一种变参数误差辨识的机器人精度补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种变参数误差辨识的机器人精度补偿方法。属于机器人逆标定技术领域。提出了一种变参数误差模型，通过激光跟踪仪采样机器人不同空间下的位姿点的误差，根据期望位姿点所在的空间，寻求该点附近区域范围内最接近该点的若干点，利用改进型Levenberg–Marquardt阻尼迭代最小二乘法算法求解该点对应的参数误差的全局收敛解进而求出其实际参数。采用该点的实际参数及其运动学逆解求出机器人的实际应到位姿点，实现机器人在位姿点的绝对定位精度补偿。本发明专利技术可显著提高机器人的绝对定位精度，能应用于对机器人精度要求高的领域。

【技术实现步骤摘要】
一种变参数误差辨识的机器人精度补偿方法
本专利技术涉及一种变参数误差辨识的机器人精度补偿方法，属于机器人逆标定

技术介绍
近年来，机器人技术受到国内外学者广泛关注。其中机器人重复定位精度和绝对定位精度是机器人的重要指标。目前机器人的重复定位精度能达到较高水平，而绝对定位精度却相对较低，如KUKA-KR210的重复定位精度能达到0.06mm，而绝对定位精度受制造、装配和柔度等因素的影响，只能达到1-3mm，难以满足对机器人精度要求较高的领域(如在航空领域，要求其在±0.5mm)。为了满足这一要求，HenrikKihlman和曲巍葳等提出在机器人末端增加6D传感器并利用激光跟踪仪实现机器人的全闭环反馈的方法，大大提高了机器人的绝对定位精度。但是由于这种方法成本高昂(一台激光跟踪仪价值100，000$)，且对于加工开敞性较差的部件，在工业现场不易实施。因此大部分研究都集中在标定和参数辨识方面。文献“任永杰,邾继贵,杨学友,等.利用激光跟踪仪对机器人进行标定的方法[J].机械工程学报,2007,09:195-200.”为了提高机器人的精度，提出利用激光跟踪仪和线性方程最小二乘解对机器人的进行标定。针对ABB-IRB2400工业机器人，利用激光跟踪仪确定机器人的基坐标系并通过圆周法求解每个关节电动机的直线方程，进而可以求得机器人的连杆扭角。通过激光跟踪仪测量机器人目标点的坐标值,并通过串口获得机器人6根轴的角度值建立标定方程。通过求解此方程,获得机器人的实际D-H参数，并将此参数应用于修正系统的运动学模型，能够提高机器人的绝对精度。但在实际应用中，该方法存在以下不足：1)将机器人视为刚体，未考虑柔度对机器人的影响；2)只考虑了参数项a和d的误差，而实际上对定位精度的影响不仅由以上两个参数决定，更会受到α和θ的影响；3)试验结果表明机器人在标定后的效果依然不甚理想。专利“南京航空航天大学,成都飞机工业(集团)有限责任公司.一种用于工业机器人的空间立体网格精度补偿方法:中国,CN201110113246.6[P].2011-11-2.”对于包络空间内划分的某个立方体网格内的任一点，采用空间网格划分的方法，采用空间插值的方法来对机器人的理论坐标进行修正，完成机器人在该点的绝对定位精度补偿。该方法存在以下不足：1)步长的确定需要进行大量的实验；2)利用网格划分机器人的工作空间并用插值的方法对误差进行处理，该方法中的误差权重的考虑主要是对空间中的误差分布进行估计，但是无法准确描述其误差模型，因此所能提高的精度依然有限；该方法中不能实现不同姿态下的对机器人绝对定位精度的补偿。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种变参数误差辨识的机器人精度补偿方法，提高机器人的绝对定位精度。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种变参数误差辨识的机器人精度补偿方法，提出了一种变参数误差模型，通过激光跟踪仪采样机器人不同空间下的位姿点的误差，根据期望位姿点所在的空间，寻求该点附近区域范围内最接近该点的若干点，利用改进型Levenberg–Marquardt阻尼迭代最小二乘法算法求解该点对应的参数误差的全局收敛解进而求出其实际参数。采用该点的实际参数及其运动学逆解求出机器人的实际应到位姿点，实现机器人在位姿点的绝对定位精度补偿。