CN114932551A - 机械臂零点标定方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机械臂零点标定方法、系统及介质，包括：建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵T；在机器人末端安装工装，在固定位置放置一块标定板，用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触不同点位，并记录下对应的各轴关节角度θ_i,i∈[1,6]；设各个关节角的零点偏差值为Δθ_i，得到新的θ′_i,将Δθ_i使用运动学正解得到工装顶尖的世界坐标系下点位{P₁、P₂…P₉}；设得到的9个点两两之间距离为l_j，j∈[1,8]，建立目标方程；对目标方程进行优化求解，计算出满足迭代条件的Δθ_i值；将机械臂回到初始零点位置，并根据Δθ_i值作为补偿量得到最终准确的零点。本发明能够以较低成本的方法实现较高精度的零点标定。

Description

机械臂零点标定方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及六自由度串联机器人技术领域，具体地，涉及一种使用蚁群算法进行机械臂零点标定的方法，具体涉及一种机械臂零点标定方法、系统及介质。

背景技术

机械臂的精度被分为重复定位精度和绝对定位精度，重复定位精度是指机械臂多次到达同一个位置的精确度，而绝对定位精度是指机械臂到达空间中某一点的准确度。在大多数的工业应用中机械臂都是使用示教在线的方式，这种场景中就对机械臂的重复定位精度有着较高的要求，随着机器人应用范围的增加，更多场景应用中对机械臂的定位精度要求在逐渐提高，比如机械臂配合视觉使用时，机械臂需要根据视觉识别出来的位置进行定位，准确移动到目标位置。

因此为了提高机械臂的绝对定位精度，机械臂的零点标定就是其中一个重要环节，零点标定的作用是使各轴的理论零点位置与机械装置的实际零点位置重合，这样就可以保证算法的准确控制。常见的零点标定方法有通过将侧倾仪安装在机械臂上来进行零点校准的，这种方法能达到很高精度，但缺点是倾侧传感器价格昂贵。还有种常见的方式是通过定位销、键、刻度的方式来进行关节对齐，对齐位置即为零点，这种方法成本低，操作方便，但精度较差。

公开号为CN113211436B的发明专利，公开了一种基于遗传算法的六自由度串联机器人误差标定方法，包括：1)DH参数建模方法建立机器人实际模型；2)采用空间对点的方式，将机器人末端对齐到同一个点N次(N≥4)，记录N个点的关节轴数据；3)基于遗传算法建立误差模型寻找机器人零位误差的最优误差参数；4)通过穷举法优化零位误差参数；5)计算补偿零位误差参数后的TCP工具值。该相关专利中使用机械臂末端多次触碰同一个点，然后根据末端到达同一点的一致性误差为目标函数进行求解，且该专利使用遗传进行迭代求解。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种机械臂零点标定方法、系统及介质。

根据本发明提供的一种机械臂零点标定方法、系统及介质，所述方案如下：

第一方面，提供了一种机械臂零点标定方法，所述方法包括：

步骤S1：建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵T；

步骤S2：在机器人末端安装工装，在固定位置放置一块上面有若干个等距离d的标定板，用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触不同点位，并记录下对应的各轴关节角度θ_i,i∈[1,6]；

步骤S3：假设各个关节角的零点偏差值为Δθ_i，将θ_i的角度减去Δθ_i就得到新的θ′_i,将Δθ_i使用运动学正解得到工装顶尖的世界坐标系下点位{P₁、P₂…P₉}；

步骤S4：根据等距离的点位，设步骤S3得到的9个点两两之间距离为l_j，j∈[1,8]，建立目标方程；

步骤S5：使用蚁群算法对步骤S4的目标方程进行优化求解，计算出满足迭代条件的Δθ_i值；

步骤S6：将机械臂回到初始零点位置，并根据步骤S5求得的Δθ_i值作为补偿量得到最终准确的零点。

优选地，所述步骤S1包括：建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵：

式中，

为机械臂相邻两关节坐标系间的传递矩阵，其表达式为：

式中，θ_i表示X_i与X_i+1的夹角，α_i表示Z_i与Z_i+1的夹角，d_i表示X_i与X_i+1的距离，a_i表示杆件长度，为Z_i与Z_i+1的距离。

