[發明專利]基于旋量理論的機器人無冗余幾何誤差模型解析建模方法

有效

• 申請號: 202110958529.4
• 申請日: 2021-08-20
• 公開（公告）號: CN113580142B
• 公開（公告）日: 2023-10-13
• 發明（設計）人: 田文杰;張相鵬;尹福文;王麗娜;黃田
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

本發明公開了一種基于旋量理論的機器人無冗余幾何誤差模型解析建模方法，包括：步驟一、建立串聯支鏈全參數幾何誤差模型；步驟二、建立并聯運動鏈全參數幾何誤差模型；步驟三、刪減并聯運動鏈中冗余幾何誤差參數，求解并聯運動鏈最大可辨識幾何誤差參數的數目。本發明方法不僅適用并聯構型機器人幾何誤差建模，同樣適用于串并混聯構型機器人幾何誤差建模，而且適用于任意構型機器人幾何誤差建模。本發明所建立的模型既無冗余誤差參數，又可顯式獲取各類型機器人運動鏈中所有具有明確物理意義的相互獨立的幾何誤差參數，還可同時指導機器人的精度設計和運動學標定工作。

技術領域

本發明屬于機器人領域，尤其涉及一種并聯構型機器人以及其他機械裝備的誤差建模方法。

背景技術

目前，提升機器人精度的技術手段主要有兩類：一是通過精度設計保證機器人的基礎制造精度，二是通過運動學標定進一步提升機器人末端位姿精度。不論是精度設計還是運動學標定，都需要建立機器人無冗余幾何誤差模型。幾何誤差是機器人以及其他機械裝備末端精度的重要影響因素，通過抑制幾何誤差源對末端位姿誤差的影響可以有效提高系統的精度性能。幾何誤差建模旨在建立機器人末端位姿誤差與各關節幾何誤差之間的線性映射關系，為精度設計和運動學標定等精度保障手續提供必要的數學模型。現有的機器人幾何誤差建模方法包括矢量法、D-H法、齊次坐標變換法、旋量法、指數積方法、CPC法等，但存在兩類局限性：現有建模方法無法有效處理機構運動空間與力空間的子空間之間的正交對偶關系，故難于采用解析手段獲得無冗余幾何誤差模型，故所建模型不能直接用于機器人精度設計與運動學標定；在采用數值方法刪減模型中的冗余誤差參數時，可能會錯誤刪減機器人驅動關節運動誤差參數，并且刪減后的模型往往失去了明確的物理意義，故無法用于機器人的精度設計與運動學標定工作。因此，建立一種既無冗余誤差參數，又可顯式獲取機器人運動鏈中所有具有明確物理意義的相互獨立的幾何誤差參數及其對末端位姿誤差的線性映射規律，還可同時為機器人精度設計與運動學標定提供理論模型的機器人無冗余幾何誤差建模方法，是亟待解決的關鍵技術問題。

發明內容

針對上述現有技術，本發明提出一種既無冗余誤差參數，又可顯式獲取機器人運動鏈中所有具有明確物理意義的相互獨立的幾何誤差參數及其對末端位姿誤差的線性映射規律，還可同時為機器人精度設計與運動學標定提供理論模型的基于旋量理論的機器人無冗余幾何誤差模型解析建模方法。

為了解決上述技術問題，本發明提出的一種基于旋量理論的機器人無冗余幾何誤差模型解析建模方法，步驟如下：

步驟一、建立n自由度串聯運動鏈全參數幾何誤差模型，包括

步驟1-1)建立由n個單自由度關節和n+1個構件組成的n自由度串聯運動鏈的坐標系統，1≤n≤6；在機器人的機架上建立機架參考系{R₀}；在連架關節處建立連體參考系{R₁}；在第j個連桿的遠架關節處建立連體系{R_j+1}，j＝1,2,…,n-1；在末端構件上建立工具參考系{R_n+1}；建立原點與所述連體系{R_n+1}原點重合且方向與所述機架參考系{R₀}一致的隨動參考系{R′₀}；

步驟1-2)建立相鄰坐標系間平動、轉動誤差矢量與末端構件參考點的位置誤差、末端構件的姿態誤差之間的全參數幾何誤差映射模型；其中：

相鄰構件間相對位置誤差、相對姿態誤差，分別表示為：

^jδr_j+1/j＝(^jδx_j+1^jδy_j+1^jδz_j+1)^T (1)