CN114700962A - 一种用于长臂展高空作业复合机器人的末端位姿精度补偿方法 - Google Patents

一种用于长臂展高空作业复合机器人的末端位姿精度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于长臂展高空作业复合机器人的末端位姿精度补偿方法，通过建立测量坐标系与基坐标系、设置长臂展初级机器人末端相对基坐标系工作位姿、控制驱动长臂展初级机器人末端达到指定位姿、张紧钢绳固定长臂展初级机器人末端、计算张紧后长臂展初级机器人末端空间位姿、获取长臂展初级机器人末端当前空间位姿与设置位姿的位姿误差后，将位姿误差补偿给高精度小机器人。本发明通过外部绞盘张紧固接在长臂展初级机器人上的钢绳系统，弥补了由于刚度变形及外部扰动所带来的位置偏移误差，从而提高了长臂展高空作业复合机器人末端的位姿精度。

Description

一种用于长臂展高空作业复合机器人的末端位姿精度补偿 方法
技术领域
本发明属于机器人领域，尤其涉及一种用于长臂展高空作业复合机器人的末端位姿精度补偿方法。
背景技术
高空作业机器人由于臂展较长、工作空间相对较大，被广泛应用在大型轮船表面作业、楼房墙面等高空作业领域。然而现有高空作业机器人大多为串联多链式结构，关节刚度较低，长臂展刚度不足易受到内外部扰动影响，导致高空作业机器人末端工作精度较低。随着高精度操作需求的提升，如何提高高空作业人末端的工作精度已成为高空机器人高精度领域进一步推广和应用的主要障碍。
发明内容
针对现有高空作业机器人工作精度较低问题，本发明提出一种用于长臂展高空作业复合机器人的末端位姿精度补偿方法，其中长臂展高空作业复合机器人包含长臂展初级机器人和末端高精度小型机器人两部分。长臂展初级机器人由旋转底座、两节机械臂和末端平台串联组成四自由度机器人，末端高精度小型机器人是一台小臂展的五自由度轻型机器人，固接在长臂展初级机器人末端平台上。通过控制长臂展初级机器人末端平台保持水平来确保末端高精度小型机器人的姿态不随长臂展初级机器人移动而改变。该方法主要是利用外部绞盘张紧固接在长臂展初级机器人上的钢绳系统，计算长臂展初级机器人末端由绳索牵引变形后的空间位姿与末端期望位姿的测量误差，将测量误差反馈给末端高精度机器人，来补偿由于刚度变形及外部扰动所带来的位置偏移误差，提高长臂展初级机器人末端位姿精度，从而提供了末端高精度机器人的较为准确的基坐标位姿。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于高空作业复合机器人的末端位姿精度补偿方法，该高空作业复合机器人包括初级机器人以及位于初级机器人末端的末端高精度机器人，该初级机器人末端设置于一自下向上延伸的长臂上，所述长臂通过两根钢绳与张紧装置连接，两根钢绳分别与长臂上的两个固定点连接，包括以下步骤：
(1)建立基坐标系与测量坐标系，设置测量坐标系原点相对基坐标系任一期望工作空间位姿，并控制初级机器人末端运动至相应期望工作空间位姿；其中基坐标系原点为初级机器人固定点；测量坐标系原点为长臂展初级机器人末端；
(2)利用绞盘张紧装置张紧长臂上的钢绳直至初级机器人末端不再由于刚性不足受内外扰动而来回摆动，同时通过钢绳拉力传感器实时监测，通过绞盘张紧装置控制使钢绳拉力小于初级机器人能承受的刚度极限；
(3)利用角度传感器测量钢绳与长臂之前的夹角、两钢绳之间的夹角，同时结合绞盘间距固定长度尺寸来计算出长臂展初级机器人末端由绳索牵引变形后的空间位姿；
(4)获取长臂展初级机器人末端当前空间位姿与长臂展初级机器人末端期望位姿的测量误差，将测量误差反馈给末端高精度机器人；
(5)末端高精度机器人接受误差位姿反馈后更新设置自身末端工作位姿实现高精度工作。
