一种基于球杆仪的六轴关节工业机器人空间误差标定方法技术

一种基于球杆仪的六轴关节工业机器人空间误差标定方法，涉及机器人。通过采用高精度(分辨率达0.1μm)的球杆仪和圆光栅等设备，测量机器人空间运动上存在的误差，并将该误差补偿到机器人的运动学模型中，以此来减小机器人运动的偏差。所设计的实验采用的空间轨迹具有的特征为，所设定的轨迹是以球杆仪为母线的圆锥体的底面轮廓，圆锥顶角的大小可根据球杆仪杆件和水平面的夹角γ的变化进行调节，测量过程中不断的调节球杆仪杆件和水平面的角度γ，通过足够多次的测量来实现机器人空间误差的检测。

A Method of Calibrating Spatial Error of Six-Axis Joint Industrial Robot Based on Ball-Rod Instrument

A method of spatial error calibration for six-axis joint industrial robots based on spherical rod instrument is presented, which involves robots. By using high precision (resolution up to 0.1 um) rod tester and circular grating and other equipment, the errors in the spatial motion of the robot are measured and compensated to the kinematics model of the robot, so as to reduce the deviation of the motion of the robot. The space trajectory adopted in the experiment is characterized by the bottom contour of the cone whose bus bar is the spherical bar instrument. The top angle of the cone can be adjusted according to the change of angle gamma between the rod of the spherical bar instrument and the water level. The angle gamma between the rod of the spherical bar instrument and the water level can be continuously adjusted during the measurement process, and the space error of the robot can be realized through enough measurements. Poor detection.