优选地，所述步骤S2包括：在机器人末端安装带顶尖的工装，在固定位置放置一块上面有若干个等距离d的标定板并保持标定板在标定过程中不动；

用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触标定板上的9个点位，并记录下9个点位对应的各轴关节角度θ_ij,i∈[1,6],j∈[1,9]；其中，i表示机械臂的关节轴号，j表示点位数。

优选地，所述步骤S4包括：令步骤S3得到的9个点两两之间距离为l_k，k∈[1,8]；

由于在标定板上的点两两间的实际距离为d，则以此建立目标方程为

第二方面，提供了一种机械臂零点标定系统，所述系统包括：

模块M1：建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵T；

模块M2：在机器人末端安装工装，在固定位置放置一块上面有若干个等距离d的标定板，用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触不同点位，并记录下对应的各轴关节角度θ_i,i∈[1,6]；

模块M3：假设各个关节角的零点偏差值为Δθ_i，将θ_i的角度减去Δθ_i就得到新的θ′_i,将Δθ_i使用运动学正解得到工装顶尖的世界坐标系下点位{P₁、P₂…P₉}；

模块M4：根据等距离的点位，设模块M3得到的9个点两两之间距离为l_j，j∈[1,8]，建立目标方程；

模块M5：使用蚁群算法对模块M4的目标方程进行优化求解，计算出满足迭代条件的Δθ_i值；

模块M6：将机械臂回到初始零点位置，并根据模块M5求得的Δθ_i值作为补偿量得到最终准确的零点。

优选地，所述模块M1包括：建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵：

式中，

为机械臂相邻两关节坐标系间的传递矩阵，其表达式为：

式中，θ_i表示X_i与X_i+1的夹角，α_i表示Z_i与Z_i+1的夹角，d_i表示X_i与X_i+1的距离，a_i表示杆件长度，为Z_i与Z_i+1的距离。

优选地，所述模块M2包括：在机器人末端安装带顶尖的工装，在固定位置放置一块上面有若干个等距离d的标定板并保持标定板在标定过程中不动；

用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触标定板上的9个点位，并记录下9个点位对应的各轴关节角度θ_ij,i∈[1,6],j∈[1,9]；其中，i表示机械臂的关节轴号，j表示点位数。

优选地，所述模块M4包括：令模块M3得到的9个点两两之间距离为l_k，k∈[1,8]；

由于在标定板上的点两两间的实际距离为d，则以此建立目标方程为

第三方面，提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明在机械臂丢失零点后能够快速恢复零点，操作简单；

2、本发明运算量小，能够较快得到最终标定结果；

3、说明书背景中提到的相关专利中使用机械臂末端多次触碰同一个点，然后根据末端到达同一点的一致性误差为目标函数进行求解，本发明则使用9个固定距离的点位作为目标位置，可以避免只需要一个点的一致性误差。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明整体流程图；

图2为标定板样式图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种机械臂零点标定方法，参照图1所示，该方法包括：

步骤S1：建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵T。

具体地，建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵：

式中，

为机械臂相邻两关节坐标系间的传递矩阵，其表达式为：

式中，θ_i表示X_i与X_i+1的夹角，α_i表示Z_i与Z_i+1的夹角，d_i表示X_i与X_i+1的距离，a_i表示杆件长度，为Z_i与Z_i+1的距离。

步骤S2：在机器人末端安装工装，在固定位置放置一块上面有若干个等距离d的标定板，用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触不同点位，并记录下对应的各轴关节角度θ_i,i∈[1,6]。

