CN116713993A - 一种六轴串联机器人d-h参数标定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种六轴串联机器人D‑H参数标定方法及系统，属于机器人参数标定技术领域。获取多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个实际位置坐标；根据第一坐标系与第二坐标系的齐次转换坐标，得到多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个理论位置坐标；根据各激光距离传感器末端点位置对应的理论位置坐标与实际位置坐标的误差，构建线性方程，求解线性方程后，得到六轴串联机器人的D‑H参数的误差量，进而得到六轴串联机器人的D‑H参数标定结果；本发明避免了求解算法对目标函数的大规模运算，提高了六轴串联机器人的绝对定位精度。

Description

一种六轴串联机器人D-H参数标定方法及系统
技术领域
本发明涉及机器人参数标定技术领域，特别涉及一种六轴串联机器人D-H参数标定方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
六轴串联机器人的连杆长度a、连杆偏置d、连杆扭角α和轴的转角θ四个参数，六个轴共计24个参数，这些参数称之为六轴串联机器人的D-H参数；D-H参数在机器人设计时时确定的，但由于加工和装配的误差，D-H参数会与理论值存在误差，降低了机器人的位姿精度。
发明人发现，现有的闭环标定方案中，大多采用平面约束或者距离约束来实现，能够避免高精度外部测量设备的使用，降低了标定成本，但是往往都需要进行较为复杂的算法运算，例如需要采用求解算法(例如粒子群算法)对目标函数进行求解以得到最优参数，降低了标定的效率。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种六轴串联机器人D-H参数标定方法及系统，根据各激光距离传感器末端点位置对应的理论位置坐标与实际位置坐标的误差构建看线性方程，用于对机器人的运动学参数误差进行标定，避免了求解算法对目标函数的大规模运算，提高了六轴串联机器人的绝对定位精度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种六轴串联机器人D-H参数标定方法。
一种六轴串联机器人D-H参数标定方法，激光距离传感器位于机器人的机械臂末端，第一坐标系构建于激光距离传感器上，第二坐标系构建于六轴串联机器人的本体上，包括以下过程：
获取多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个实际位置坐标；
根据第一坐标系与第二坐标系的齐次转换坐标，得到多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个理论位置坐标；
根据各激光距离传感器末端点位置对应的理论位置坐标与实际位置坐标的误差，构建线性方程，求解线性方程后，得到六轴串联机器人的D-H参数的误差量，进而得到六轴串联机器人的D-H参数标定结果。
作为本发明第一方面进一步的限定，第一位置敏感器件上构建有第三坐标系，第二位置敏感器件上构建有第四坐标系，获取多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个实际位置坐标，包括：
对任一激光距离传感器末端点位置，转换到第二坐标系中的第一转换过程为：
第一坐标系、第二坐标系、第三坐标系和第四坐标系均为XYZ直角坐标系；
使得激光线打在第一位置敏感器件的第一位置坐标上，通过反射打到第二位置敏感器件的第二位置坐标上，第三位置坐标为第二位置坐标关于第三坐标系的OXY平面的对称点，进而得到第三位置坐标在第三坐标系中的坐标；
根据第一位置坐标、第三位置坐标在第三坐标系中的坐标以及激光距离传感器末端点到第一位置坐标的距离，得到激光距离传感器末端点在第一坐标系中的实际位置，结合第三坐标系与第二坐标系之间的齐次转换关系，得到此激光距离传感器末端点在第二坐标系中的实际位置坐标；
依次对各激光距离传感器末端点执行上述第一转换过程，得到激光距离传感器多个末端点位置转在第二坐标系中的多个实际位置坐标。
作为本发明第一方面更进一步的限定，第三坐标系与第二坐标系之间的齐次转换关系为已知量。
作为本发明第一方面进一步的限定，六轴串联机器人的末端构建有第五坐标系，第五坐标系为XYZ直角坐标系；
根据第五坐标系与第一坐标系的齐次转换关系以及第五坐标系与第二坐标系的齐次转换关系，得到第一坐标系与第二坐标系的齐次转换关系。
作为本发明第一方面进一步的限定，线性方程包括机器人的24个D-H误差参数以及4个末端激光测距传感器安装误差参数。
作为本发明第一方面进一步的限定，激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的理论位置坐标为连杆长度、连杆偏置、连杆扭角和轴的转角的函数。