【技术实现步骤摘要】
一种基于球杆仪的六轴关节工业机器人空间误差标定方法
本专利技术涉及机器人，尤其是涉及一种基于球杆仪的六轴关节工业机器人空间误差标定方法。
技术介绍
六轴关节工业机器人是一种由各相邻连杆耦合运动构成的开链结构，其末端执行器位姿的达成需要通过对各关节参数值进行独立和精确的控制。机器人固有误差是不可避免的，其使控制器中的内部定义的运动学模型不能准确描述实际位姿，使得机器人理论位姿与实际位姿发生偏移。因此，对机器人采用适当的方法进行结构机构参数的标定对于提高机器人的控制精度具有很大的意义。目前，很多机器人的标定方法已被提出，通过现有专利检索，发现以下现有技术：1.申请号为201610880648.1的中国专利申请公开了一种利用球杆仪标定机器人结构参数的方法，其核心思想在于通过实验测量得参数根据平行四边形原理求解机器人结构参数，所需实验仪器和实验过程复杂繁琐，人为干预过多难免引入人为误差造成实验结果不准确；2.申请号为201510416268.8的中国专利申请公开一种工业机器人运动学参数简易标定装置及其标定方法，其所用测量工具为千分表导致精度难以保证且据该专利所述两个互相垂直的标定块的垂直度无法保证；3.申请号为201510288034.X的中国专利申请公开了一种大行程联动机构二维平面圆度误差标定方法，该专利基于球杆仪对数控机床的运动精度进行检测有效解决了大行程二维平面误差的标定方法但其所述的方法仅仅局限于平面角度而无法从空间角度对数控机床的误差进行标定。因此，研究一种测量过程简单、数据处理便捷的六轴关节工业机器人空间误差检测方法与其误差补偿方案具有重要工程应用意义。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于球杆仪的六轴关节工业机器人空间误差标定方法。本专利技术通过采用高精度(分辨率达0.1μm)的球杆仪和圆光栅等设备，测量机器人空间运动上存在的误差，并将该误差补偿到机器人的运动学模型中，以此来减小机器人运动的偏差。本专利技术包括以下步骤：图中，1为工作台，2为圆光栅角度测量装置，3为球杆仪，4为自制工具末端，5为六轴关节工业机器人。1)选取合适的六轴关节机器人，根据实物推导出机器人的D-H模型，根据微分运动学原理建立机器人的误差补偿模型；2)确定一个位于空间坐标系XY平面上的圆周轨迹Li，圆心为Oi，杆长半径为R，球杆仪杆件与水平面的夹角为γi，通过机器人控制软件验证该轨迹的可行性；3)在机器人控制软件上为已给定的机器人运动轨迹及操作方法编写六轴工业机器人的运动控制程序，以所编写的程序驱动机器人进行运动验证所运动轨迹与原拟定轨迹一致，为接下来的精密仪器的检测做准备，此外，编写MATLAB数据处理程序对实验产生的数据进行处理；4)安装圆光栅和球杆仪到指定工作平面和机器人末端法兰盘处并将所用到的设备以USB的形式接到PC上，启动并调试所用仪器相应的应用程序，将仪器置零准备开始实验；5)启动机器人并执行已编写好的程序，使末端执行器沿着轨迹Li旋转一周，读取机器人每一运动点所对应的关节值并实时监测运动状况，记录第j个轨迹点的测量值rj和球杆仪已旋转角度将这些数据保存到文档中以备接下来在MATLAB软件中进行处理；6)完成圆周轨迹Li的测量后，将球杆仪杆件与水平面之间的夹角调整至γi+1，确定一个位于空间坐标系XY平面上的圆周轨迹Li+1，其圆心为Oi+1，杆长半径为R，重复以上实验；7)在MATLAB软件中读取被保存的实验数据，并对数据进行处理，其中包括：首先，由机器人的正运动方程由机器人的关节值计算出机器人的理论空间位置；然后，将理论空间位置和实际空间位置作对比计算出机器人空间上的运动误差；8)为实现机器人空间运动误差补偿的通用性，从能够描述机器人结构参数的D-H模型入手，对D-H参数表中理论参数进行修正，将修正后的D-H模型用来描述实际机器人空间运动，以此实现机器人运动误差的补偿，将修正后的模型引入实验中，重复以上实验验证该方法的有效性。在步骤1)中，所述机器人的误差补偿模型包括XY、YZ、XZ平面误差补偿模型。在步骤2)中，设定的圆周轨迹是以球杆仪为母线的圆锥体的底面轮廓，圆锥顶角的大小根据球杆仪杆件和水平面的夹角γ的变化进行调节，通过不断的调节角度γ来实现空间上的测量。在步骤5)中，将机器人在空间上的连续运动进行离散化，通过有限的计算能够快速处理的点位来等效表示其整体无穷点；而多平面检测打破了球杆仪本身标称长度的局限，实现一定区域内任意平面、任意大小的圆面检测。在步骤6)中，球杆仪杆件与水平面的夹角γi＝γi-1+Vγ,i＝1,2,...,n，设定一定的Δγ值通过不断的累加重复检测得到期望实验的过程，且Δγ越小越能准确的描述机器人的空间运动情况。在步骤7)中，误差的补偿是通过对空间坐标系XYZ下，将误差分离到X、Y、Z三个方向的分量来表示，并将误差的补偿分割到各个平面(XY、XZ、YZ)上来表示；最后再将这些补偿参数通过数学的方法整合起来，补偿到机器人的模型中去。本专利技术中所设计的实验采用的空间轨迹具有的特征为，所设定的轨迹是以球杆仪为母线的圆锥体的底面轮廓，圆锥顶角的大小可根据球杆仪杆件和水平面的夹角γ的变化进行调节，测量过程中不断的调节球杆仪杆件和水平面的角度γ，通过足够多次的测量来实现机器人空间误差的检测。本专利技术中采用的有限点数、多平面测量，有限点数测量将机器人在空间上的连续运动进行离散化，通过有限的计算能够快速处理的点位来等效表示其整体无穷点；而多平面检测打破了球杆仪本身标称长度的局限，将球杆仪固有测量范围的100mm、150mm、300mm拓展为0～300mm中任意长度的测量，本专利技术中可根据对角度γ的设置测量六轴关节机器人可达范围内一定大小任意区域的测量。测量结果经过一定算法的计算可以很简单的得出这一位置的空间误差情况。本专利技术通过一定次数实验形成的半球面来描述六轴工业机器人空间运动误差轨迹，球杆仪杆件与水平面的夹角γi满足γi＝γi-1+Vγ,i＝1,2,...,n，由微分学知识，球杆仪杆件与水平面的夹角增量Δγ越小越能准确的描述机器人的空间运动情况，精确、全面的运动轨迹描述有利于发现六轴关节工业机器人空间运动误差的变化规律。本专利技术中误差的补偿是通过对空间坐标系XYZ下，将空间误差分离到X、Y、Z三个方向的分量来表示，为了便于进行误差补偿再将X、Y、Z误差分量两两组合成各个平面(XY、XZ、YZ)上的误差来表示；最后再将这些补偿参数通过数学的方法整合起来，补偿到机器人的D-H模型中去。本专利技术采用新颖的测量方法实现球杆仪对机器人空间运动的精确程度进行检测，获取机器人空间运动的误差值，再由空间运动的误差情况对D-H模型参数上进行修正，建立出全新的基于D-H参数的模型来准确描述机器人的空间运动状态，最终实现对六轴关节工业机器人空间运动的误差的标定。附图说明图1为本专利技术空间矢量在笛卡尔坐标系的投影图。图2为本专利技术具体实验局部的运动轨迹图。图3为本专利技术具体实验整体的原理图。图4为本专利技术六轴关节工业机器人空间运动误差变化图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步阐述。本专利技术实施例包括以下步骤：(1)误差补偿模型推导与仿真1)机器人正运动模型的建立及空间误差的求取；本专利技术空间矢量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于球杆仪的六轴关节工业机器人空间误差标定方法，其特征在于包括以下步骤：1)选取合适的六轴关节机器人，根据实物推导出机器人的D‑H模型，根据微分运动学原理建立机器人的误差补偿模型；2)确定一个位于空间坐标系XY平面上的圆周轨迹Li，圆心为Oi，杆长半径为R，球杆仪杆件与水平面的夹角为γi，通过机器人控制软件验证该轨迹的可行性；3)在机器人控制软件上为已给定的机器人运动轨迹及操作方法编写六轴工业机器人的运动控制程序，以所编写的程序驱动机器人进行运动验证所运动轨迹与原拟定轨迹一致；4)安装圆光栅和球杆仪到指定工作平面和机器人末端法兰盘处并将所用到的设备以USB的形式接到PC上，启动并调试所用仪器相应的应用程序，将仪器置零准备开始实验；5)启动机器人并执行已编写好的程序，使末端执行器沿着轨迹Li旋转一周，读取机器人每一运动点所对应的关节值并实时监测运动状况，记录第j个轨迹点的测量值rj和球杆仪已旋转角度

