[發明專利]基于滑輪運動學的索并聯機器人運動學標定方法

有效

• 申請號: 202011119308.X
• 申請日: 2020-10-19
• 公開（公告）號: CN112518738B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 張兆坤;邵珠峰;王立平;郄金波;宋袁增;謝光強;段金昊;彭發忠
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

本申請公開了一種基于滑輪運動學的索并聯機器人運動學標定方法，方法包括：考慮滑輪運動學條件下的索并聯機器人逆運動學建模；考慮滑輪運動學條件下的誤差模型建模；利用繩索長度殘差函數建立未知參數辨識方程式；求解考慮滑輪運動學條件下的辨識矩陣；根據辨識矩陣條件數指標結合交換點法進行標定測量位姿優選；控制機器人終端依次運動到各測量位姿進行測量；根據測得的數據代入辨識方程進行辨識參數的求解；利用求解獲得的參數值更新機器人運動學模型。由此，該方法可以將索并聯機器人出索位置的滑輪機構考慮在內，可獲得更為完整精確的索并聯機器人運動學模型及幾何參數，提高標定后的索并聯機器人終端位置控制精度。

技術領域

本申請涉及機器人運動學標定技術領域，特別涉及一種基于滑輪運動學的索并聯機器人運動學標定方法。

背景技術

精度是機器人的重要性能之一，保證機器人終端位姿精度滿足給定要求是實現機器人操作的必要條件。在機器人完成制造裝配之后，由于制造和裝配誤差的存在，其運動學幾何參數實際值和理論設計值存在差異。按理論幾何參數進行運動控制時，終端實到位姿與指令位姿之間將出現誤差。通過運動學標定辨識出不準確的幾何參數，對機器人運動學模型參數進行更新，是保證機器人精度的可行方法。

與剛性機器人相比，索驅動并聯機器人的運動鏈非常簡潔，沒有內部關節，這表明其潛在的精度優勢。但是，實際情況與理論預期卻不盡相同，終端低位姿精度成為限制索并聯機器人應用的主要因素之一。索并聯機器人的終端低精度主要是由兩種誤差引起的，即幾何誤差和非幾何誤差。幾何誤差主要來自結構的制造和裝配誤差，非幾何誤差主要包括繩索變形和不準確的繩索模型。非幾何誤差中，繩索模型可以通過采用懸鏈線或拋物線模型提高建模精度，繩索變形可以通過選擇合適的繩索材料或調整張緊力來消除。因此，幾何誤差成為影響索并聯機器人，尤其是工業中應用的小尺度索并聯機器人終端精度的主要影響因素。

在索并聯機器人的運動學建模中，廣泛采用了近似的點到點建模方法，該方法將靜平臺和動平臺上的繩索連接點視為固定點，采用點到點直線對繩索進行建模。然而實際應用中，繩索從滾筒中引出后，會通過多個滑輪改變方向，然后離開靜平臺連接到動平臺。滑輪的使用有助于減少磨損并延長繩索的使用壽命。使用滑輪結構時，繩索在靜平臺上的實際連接點位置由滑輪機構確定，且該連接點的位置隨動平臺位姿變化而變化，這會對索并聯機器人的運動學產生影響。在對精度要求較高的場合，將滑輪運動學考慮在內，建立完整的運動學模型，并在該運動學模型基礎上進行運動學標定，辨識出更為精確的參數，以提高索并聯機器人終端控制精度是必要的。

申請內容

本申請提供一種基于滑輪運動學的索并聯機器人運動學標定方法，克服了現有索并聯機器人采用點到點近似建模方法帶來的終端誤差大的缺點，通過更為完整和精確的索并聯機器人運動學標定方法，將繩索出索點處的滑輪結構考慮在內，建立精確的運動學模型，從而再次基礎上建立精確的誤差模型，并完成運動學幾何參數標定，解決傳統點到點建模方法帶來的近似擬合不準確問題。

本申請實施例提供一種基于滑輪運動學的索并聯機器人運動學標定方法，包括以下步驟：

S1：根據預設的索并聯機器人構型，建立包含滑輪運動學的索并聯機器人完整逆運動學模型；

S2：分析所述索并聯機器人待標定的誤差項，并確定所采用的測量方法，以及確定標定中的已知參數、測量參數和待辨識的未知參數；

S3：根據索并聯機器人待辨識幾何運動學參數誤差和測量參數誤差的映射關系建立索并聯機器人誤差模型；

S4：利用繩索長度殘差函數建立辨識方程式，獲得用于未知參數求解的非線性最小二乘化目標函數；

S5：將辨識方程目標函數對已知參數和未知參數分別求導數，獲得所述已知參數和所述未知參數的微分映射關系式，獲得系統辨識矩陣；