具体地，该步骤S2具体为：在机器人末端安装带顶尖的工装，在固定位置放置一块上面有若干个等距离d的标定板并保持标定板在标定过程中不动；用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触标定板上的9个点位，并记录下9个点位对应的各轴关节角度θ_ij,i∈[1,6],j∈[1,9]；其中，i表示机械臂的关节轴号，j表示点位数。

步骤S3：假设各个关节角的零点偏差值为Δθ_i，将θ_i的角度减去Δθ_i就得到新的θ′_i,将Δθ_i使用运动学正解得到工装顶尖的世界坐标系下点位{P₁、P₂…P₉}；

具体地，该步骤S3具体为：设各个关节角的零点偏差值为Δθ_i，将步骤S2中的θ_ij的角度值分别减去Δθ_i就得到新的θ′_ij,再对θ′_ij使用运动学正解得到标定板上9个点在机械臂的世界坐标系下点位{P₁、P₂…P₉}，如图2所示。

步骤S4：根据等距离的点位，设步骤S3得到的9个点两两之间距离为l_j，j∈[1,8]，建立目标方程。

具体地，该步骤S4具体为：令步骤S3得到的9个点两两之间距离为l_k，k∈[1,8]；

由于在标定板上的点两两间的实际距离为d，则可以以此建立目标方程为

步骤S5：使用蚁群算法对步骤S4的目标方程进行优化求解，即可计算出满足迭代条件的Δθ_i值；

步骤S6：将机械臂回到初始零点位置，并根据步骤S5求得的Δθ_i值作为零点数据的补偿量重新计算即可得到最终准确的零点。

本发明还提供了一种机械臂零点标定系统，该系统具体包括：

模块M1：建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵T。

在模块M1中，建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵：

式中，

为机械臂相邻两关节坐标系间的传递矩阵，其表达式为：

式中，θ_i表示X_i与X_i+1的夹角，α_i表示Z_i与Z_i+1的夹角，d_i表示X_i与X_i+1的距离，a_i表示杆件长度，为Z_i与Z_i+1的距离。

模块M2：在机器人末端安装工装，在固定位置放置一块上面有若干个等距离d的标定板，用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触不同点位，并记录下对应的各轴关节角度θ_i,i∈[1,6]。

具体地，模块M2包括：在机器人末端安装带顶尖的工装，在固定位置放置一块上面有若干个等距离d的标定板并保持标定板在标定过程中不动；用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触标定板上的9个点位，并记录下9个点位对应的各轴关节角度θ_ij,i∈[1,6],j∈[1,9]；其中，i表示机械臂的关节轴号，j表示点位数。

模块M3：假设各个关节角的零点偏差值为Δθ_i，将θ_i的角度减去Δθ_i就得到新的θ′_i,将Δθ_i使用运动学正解得到工装顶尖的世界坐标系下点位{P₁、P₂…P₉}。

模块M4：根据等距离的点位，设模块M3得到的9个点两两之间距离为l_j，j∈[1,8]，建立目标方程。

具体地，模块M4包括：令模块M3得到的9个点两两之间距离为l_k，k∈[1,8]；由于在标定板上的点两两间的实际距离为d，则以此建立目标方程为

模块M5：使用蚁群算法对模块M4的目标方程进行优化求解，计算出满足迭代条件的Δθ_i值。

模块M6：将机械臂回到初始零点位置，并根据模块M5求得的Δθ_i值作为补偿量得到最终准确的零点。

本发明实施例提供了一种机械臂零点标定方法、系统及介质，只需要一个带有顶尖的工装和标定板即可完成标定的方法，成本低并且具有一定的精度。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种机械臂零点标定方法，其特征在于，包括：

步骤S1：建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵T；

步骤S2：在机器人末端安装工装，在固定位置放置一块上面有若干个等距离d的标定板，用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触不同点位，并记录下对应的各轴关节角度θ_i,i∈[1,6]；