进一步的，基坐标系为三维直角坐标系(XB、YB、ZB)；测量坐标系为三维直角坐标系(XM、YM、ZM)。
进一步的，步骤(1)中，期望工作空间位姿为
Figure BDA0003557765880000021
其中RM0为初级机器人末端期望姿态矩阵，PM0＝(xM0，yM0，zM0)T为初级机器人末端期望位置向量。
进一步的，步骤(3)中对初级机器人末端由绳索牵引变形后相对基坐标系的空间位姿
Figure BDA0003557765880000022
的计算：
Figure BDA0003557765880000023
其中RM1＝RM0为长臂展初级机器人末端张紧后姿态矩阵，PM1＝(xM1，yM1，zM1)T为长臂展初级机器人末端张紧后位置向量，a点为第一根钢绳与长臂相连接的靠近长臂展初级机器人末端的固接点，b点为第二根钢绳与长臂相连接的远离长臂展初级机器人末端的固接点，c点为两根钢绳共经过固定于长臂上的定滑轮，d点为远离地面的上绞盘，e点为靠近地面的下绞盘，lab、lac、lcd、lde分别为两节点之间直线的距离，θ1为直线ab与直线ac之间的夹角，θ2为直线ab与直线bc之间的夹角，θ3为直线ce与水平面之间的夹角，θ4为直线cd与水平面之间的夹角，θ5为直线ac与直线cd之间的夹角，C1为长臂展初级机器人节点c相对基坐标系的XB向距离，C2为长臂展初级机器人节点c相对基坐标系的ZB向距离，C1与C2均为已知量。
进一步的，钢绳系统张紧长臂后，末端高精度机器人固接在初级机器人末端平台的位姿
Figure BDA0003557765880000031
接受误差位姿
Figure BDA0003557765880000032
后，更新末端高精度机器人末端相对固接在初级机器人末端平台的工作位姿
Figure BDA0003557765880000033
其中R0为初级机器人张紧后，末端高精度机器人相对固接在初级机器人末端平台的姿态矩阵，P0为初级机器人张紧后，末端高精度机器人末端的位置向量，ΔRM为初级机器人末端张紧前后测量坐标系姿态变化误差矩阵；ΔPM为初级机器人末端张紧前后测量坐标系位置变化误差向量。
有益效果：本发明提供了一种用于长臂展高空作业复合机器人的末端位姿精度补偿方法，与现有技术相比：
本发明利用外部绞盘设备张紧固接在长臂展初级机器人上的钢绳系统使长臂展初级机器人末端工作时不再由于刚性不足受内外扰动而来回摆动，可以同时补偿内部因素和外部扰动所带来的位置误差，可有效提高长臂展高空作业复合机器人的工作精度。
本发明使用钢绳拉力传感器在线监测钢绳系统工作时钢绳上拉力，可在线控制绳上拉力保证小于长臂展初级机器人所能承受的刚度极限，确保在不影响长臂展初级机器人正常使用的过程中完成固定长臂展初级机器人末端防止摆动提高工作精度的任务。
本发明可取代传统高空作业车的人工作业模式，不仅避免了各种危险，提高了工作效率，还可大幅度提高高空作业的工作精度，进一步推广了高空作业机器人在高精度领域的应用。
附图说明
图1为本发明实施例中长臂展高空作业复合机器人的末端位姿精度补偿方法流程图；
图2为本发明实施例中长臂展高空作业复合机器人整体结构图；
图3为本发明实施例中长臂展高空作业复合机器人的长臂展初级机器人张紧前后结构简图；
图4为本发明实施例中长臂展高空作业复合机器人的长臂展初级机器人张紧后钢绳系统近似结构简图；
图中，1为末端高精度小机器人、2为绳索未张紧的长臂展初级机器人、3为外部两根钢绳、4为固接在长臂展初级机器人末端的钢绳吊环、5为外部绞盘装置、6为绳索张紧后的长臂展初级机器人。
Figure BDA0003557765880000041
为长臂展初级机器人末端期望空间位姿，