本发明第二方面提供了一种六轴串联机器人D-H参数标定系统。
一种六轴串联机器人D-H参数标定系统，激光距离传感器位于机器人的机械臂末端，第一坐标系构建于激光距离传感器上，第二坐标系构建于六轴串联机器人的本体上，包括以下过程：
实际坐标获取模块，被配置为：获取多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个实际位置坐标；
理论坐标获取模块，被配置为：根据第一坐标系与第二坐标系的齐次转换坐标，得到多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个理论位置坐标；
参数标定模块，被配置为：根据各激光距离传感器末端点位置对应的理论位置坐标与实际位置坐标的误差，构建线性方程，求解线性方程后，得到六轴串联机器人的D-H参数的误差量，进而得到六轴串联机器人的D-H参数标定结果。
作为本发明第二方面进一步的限定，实际坐标获取模块中，第一位置敏感器件上构建有第三坐标系，第二位置敏感器件上构建有第四坐标系，获取多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个实际位置坐标，包括：
对任一激光距离传感器末端点位置，转换到第二坐标系中的第一转换过程为：
第一坐标系、第二坐标系、第三坐标系和第四坐标系均为XYZ直角坐标系；
使得激光线打在第一位置敏感器件的第一位置坐标上，通过反射打到第二位置敏感器件的第二位置坐标上，第三位置坐标为第二位置坐标关于第三坐标系的OXY平面的对称点，进而得到第三位置坐标在第三坐标系中的坐标；
根据第一位置坐标、第三位置坐标在第三坐标系中的坐标以及激光距离传感器末端点到第一位置坐标的距离，得到激光距离传感器末端点在第一坐标系中的实际位置，结合第三坐标系与第二坐标系之间的齐次转换关系，得到此激光距离传感器末端点在第二坐标系中的实际位置坐标；
依次对各激光距离传感器末端点执行上述第一转换过程，得到激光距离传感器多个末端点位置转在第二坐标系中的多个实际位置坐标。
作为本发明第二方面更进一步的限定，第三坐标系与第二坐标系之间的齐次转换关系为已知量。
作为本发明第二方面进一步的限定，六轴串联机器人的末端构建有第五坐标系，第五坐标系为XYZ直角坐标系；
根据第五坐标系与第一坐标系的齐次转换关系以及第五坐标系与第二坐标系的齐次转换关系，得到第一坐标系与第二坐标系的齐次转换关系。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明创新性的提出了一种六轴串联机器人D-H参数标定方法及系统，采用真实坐标值与理论坐标值的差异构建线性方程，用于对机器人的运动学参数误差进行标定，提高了六轴串联机器人的绝对定位精度。
2、本发明创新性的提出了一种六轴串联机器人D-H参数标定方法及系统，只要求操作人员会操作机械臂即可，无需进行外置设备的操控，避免了人为操作对精度的影响，进一步的提高绝对定位精度。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提高的六轴串联机器人D-H参数标定方法原理示意图；
图2为本发明实施例2提高的六轴串联机器人D-H参数标定系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
本发明实施例1提供了一种六轴串联机器人D-H参数标定方法，包括以下过程：
S1：在机器人本体建立B坐标系(即第二坐标系)，在机器人末端建立E坐标系(即第五坐标系)，末端安装激光测距传感器并建立L系(即第一坐标系)，第一PSD(即第一位置敏感器件)和第二PSD(即第二位置敏感器件)上分别建立O1坐标系(即第三坐标系)和O2坐标系(即第四坐标系)，B坐标系与O1坐标系和O2坐标系之间的变换关系已知。
更具体的，通过正运动学E坐标系与B坐标系的齐次变换矩阵为E系与L系之间的齐次变换矩阵为/>其中al、dl、αl、θl为激光传感器的安装尺寸和倾角的名义值，a1,..,a6为六个周的连杆长度，d1,..,d6为六个轴的连杆偏置、α1,..,α6为六个轴的连杆扭角，θ1,..,θ6为六个轴的转角，考虑D-H参数的误差和激光传感器的安装误差，记为Δa1,.Δa6,Δd1,αΔd6，.Δα1,θΔ6，lΔθ1,l.a.Δ6,l，共计28个误差参数。
如果不考虑参数误差，L坐标系与B坐标系的齐次变换矩阵：
如果考虑参数误差，L坐标系与B坐标系的齐次变换矩阵
记B坐标系与O1坐标系的齐次变换矩阵为O1坐标系与O2坐标系的齐次变换矩阵为/>均为已知。
本实施例中，PSD(Position Sensitive Detector，位置敏感器件)是一种二维、高线性度的位置传感器，可以高精度感知投射在其表面上的光斑位置，通过信号处理，输出为该光斑在传感器平面上的直角坐标系位置；激光测距传感器是一种末端发射激光束，可以测量末端与被测物体表面之间距离的传感器。