步骤S3：假设各个关节角的零点偏差值为Δθ_i，将θ_i的角度减去Δθ_i就得到新的θ′_i,将Δθ_i使用运动学正解得到工装顶尖的世界坐标系下点位{P₁、P₂…P₉}；

步骤S4：根据等距离的点位，设步骤S3得到的9个点两两之间距离为l_j，j∈[1,8，建立目标方程；

步骤S5：使用蚁群算法对步骤S4的目标方程进行优化求解，计算出满足迭代条件的Δθ_i值；

步骤S6：将机械臂回到初始零点位置，并根据步骤S5求得的Δθ_i值作为补偿量得到最终准确的零点。

2.根据权利要求1所述的机械臂零点标定方法，其特征在于，所述步骤S1包括：建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵：

式中，

为机械臂相邻两关节坐标系间的传递矩阵，其表达式为：

式中，θ_i表示X_i与X_i+1的夹角，α_i表示Z_i与Z_i+1的夹角，d_i表示X_i与X_i+1的距离，a_i表示杆件长度，为Z_i与Z_i+1的距离。

3.根据权利要求1所述的机械臂零点标定方法，其特征在于，所述步骤S2包括：在机器人末端安装带顶尖的工装，在固定位置放置一块上面有若干个等距离d的标定板并保持标定板在标定过程中不动；

用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触标定板上的9个点位，并记录下9个点位对应的各轴关节角度θ_ij,i∈[1,6],j∈[1,9]；其中，i表示机械臂的关节轴号，j表示点位数。

4.根据权利要求1所述的机械臂零点标定方法，其特征在于，所述步骤S4包括：令步骤S3得到的9个点两两之间距离为l_k，k∈[1,8]；

由于在标定板上的点两两间的实际距离为d，则以此建立目标方程为

5.一种机械臂零点标定系统，其特征在于，包括：

模块M1：建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵T；

模块M2：在机器人末端安装工装，在固定位置放置一块上面有若干个等距离d的标定板，用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触不同点位，并记录下对应的各轴关节角度θ_i,i∈[1,6]；

模块M3：假设各个关节角的零点偏差值为Δθ_i，将θ_i的角度减去Δθ_i就得到新的θ′_i,将Δθ_i使用运动学正解得到工装顶尖的世界坐标系下点位{P₁、P₂…P₉}；

模块M4：根据等距离的点位，设模块M3得到的9个点两两之间距离为l_j，j∈[1,8，建立目标方程；

模块M5：使用蚁群算法对模块M4的目标方程进行优化求解，计算出满足迭代条件的Δθ_i值；

模块M6：将机械臂回到初始零点位置，并根据模块M5求得的Δθ_i值作为补偿量得到最终准确的零点。

6.根据权利要求5所述的机械臂零点标定系统，其特征在于，所述模块M1包括：建立机器人DH参数模型，得到转换矩阵：

式中，

为机械臂相邻两关节坐标系间的传递矩阵，其表达式为：

式中，θ_i表示X_i与X_i+1的夹角，α_i表示Z_i与Z_i+1的夹角，d_i表示X_i与X_i+1的距离，a_i表示杆件长度，为Z_i与Z_i+1的距离。

7.根据权利要求5所述的机械臂零点标定系统，其特征在于，所述模块M2包括：在机器人末端安装带顶尖的工装，在固定位置放置一块上面有若干个等距离d的标定板并保持标定板在标定过程中不动；

用工装上的顶尖使用多个姿态分别接触标定板上的9个点位，并记录下9个点位对应的各轴关节角度θ_ij,i∈[1,6],j∈[1,9；其中，i表示机械臂的关节轴号，j表示点位数。

8.根据权利要求5所述的机械臂零点标定系统，其特征在于，所述模块M4包括：令模块M3得到的9个点两两之间距离为l_k，k∈[1,8]；

由于在标定板上的点两两间的实际距离为d，则以此建立目标方程为

9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的方法的步骤。

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