Figure BDA0003557765880000042
为张紧后长臂展初级机器人末端当前空间位姿，F为钢绳上张紧力，a～e分别为张紧后钢绳系统近似结构各节点，θ1～θ5分别为钢绳与长臂展初级机器人或两根钢绳之间的夹角。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：
本发明提供一种用于长臂展高空作业复合机器人的末端位姿精度补偿方法，其步骤包括：
(1)建立长臂展高空作业复合机器人基坐标系(如图2所示由XB、YB、ZB构成)与测量坐标系(如图2所示由XM、YM、ZM构成)，设置长臂展初级机器人末端(测量坐标系原点)相对基坐标系任一期望工作空间位姿
Figure BDA0003557765880000043
(2)启动绞盘装置5张紧钢绳系统3、4，并通过钢绳拉力传感器监测绳上拉力至F(F小于长臂展初级机器人所能承受的刚度极限)停止绞盘张紧；
(3)计算当前的长臂展初级机器人末端实际空间位姿
Figure BDA0003557765880000044
首先钢绳3与长臂展初级机器人2两节点a、b及长臂展初级机器人剩余末端可近似为线性见图3，利用角度传感器可测出θ1～θ5见图4，故根据式(1)数理推导可得到当前长臂展初级机器人末端相对基坐标系的空间位姿
Figure BDA0003557765880000045
Figure BDA0003557765880000051
其中RM1＝RM0为初级机器人末端张紧后姿态矩阵，PM1＝(xM1，yM1，zM1)T为长臂展初级机器人末端张紧后位置向量，a点为第一根钢绳与长臂相连接的靠近长臂展初级机器人末端的固接点，b点为第二根钢绳与长臂相连接的远离长臂展初级机器人末端的固接点，c点为两根钢绳共经过固定于长臂上的定滑轮，d点为远离地面的上绞盘，e点为靠近地面的下绞盘，lab、lac、lcd、lde分别为两节点之间直线的距离，θ1为直线ab与直线ac之间的夹角，θ2为直线ab与直线bc之间的夹角，θ3为直线ce与水平面之间的夹角，θ4为直线cd与水平面之间的夹角，θ5为直线ac与直线cd之间的夹角，C1为初级机器人节点c相对基坐标系的XB向距离，C2为初级机器人节点c相对基坐标系的ZB向距离，C1与C2均为已知量。
(4)将当前长臂展初级机器人末端相对基坐标系的空间位姿
Figure BDA0003557765880000052
Figure BDA0003557765880000053
与长臂展初级机器人末端相对基坐标系任一期望工作空间位姿
Figure BDA0003557765880000054
的位姿变化误差
Figure BDA0003557765880000055
反馈补偿给末端高精度小机器人1当前末端位姿
Figure BDA0003557765880000056
使其更新设置自身末端相对固接在长臂展初级机器人末端平台的工作位姿
Figure BDA0003557765880000057
(5)其中R0为长臂展初级机器人末端张紧后末端高精度机器人末端相对固接在长臂展初级机器人末端平台的姿态矩阵，P0为长臂展初级机器人末端张紧后末端高精度机器人末端的位置向量，ΔRM为长臂展初级机器人末端张紧前后测量坐标系姿态变化误差矩阵，由于通过液压系统控制长臂展初级机器人末端平台一直保持水平，故长臂展初级机器人末端张紧前后测量坐标系姿态无变化。ΔPM为长臂展初级机器人末端张紧前后测量坐标系位置变化误差向量。即可完成长臂展高空作业复合机器人末端位姿补偿操作。
