器人10的初始运动学参数以获取更新运动学参数。由于本申请以上对各实施例的方法均已经作了详细的介绍，因此在此不另作详细赘述。

根据本申请的多个实施例的运动学标定方法和标定系统，无需使用大量外部传感器来获取参数以进行标定，从而简化了系统及流程，降低了标定成本。此外，基于本申请的多个实施例的运动学标定方法和标定系统，可便于进行多次标定或叠加标定，因此具有较好的运动学标定精度和标定效率，同时标定过程具有较大灵活性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种具有多自由度的机器人的运动学标定方法，所述机器人包括基座、末端执行器以及通过关节连接的臂，其特征在于，所述方法包括：

通过限制所述基座和所述末端执行器来锁定多个自由度中的一部分以实施自由度限制；

使所述机器人运动以执行第一动作，并获取相应的与关节角度关联的第一组数据以及所述末端执行器的第一实际运动；

根据所述第一组数据和初始运动学参数计算所述末端执行器的第一理论运动；以及

基于所述第一理论运动和所述第一实际运动更新所述机器人的所述初始运动学参数以获取第一更新运动学参数，

所述机器人包括具有n个自由度的n轴机器人，其中n为大于等于2的自然数，所述锁定多个自由度中的一部分包括锁定n-1个自由度，从而使得所述机器人能够在其零空间中运动，所述使所述机器人运动以执行第一动作包括使所述机器人运动以执行第一零空间运动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使所述机器人运动以执行第一动作包括控制所述关节使所述机器人运动以执行所述第一动作，或者使所述机器人在外力作用下运动以执行所述第一动作。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

使所述机器人运动以执行第二动作，并相应地获取与关节角度相关联的第二组数据以及所述末端执行器的第二实际运动，所述第二动作不同于所述第一动作；

根据所述第二组数据和所述初始运动学参数计算所述末端执行器的第二理论运动；以及

根据所述第二理论运动和所述第二实际运动更新所述初始运动学参数以获取第二更新运动学参数，并基于所述第一更新运动学参数和所述第二更新运动学参数确定标定的运动学参数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

使所述机器人运动以执行第二动作，并相应地获取与关节角度相关联的第二组数据以及所述末端执行器的第二实际运动，所述第二动作不同于所述第一动作；

根据所述第二组数据和第一更新运动学参数计算所述末端执行器的第二理论运动；以及

根据所述第二理论运动和所述第二实际运动更新所述第一更新运动学参数以获取第二更新运动学参数，并将其作为标定的运动学参数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使所述机器人运动以执行第一动作包括使所述机器人的所有所述关节产生关节角度变化以执行所述第一动作。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机器人为具有七个自由度的冗余机器人，所述锁定n-1个自由度包括锁定所述基座以及将所述末端执行器锁定到第一位置，从而锁定六个自由度。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述末端执行器运动并锁定到不同于第一位置的第二位置；

使所述机器人运动以执行第三零空间运动，并相应地获取与关节角度关联的第三组数据以及所述末端执行器的第三实际运动；

基于所述第三组数据以及所述初始运动学参数计算所述末端执行器的第三理论运动；以及

根据所述第三理论运动以及所述第三实际运动更新初始运动学参数以获取第三更新运动学参数，并基于所述第一更新运动学参数和所述第三更新运动学参数确定标定的运动学参数。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基座和所述末端执行器被锁定到同一固定装置上。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一理论运动和所述第一实际运动更新所述机器人的所述初始运动学参数以获取第一更新运动学参数包括使用成对距离法更新所述初始运动学参数。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锁定所述多自由度中的一部分包括锁定所述基座，同时允许所述末端执行器在多个方向上运动，所述多个方向的数量小于所述多个自由度的数量。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述末端执行器配置为在固定的线性方向上沿着线性轨道运动。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述末端执行器配置为围绕轴承的轴线旋转。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述末端执行器配置为在一个平面上运动。

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述末端执行器配置为围绕球关节的中心旋转。

15.一种具有多自由度的机器人的运动学标定系统，所述机器人包括基座、末端执行器以及通过关节连接的臂，其特征在于，所述运动学标定系统包括用以对所述机器人进行运动学标定的控制系统，所述控制系统配置为执行权利要求1-14中任一项所述的运动学标定方法。

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