包括以下步骤：第一步，将激光跟踪仪固定于地面上，利用激光跟踪仪建立机器人基座标系和法兰盘坐标系，同时给定随机位姿点理论坐标Pt；第二步，利用激光跟踪仪根据给定随机位姿点理论坐标Pt在机器人基座标系内进行采样，得到随机位姿点的采样坐标Pa；第三步，根据机器人的结构参数通过D-H法建立机器人运动学模型；第四步，根据给定随机位姿点理论坐标Pt，根据第二步中采样坐标Pa、第三步机器人运动学模型中各结构参数以及第三步得到的机器人运动学模型，建立运动学误差模型；然后通过Levenberg–Marquardt阻尼迭代最小二乘法求解该运动学误差模型，得到各结构参数误差；第五步，根据期望位姿点所在位置，在第二步中得到的采样坐标中选择与其最接近的若干个采样点，通过第四步得到该期望位姿点的结构参数误差，从而求出该期望位姿点对应的机器人实际结构参数；同时根据期望位姿求解机器人逆解；第六步，利用辨识出的机器人的实际结构参数和求解出的机器人逆解求出机器人实际应到位置，实现机器人在位姿点的绝对定位精度补偿。所述第一步中利用激光跟踪仪测量并建立机器人基座标系和法兰盘坐标系的方法，包括以下步骤：步骤一一，将激光跟踪仪的球形反射器SMR放在机器人基座平面上，沿着基座平面移动一段距离，利用激光跟踪仪的连续测量方式采集该段距离上的一系列点，并利用激光跟踪仪自带软件的拟合平面指令和偏移指令拟合出一个平面，该平面即为机器人基平面Baseplane，其中偏移指令为SMR半径的偏移距离；步骤一二，在机器人法兰盘平面安装一个SMR座，将SMR固定于该SMR座上，然后锁死机器人的A2轴到A6轴，绕A1轴转动一定距离，利用激光跟踪仪的连续测量方式采集该段距离的一系列点，利用软件的拟合圆指令拟合出A1圆；步骤一三，过A1圆心作该圆的垂线L1，作垂线L1与基平面Baseplane的交点，该交点为基座标系的原点OB；步骤一四，将机器人置于机械零点位置，把SMR置于机器人法兰盘平面，沿着该平面移动一定距离，利用激光跟踪仪的连续测量方式采集该段距离的一系列点，并利用软件的拟合平面指令和偏移指令拟合出一个平面，该平面即为机器人的法兰盘平面Frangeplane；步骤一五，在机器人机械零点位置测量机器人法兰盘平面上的六个安装孔，将该六个点投影到机器人法兰盘平面Frangeplane，利用六个投影点拟合出一个圆C，该圆圆心即为法兰盘坐标系的原点O；步骤一六，利用法兰盘平面六个安装孔中靠机器人基座的两个安装孔的投影点作直线L2，作该直线的中点XF，该中点为法兰盘坐标系X轴上的点；步骤一七，以OF为原点，过OF垂直于法兰盘平面的垂线上的点为Z轴上的点，XF为ZX平面上的点建立坐标系，该坐标系为法兰盘坐标系；步骤一八，以OB为原点，垂线L1上的点为Z轴上的点，XF为ZX平面上的点建立坐标系，该坐标系为机器人基座标系。所述第三步中通过D-H法建立机器人运动学模型的方法，包括以下步骤：步骤三一，根据机器人的结构参数建立机器人相邻两杆之间的运动学关系；步骤三二，对步骤三一中建立的机器人相邻两杆之间的运动学关系引入旋转变化Rot(y,β)，消除由于相邻两轴之间相互平行或接近平行时产生的奇异问题；步骤三三，对于N个关节串联的机器人，根据步骤三二中的机器人相邻两杆之间的运动学关系，得到机器人末端坐标系与基坐标系之间的关系。所述步骤四中建立运动学误差模型的方法，包括以下步骤：步骤四一，根据第三步机器人运动学模型中各参数的误差、采样坐标Pa以及理论坐标Pt，进而得到其误差位置ΔP；步骤四二，将误差位置ΔP舍去高阶摄动项后线性化得到解化后的运动学误差模型。所述步骤四二中各参数误差的确定方法，包括以下步骤：步骤1)，根据机器人连杆柔度的变化是一个连续的过程，得到关节转过的角度与施加在其轴线上的力矩关系；步骤2)，由步骤1)得出受连杆柔度引起的参数误差的变化也是一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变参数误差辨识的机器人精度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，将激光跟踪仪固定于地面上，利用激光跟踪仪建立机器人基座标系和法兰盘坐标系，同时给定随机位姿点理论坐标Pt；第二步，利用激光跟踪仪根据给定随机位姿点理论坐标Pt在机器人基座标系内进行采样，得到随机位姿点的采样坐标Pa；第三步，根据机器人的结构参数通过D‑H法建立机器人运动学模型；