以上仅为本发明优选实施例，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于高空作业复合机器人的末端位姿精度补偿方法，该高空作业复合机器人包括初级机器人以及位于初级机器人末端的末端高精度机器人，该初级机器人末端设置于一自下向上延伸的长臂上，所述长臂通过两根钢绳与张紧装置连接，两根钢绳分别与长臂上的两个固定点连接，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立基坐标系与测量坐标系，设置测量坐标系原点相对基坐标系任一期望工作空间位姿，并控制初级机器人末端运动至相应期望工作空间位姿；其中基坐标系原点为初级机器人固定点；测量坐标系原点为长臂展初级机器人末端；
(2)利用绞盘张紧装置张紧长臂上的钢绳直至初级机器人末端不再由于刚性不足受内外扰动而来回摆动，同时通过钢绳拉力传感器实时监测，通过绞盘张紧装置控制使钢绳拉力小于初级机器人能承受的刚度极限；
(3)利用角度传感器测量钢绳与长臂之前的夹角、两钢绳之间的夹角，同时结合绞盘间距固定长度尺寸来计算出长臂展初级机器人末端由绳索牵引变形后的空间位姿；
(4)获取长臂展初级机器人末端当前空间位姿与长臂展初级机器人末端期望位姿的测量误差，将测量误差反馈给末端高精度机器人；
(5)末端高精度机器人接受误差位姿反馈后更新设置自身末端工作位姿实现高精度工作。
2.根据权利要求1所述的末端位姿精度补偿方法，其特征在于，基坐标系为三维直角坐标系(XB、YB、ZB)；测量坐标系为三维直角坐标系(XM、YM、ZM)。
3.根据权利要求1所述的末端位姿精度补偿方法，其特征在于，步骤(1)中，期望工作空间位姿为
Figure FDA0003557765870000011
其中RM0为初级机器人末端期望姿态矩阵，PM0＝(xM0,yM0,zM0)T为初级机器人末端期望位置向量。
4.根据权利要求1所述的末端位姿精度补偿方法，其特征在于，步骤(3)中对初级机器人末端由绳索牵引变形后相对基坐标系的空间位姿
Figure FDA0003557765870000012
的计算：
Figure FDA0003557765870000013
其中RM1＝RM0为长臂展初级机器人末端张紧后姿态矩阵，PM1＝(xM1,yM1,zM1)T为长臂展初级机器人末端张紧后位置向量，a点为第一根钢绳与长臂相连接的靠近长臂展初级机器人末端的固接点，b点为第二根钢绳与长臂相连接的远离长臂展初级机器人末端的固接点,c点为两根钢绳共经过固定于长臂上的定滑轮，d点为远离地面的上绞盘，e点为靠近地面的下绞盘，lab、lac、lcd、lde分别为两节点之间直线的距离，θ1为直线ab与直线ac之间的夹角，θ2为直线ab与直线bc之间的夹角,θ3为直线ce与水平面之间的夹角,θ4为直线cd与水平面之间的夹角,θ5为直线ac与直线cd之间的夹角,C1为长臂展初级机器人节点c相对基坐标系的XB向距离，C2为长臂展初级机器人节点c相对基坐标系的ZB向距离，C1与C2均为已知量。
5.根据权利要求1所述的末端位姿精度补偿方法，其特征在于，钢绳系统张紧长臂后，末端高精度机器人固接在初级机器人末端平台的位姿
Figure FDA0003557765870000021
接受误差位姿
Figure FDA0003557765870000022
后，更新末端高精度机器人末端相对固接在初级机器人末端平台的工作位姿
Figure FDA0003557765870000023
其中R0为初级机器人张紧后，末端高精度机器人相对固接在初级机器人末端平台的姿态矩阵，P0为初级机器人张紧后，末端高精度机器人末端的位置向量，ΔRM为初级机器人末端张紧前后测量坐标系姿态变化误差矩阵；ΔPM为初级机器人末端张紧前后测量坐标系位置变化误差向量。
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