【技术特征摘要】
1.一种基于球杆仪的六轴关节工业机器人空间误差标定方法，其特征在于包括以下步骤：1)选取合适的六轴关节机器人，根据实物推导出机器人的D-H模型，根据微分运动学原理建立机器人的误差补偿模型；2)确定一个位于空间坐标系XY平面上的圆周轨迹Li，圆心为Oi，杆长半径为R，球杆仪杆件与水平面的夹角为γi，通过机器人控制软件验证该轨迹的可行性；3)在机器人控制软件上为已给定的机器人运动轨迹及操作方法编写六轴工业机器人的运动控制程序，以所编写的程序驱动机器人进行运动验证所运动轨迹与原拟定轨迹一致；4)安装圆光栅和球杆仪到指定工作平面和机器人末端法兰盘处并将所用到的设备以USB的形式接到PC上，启动并调试所用仪器相应的应用程序，将仪器置零准备开始实验；5)启动机器人并执行已编写好的程序，使末端执行器沿着轨迹Li旋转一周，读取机器人每一运动点所对应的关节值并实时监测运动状况，记录第j个轨迹点的测量值rj和球杆仪已旋转角度将这些数据保存到文档中以备接下来在MATLAB软件中进行处理；6)完成圆周轨迹Li的测量后，将球杆仪杆件与水平面之间的夹角调整至γi+1，确定一个位于空间坐标系XY平面上的圆周轨迹Li+1，其圆心为Oi+1，杆长半径为R，重复以上实验；7)在MATLAB软件中读取被保存的实验数据，并对数据进行处理，其中包括：首先，由机器人的正运动方程由机器人的关节值计算出机器人的理论空间位置；然后，将理论空间位置和实际空间位置作对比计算出机器人空间上的运动误差；8)为实现机器人空间运动误差补偿的通用性，从能够描述机器人结构参数的D-H模型入手，对D-H参数表中理论参数进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨平，郭志光，彭云峰，郭隐彪，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35