[發明專利]一種機器人路徑精度補償方法及系統

有效

• 申請號: 202110874822.2
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113547522B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 國凱;盧遠;孫杰
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J9/04
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 武博

1.一種機器人路徑精度補償方法，其特征在于，包括：

獲取機器人受外力信息，根據關節剛度信息和受外力信息計算機器人末端變形量，得到力補償量；

獲取機器人末端實際位置，結合機器人末端理論軌跡計算軌跡修正量，得到位置閉環控制補償量；

將力補償量與位置閉環控制補償量相結合，得到末端路徑精度補償方案；

機器人受到的外力為機器人笛卡爾坐標系剛度與機器人末端變形量的乘積；以機器人關節角度信息和受外力信息作為控制器的輸入值，計算當前機器人末端雅克比矩陣；結合末端變形量與關節剛度矩陣、機器人末端雅克比矩陣的關系計算機器人笛卡爾坐標系剛度；將力補償量送入控制器進行超前補償；上述機器人末端雅克比矩陣包括機器人末端測量點的雅克比矩陣J_m和機器人載荷施加點的雅克比矩陣J_f；

機器人末端變形量表示為：

式中，J_m為機器人末端測量點的雅克比矩陣；K_θ為關節剛度矩陣；J_f為機器人的載荷施加點的雅可比矩陣；F為機器人受到外力；將該末端變形量Δ作為提前補償量對末端軌跡進行補償，控制器將機器人關節角度和從力傳感器接收到的六維力信息作為輸入值，計算當前機器人末端的雅克比矩陣，結合式獲得笛卡爾坐標系剛度K，并由式獲得軌跡補償量，送入機器人控制器進行超前補償；

將機器人末端理論軌跡作為指令輸入，觀測點測得機器人末端實際位置，通過控制器計算軌跡修正量，控制機器人進行軌跡修正，最終實現機器人末端軌跡偏差的閉環控制，定義設定值與實際輸出值的偏差為：

e(t)＝r(t)-y(t)

其中，r(t)分別為每個軸的理論輸出值，y(t)為實際輸出值，則PID的輸出控制算法的表達式為：

將力補償與位置閉環補償相結合，當機器人受到外力時，通過安裝于機器人末端的力傳感器采集到外部力信息，利用機器人關節剛度矩陣、機器人關節角度，計算出機器人受力變形量作為補償量進行提前補償，并通過位置閉環控制補償機器人內部因素導致的跟蹤誤差，實現軌跡精確跟蹤；

機器人路徑精度補償方法步驟還包括獲取機器人基座坐標系、工具坐標系和觀測點坐標系，得到觀測點坐標系下的機器人末端測量點坐標；根據轉換關系將機器人末端測量點坐標轉換為機器人基座標系下的坐標；

機器人系統中坐標系主要包括機器人基座坐標系T_b(O_bX_bY_bZ_b)、工具坐標系T_t(O_tX_tY_tZ_t)和觀測點坐標系T_l(O_lX_lY_lZ_l)；O_l為觀測點坐標系原點；

觀測點位置坐標：

其中，P_l(X_l，Y_l，Z_l)為所述的觀測點坐標系下的機器人位置坐標，β為點P_l(X_l，Y_l，Z_l)與Z_l軸的夾角，α為點P_l(X_l，Y_l，Z_l)與X_l軸的夾角；

將觀測點測量數據轉換為機器人基座標系下的坐標：

同一個點在觀測點坐標系T_l下表示為(X_l，Y_l，Z_l)，在機器人基座標系T_b下表示為(X_b，Y_b，Z_b)，轉換關系如式：

式中，a₁、a₂、a₃分別為軸X_b與軸X_l、Y_l、Z_l間夾角的余弦，b₁、b₂、b₃分別為軸Y_b與軸X_l、Y_l、Z_l間夾角的余弦，c₁、c₂、c₃分別為Z_b軸與軸X_l、Y_l、Z_l間夾角的余弦，λ為尺度參數，Δx、Δy、Δz為平移參數，R為旋轉矩陣；

尺度參數λ可由2個公共點在不同坐標系下的距離之比計算，如下所示：

將尺度參數λ與旋轉參數R代入原空間坐標轉換數學模型進行平移參數求解：

通過測量得到空間六面體頂點的觀測點坐標點陣P₁和機器人工具坐標系坐標點陣P₂來求解旋轉矩陣R和平移參數Δx、Δy、Δz，并獲得轉換矩陣R和平移參數Δx、Δy、Δz。