[發(fā)明專利]一種用于測(cè)量機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910187536.8
• 申請(qǐng)日: 2009-09-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101660904A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-03-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬孜;李愛(ài)國(guó);胡英
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B21/00
• 分類號(hào): G01B21/00;G01B11/00
• 代理公司: 沈陽(yáng)杰克知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 李宇彤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，確切的說(shuō)是一種用于測(cè)量機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的方法。

背景技術(shù)

機(jī)器人誕生于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)早已成熟。具有視覺(jué)功能的機(jī)器人主要應(yīng)用于汽車、電子、機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域，其中應(yīng)用最廣泛的是機(jī)器人手眼協(xié)調(diào)功能，例如抓取機(jī)器人、裝配機(jī)器人以及弧焊機(jī)器人等。機(jī)器人視覺(jué)在加工制造業(yè)已經(jīng)有了很成熟的技術(shù)應(yīng)用。

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在測(cè)量中的應(yīng)用也越來(lái)越受到重視。機(jī)器人測(cè)量具有在線、靈活、高效等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件100％的測(cè)量。因此，特別適合于自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的工序間和過(guò)程測(cè)量。機(jī)器人測(cè)量造價(jià)低，容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量速度快、自動(dòng)化程度高、柔性好的在線檢測(cè)系統(tǒng)。測(cè)量機(jī)器人從誕生到投入生產(chǎn)應(yīng)用，開(kāi)始展現(xiàn)出蓬勃生機(jī)。

雖然工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)精度很高(可達(dá)0.01mm)，但其絕對(duì)定位精度卻不高。對(duì)于沒(méi)有標(biāo)定的機(jī)器人，精度誤差可以達(dá)到幾毫米。如果使用機(jī)器人進(jìn)行高精度的測(cè)量，機(jī)器人的定位精度是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿一般在其工作空間內(nèi)描述，但是這些位置通過(guò)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)獲得，整個(gè)過(guò)程在角度空間里進(jìn)行。一些原因，例如機(jī)械加工的精度、裝配誤差、磨損、傳動(dòng)誤差、負(fù)載變化和環(huán)境影響等，使得機(jī)器人控制器所使用的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與真實(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型不一致，從而導(dǎo)致用機(jī)器人內(nèi)部運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算的關(guān)節(jié)角驅(qū)動(dòng)電機(jī)得到的實(shí)際位置會(huì)偏離預(yù)期位置。有研究結(jié)果表明：幾乎95％的機(jī)器人位置誤差都是由機(jī)器人內(nèi)部運(yùn)動(dòng)學(xué)的不準(zhǔn)確描述引起的。因此有必要對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行精確標(biāo)定。所謂標(biāo)定就是運(yùn)用先進(jìn)的測(cè)量手段和適當(dāng)?shù)膮?shù)識(shí)別方法辨識(shí)出機(jī)器人模型的準(zhǔn)確參數(shù)，從而提高機(jī)器人精度的過(guò)程。現(xiàn)有的標(biāo)定通常需要借助三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光跟蹤儀等設(shè)備，整個(gè)過(guò)程需要大量的人工干預(yù)，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種適用于測(cè)量機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的方法。其方法簡(jiǎn)單實(shí)用。

具體做法是：半徑已知的球面作為參考物，控制機(jī)器人在多個(gè)姿態(tài)下測(cè)量球面，將各個(gè)姿態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人的基坐標(biāo)系。如果機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和傳感器的外參數(shù)(傳感器和機(jī)器人的坐標(biāo)變換關(guān)系)沒(méi)有誤差，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)應(yīng)該在同一球面上。利用測(cè)量數(shù)據(jù)的共球面約束，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的標(biāo)定。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：現(xiàn)有的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定過(guò)程通常包括運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、誤差測(cè)量、參數(shù)識(shí)別和誤差補(bǔ)償四個(gè)步驟。通常需要借助雙經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)、球桿儀、三坐標(biāo)機(jī)、激光跟蹤儀或關(guān)節(jié)型多桿隨動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行誤差測(cè)量。(1)球桿儀，其核心是一個(gè)徑向距離線性傳感器，可以精確測(cè)量機(jī)器人末端點(diǎn)與工作空間內(nèi)一固定點(diǎn)之間的距離。這種測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)便宜，操作簡(jiǎn)單，精度較高。(2)自動(dòng)經(jīng)緯儀，測(cè)試精度高，但存在如下缺點(diǎn)，要求特殊的設(shè)備和訓(xùn)練有素的技術(shù)人員，測(cè)量結(jié)果與環(huán)境及測(cè)量者的水平有很大關(guān)系，安裝時(shí)間長(zhǎng)，成本高。(3)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是以精密機(jī)械為基礎(chǔ)的高效率、高精度的測(cè)量設(shè)備，可用于機(jī)器人位姿測(cè)量，可靠性好、精度高，但占用空間大、成本高。(4)機(jī)械隨動(dòng)式測(cè)量系統(tǒng)，該方法實(shí)際上是利用一臺(tái)去掉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)而保留測(cè)試系統(tǒng)的被動(dòng)機(jī)器人去測(cè)量另一臺(tái)機(jī)器人的位姿精度。(5)激光跟蹤儀，利用激光跟蹤儀作為測(cè)量工具，即能保證測(cè)量精度，又能簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程。這些方法都需要專用的測(cè)量?jī)x器，成本較高，且不適合現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。而本方明針對(duì)用于完成測(cè)量任務(wù)的機(jī)器人，僅需要使用一個(gè)半徑已知的球體作為參照物，成本低，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。

附圖說(shuō)明：

圖1的是運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的示意圖。

具體實(shí)施方式：

工業(yè)機(jī)器人一般是開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)角度測(cè)量裝置可以確定每根軸的角度值。在每根軸上建立相應(yīng)的齊次方程而構(gòu)建機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型，就可以確定機(jī)器人的末端位置和姿態(tài)。確定機(jī)器人每根軸的齊次變換矩陣需要連桿長(zhǎng)a、連桿偏置d、連桿扭角α、軸的轉(zhuǎn)角θ四個(gè)參數(shù)。通過(guò)將這些齊次矩陣聯(lián)乘，就可以確定機(jī)器人末端的位姿。在本文中，結(jié)構(gòu)光傳感器安裝在機(jī)器人的末端。設(shè)傳感器坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人末端坐標(biāo)系的位姿矩陣為H，傳感器坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系的位姿

T＝F(a，d，α，θ，H)

由于連桿轉(zhuǎn)角通過(guò)軸的角度測(cè)量裝置來(lái)獲得，其他參數(shù)由機(jī)器人生產(chǎn)和裝配工藝確定，必然存在誤差，導(dǎo)致a，d，α，θ存在誤差Δa、Δd、Δα、Δθ。傳感器坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系的實(shí)際位姿是

T′＝F(a+Δa，d+Δd，α+Δα，θ+Δθ，H)