S2：通过变化机器人的姿态，使得激光线打在第一PSD的点上，通过反射打到第二PSD的点/>上，分别记录/>和/>是/>关于第一PSD平面的对称点，通过计算，可以计算出/>在B系中的位置；
和/>已知，/>的长度可以通过激光测距传感器读出来，通过几何计算，可以得到Li在B系中的实际位置，重复此种方法，取n组位置计算Li的值(其中Li为激光距离传感器末端的坐标值)，其中i＝1..n。
Li在B系中的实际位置的计算方法，包括：
为了确定需要先计算/>在O1系中的坐标值，第一PSD在O1系oxy平面，/>是/>关于平面O1系oxy平面的对称点，第一PSD的OXY面方程为：
Z＝0 (3)
在O2系的坐标值可以通过PSD的读数获得，记为/>则/>在O1系的坐标值可以通过如下公式计算：
的坐标值根据对称关系可得为/>如此，可以计算出向量/>的单位方向向量：
根据以下公式，计算Li点在O1系下的坐标值：
根据以下公式，计算Li点在B系下的坐标值，该坐标值为Li点的实际坐标值：
进一步的，可以得到：
S3：根据机器人标称D-H参数，和末端激光测距传感器安装尺寸，通过正运动学，同样计算n组激光测距传感器末端点在B系中的理论位置L'i的值，其中i＝1..n。
由的第四列的前三行，可以得到机器人的末端理论位置P，是关于(a,d,α,θ)的函数，记作：
S4：依赖步骤二得到的Li和步骤三得到的L'i，构造激光测距传感器末端的误差方程，该方程包含24个机器人D-H误差参数和4个末端激光测距传感器安装误差参数；
考虑D-H参数误差后，由的第四列的前三行，可以的到机器人的末端实际值的位置P'：
实际值和理论值的误差为：
ΔP＝P-P' (11)
误差值比较小时，可以简化成相应的线性方程：
ΔPix,ΔPiy,ΔPiz是ΔPi在x,y,z三个方向上的偏差。
对于测量的空间中的n个点，会得到一组矩阵形式：
AΔX＝b (12)
ΔX＝[Δa1 … Δθ6 Δal Δdl Δαl Δθl]T (14)
b＝[ΔP1x ΔP1y ΔP1z ΔP2x ΔP2y ΔP2z … ΔPnx ΔPny ΔPnz]T (15)
具体的，本实施例中，矩阵A由公式(12)变换而来，如公式(12)所示，每个偏差点可得到矩阵A中的三行，n个偏差点可以写成3n个公式(12)所示的方程，将方程写成矩阵形式就得到了矩阵A，是Li在B坐标系下实际位置，/>是Li在B坐标系下的理论位置，二者作差得到的每个点偏差，再由偏差和公式(11)得到的矩阵A。
S5：使用最小二乘法对误差参数进行求解。
具体的，最小二乘法求取ΔX的计算方法是：
ΔX＝(ATA)-1ATb (16)
本发明通过测量和计算得到每个姿态的激光发射点的实际位置，通过运动学计算激光发射点的理论位置，二者做差构建包含运动学参数的位置约束误差方程，通过最小二乘法参数辨识的方法，可以将运动学参数辨识出来，使用的设备结构简单，标定步骤简化，数据采集更容易实现，无需大规模的神经网络算法对目标值进行求解，更适合应用于工程实际中。
通过对比发现，目前，现有方法的通常标定周期为1.5-2个工作日，无法满足产线标定需求，而采用本发明所述的方法可将标定周期缩短到2个小时以内；开环标定方法中，常用的激光跟踪仪动辄几十万或者上百万一台，高精度测量机也需要二三十万一台，企业无力承担，而采用本发明所述的方法，使用的硬件设备2-3万元即可满足；现有方案采用的激光跟踪仪或测量机操作复杂，对人员素质要求较高，而采用本发明所述的方法要求操作人员会操作机械臂即可。
实施例2：
如图2所示，本发明实施例2提供了一种六轴串联机器人D-H参数标定系统，激光距离传感器位于机器人的机械臂末端，第一坐标系构建于激光距离传感器上，第二坐标系构建于六轴串联机器人的本体上，包括以下过程：
实际坐标获取模块，被配置为：获取多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个实际位置坐标；
理论坐标获取模块，被配置为：根据第一坐标系与第二坐标系的齐次转换坐标，得到多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个理论位置坐标；
参数标定模块，被配置为：根据各激光距离传感器末端点位置对应的理论位置坐标与实际位置坐标的误差，构建线性方程，求解线性方程后，得到六轴串联机器人的D-H参数的误差量，进而得到六轴串联机器人的D-H参数标定结果。
所述系统的各模块工作方法与实施例1提供的六轴串联机器人D-H参数标定方法相同，这里不再赘述。

Claims (10)

1.一种六轴串联机器人D-H参数标定方法，其特征在于，激光距离传感器位于机器人的机械臂末端，第一坐标系构建于激光距离传感器上，第二坐标系构建于六轴串联机器人的本体上，包括以下过程：
获取多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个实际位置坐标；