第四步，根据给定随机位姿点理论坐标Pt，根据第二步中采样坐标Pa、第三步机器人运动学模型中各结构参数以及第三步得到的机器人运动学模型，建立运动学误差模型；然后通过Levenberg–Marquardt阻尼迭代最小二乘法求解该运动学误差模型，得到各结构参数误差；第五步，根据期望位姿点所在位置，在第二步中得到的采样坐标中选择与其最接近的若干个采样点，通过第四步得到该期望位姿点的结构参数误差，从而求出该期望位姿点对应的机器人实际结构参数；同时根据期望位姿求解机器人逆解；第六步，利用辨识出的机器人的实际结构参数和求解出的机器人逆解求出机器人实际应到位置，实现机器人在位姿点的绝对定位精度补偿。

【技术特征摘要】
1.一种变参数误差辨识的机器人精度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，将激光跟踪仪固定于地面上，利用激光跟踪仪建立机器人基座标系和法兰盘坐标系，同时给定随机位姿点理论坐标Pt；第二步，利用激光跟踪仪根据给定随机位姿点理论坐标Pt在机器人基座标系内进行采样，得到随机位姿点的采样坐标Pa；第三步，根据机器人的结构参数通过D-H法建立机器人运动学模型；第四步，根据给定随机位姿点理论坐标Pt，根据第二步中采样坐标Pa、第三步机器人运动学模型中各结构参数以及第三步得到的机器人运动学模型，建立运动学误差模型；然后通过Levenberg–Marquardt阻尼迭代最小二乘法求解该运动学误差模型，得到各结构参数误差；所述步骤四中建立运动学误差模型的方法，包括以下步骤：步骤四一，根据第三步机器人运动学模型中各参数的误差、采样坐标Pa以及理论坐标Pt，进而得到其误差位置ΔP；步骤四二，将误差位置ΔP舍去高阶摄动项后线性化得到解化后的运动学误差模型；所述步骤四二中各参数误差的确定方法，包括以下步骤：步骤1)，根据机器人连杆柔度的变化是一个连续的过程，得到关节转过的角度与施加在其轴线上的力矩关系；步骤2)，由步骤1)得出受连杆柔度引起的参数误差的变化也是一个连续的过程，得到该受连杆柔度引起的参数误差，并将该受连杆柔度引起的参数误差在确定机器人的姿态的条件下转化到机器人的工作空间中，得到该受连杆柔度引起的参数误差；步骤3)，根据机器人在某一确定的位姿，其误差参数在一定时间内是确定的，这一位姿对应一个关节空间内的转角，而在此转角附近的一定范围内，误差参数与确定位姿的误差参数很接近，得到：E＝||Δx1-Δx2||<ξ当Δθ→0；其中，Δx1即在关节转角1下的各参数误差，Δx2即在与位姿1非常接近的关节转角2处的各参数误差，Δθ即在状态1和状态2下的关节转角的变化值，E即Δx1和Δx2的差值的范数；步骤4)，将步骤3)中得到差值的范数将其在确定姿态的条件下转化到机器人的基座标系：E＝||Δx1-Δx2||<ξ当(Δx,Δy,Δz)→0；第五步，根据期望位姿点所在位置，在第二步中得到的采样坐标中选择与其最接近的若干个采样点，通过第四步得到该期望位姿点的结构参数误差，从而求出该期望位姿点对应的机器人实际结构参数；同时根据期望位姿求解机器人逆解；第六步，利用辨识出的机器人的实际结构参数和求解出的机器人逆解求出机器人实际应到位置，实现机器人在位姿点的绝对定位精度补偿。2.根据权利要求1所述的变参数误差辨识的机器人精度补偿方法，其特征在于：所述第一步中利用激光跟踪仪测量并建立机器人基座标系和法兰盘坐标系的方法，包括以下步骤：步骤一一，将激光跟踪仪的球形反射器SMR放在机器人基座平面上，沿着基座平面移动一段距离，利用激光跟踪仪的连续测量方式采集该段距离上的一系列点，并利用激光跟踪仪自带软件的拟合平面指令和偏移指令拟合出一个平面，该平面即为机器人基平面Baseplane，其中偏移指令为SMR半径的偏移距离；步骤一二，在机器人法兰盘平面安装一个SMR座，将SMR固定于该SMR座上，然后锁死机器人的A2轴到A6轴，绕A1轴转动一定距离，利用激光跟踪仪的连续测量方式采集该段距离的一系列点，利用软件的拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：田威，廖文和，洪鹏，曾远帆，梅东棋，李冬磊，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32