根据第一坐标系与第二坐标系的齐次转换坐标，得到多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个理论位置坐标；
根据各激光距离传感器末端点位置对应的理论位置坐标与实际位置坐标的误差，构建线性方程，求解线性方程后，得到六轴串联机器人的D-H参数的误差量，进而得到六轴串联机器人的D-H参数标定结果。
2.如权利要求1所述的六轴串联机器人D-H参数标定方法，其特征在于，
第一位置敏感器件上构建有第三坐标系，第二位置敏感器件上构建有第四坐标系，获取多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个实际位置坐标，包括：
对任一激光距离传感器末端点位置，转换到第二坐标系中的第一转换过程为：
第一坐标系、第二坐标系、第三坐标系和第四坐标系均为XYZ直角坐标系；
使得激光线打在第一位置敏感器件的第一位置坐标上，通过反射打到第二位置敏感器件的第二位置坐标上，第三位置坐标为第二位置坐标关于第三坐标系的OXY平面的对称点，进而得到第三位置坐标在第三坐标系中的坐标；
根据第一位置坐标、第三位置坐标在第三坐标系中的坐标以及激光距离传感器末端点到第一位置坐标的距离，得到激光距离传感器末端点在第一坐标系中的实际位置，结合第三坐标系与第二坐标系之间的齐次转换关系，得到此激光距离传感器末端点在第二坐标系中的实际位置坐标；
依次对各激光距离传感器末端点执行上述第一转换过程，得到激光距离传感器多个末端点位置转在第二坐标系中的多个实际位置坐标。
3.如权利要求2所述的六轴串联机器人D-H参数标定方法，其特征在于，
第三坐标系与第二坐标系之间的齐次转换关系为已知量。
4.如权利要求1所述的六轴串联机器人D-H参数标定方法，其特征在于，
六轴串联机器人的末端构建有第五坐标系，第五坐标系为XYZ直角坐标系；
根据第五坐标系与第一坐标系的齐次转换关系以及第五坐标系与第二坐标系的齐次转换关系，得到第一坐标系与第二坐标系的齐次转换关系。
5.如权利要求1所述的六轴串联机器人D-H参数标定方法，其特征在于，
线性方程包括机器人的24个D-H误差参数以及4个末端激光测距传感器安装误差参数。
6.如权利要求1所述的六轴串联机器人D-H参数标定方法，其特征在于，
激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的理论位置坐标为连杆长度、连杆偏置、连杆扭角和轴的转角的函数。
7.一种六轴串联机器人D-H参数标定系统，其特征在于，激光距离传感器位于机器人的机械臂末端，第一坐标系构建于激光距离传感器上，第二坐标系构建于六轴串联机器人的本体上，包括以下过程：
实际坐标获取模块，被配置为：获取多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个实际位置坐标；
理论坐标获取模块，被配置为：根据第一坐标系与第二坐标系的齐次转换坐标，得到多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个理论位置坐标；
参数标定模块，被配置为：根据各激光距离传感器末端点位置对应的理论位置坐标与实际位置坐标的误差，构建线性方程，求解线性方程后，得到六轴串联机器人的D-H参数的误差量，进而得到六轴串联机器人的D-H参数标定结果。
8.如权利要求7所述的六轴串联机器人D-H参数标定系统，其特征在于，
实际坐标获取模块中，第一位置敏感器件上构建有第三坐标系，第二位置敏感器件上构建有第四坐标系，获取多个激光距离传感器末端点位置在第二坐标系中的多个实际位置坐标，包括：
对任一激光距离传感器末端点位置，转换到第二坐标系中的第一转换过程为：
第一坐标系、第二坐标系、第三坐标系和第四坐标系均为XYZ直角坐标系；
使得激光线打在第一位置敏感器件的第一位置坐标上，通过反射打到第二位置敏感器件的第二位置坐标上，第三位置坐标为第二位置坐标关于第三坐标系的OXY平面的对称点，进而得到第三位置坐标在第三坐标系中的坐标；
根据第一位置坐标、第三位置坐标在第三坐标系中的坐标以及激光距离传感器末端点到第一位置坐标的距离，得到激光距离传感器末端点在第一坐标系中的实际位置，结合第三坐标系与第二坐标系之间的齐次转换关系，得到此激光距离传感器末端点在第二坐标系中的实际位置坐标；
依次对各激光距离传感器末端点执行上述第一转换过程，得到激光距离传感器多个末端点位置转在第二坐标系中的多个实际位置坐标。
9.如权利要求8所述的六轴串联机器人D-H参数标定系统，其特征在于，
第三坐标系与第二坐标系之间的齐次转换关系为已知量。
10.如权利要求7所述的六轴串联机器人D-H参数标定系统，其特征在于，
六轴串联机器人的末端构建有第五坐标系，第五坐标系为XYZ直角坐标系；
根据第五坐标系与第一坐标系的齐次转换关系以及第五坐标系与第二坐标系的齐次转换关系，得到第一坐标系与第二坐标系的齐次转换关系。
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