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一种综合位姿误差模型与刚度补偿的 机器人 精度补偿方法

阅读：414发布：2020-05-29

专利汇可以提供一种综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法，包括以下步骤：步骤1、根据机器人的结构参数建立机器人运动模型；步骤2、建立机器人误差模型；步骤3、在机器人工作空间内，随意给定目标位姿点，当机器人末端移动到指定点时，记录此时的关节角度；步骤4、利用位置测量仪器测量给定目标位姿点的实际坐标Pa；步骤5、利用最小二乘法对误差参数进行辨识；步骤6、在机器人末端施加载荷，测量其变形量，之后返回步骤3将重新辨识后的结构误差再次补偿给运动模型，从而消除载荷引起的变形导致的末端位姿误差，同时将载荷引起的变形量数据存入数据库，用于后期的精度补偿。本发明可以显著提高机器人的绝对定位精度，简单，高效。，下面是一种综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据机器人的结构参数建立机器人运动模型；
步骤2、根据步骤1建立的机器人运动模型来建立机器人误差模型；
步骤3、在机器人工作空间内，随意给定目标位姿点，其名义坐标为Pn，当机器人末端移动到指定点时，记录此时的关节角度；
步骤4、利用位置测量仪器测量给定目标位姿点的实际坐标Pa；
步骤5、利用最小二乘法对误差参数进行辨识，将辨识出的结构误差补偿给运动模型名义参数，验证是否满足要求，如果满足要求则执行下一步，否则返回步骤3；
步骤6、在机器人末端施加载荷，测量其变形量，之后返回步骤3将重新辨识后的结构误差再次补偿给运动模型，从而消除载荷引起的变形导致的末端位姿误差，同时将载荷引起的变形量数据存入数据库，用于后期的精度补偿。
2.根据权利要求1所述综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法，其特征在于，步骤1中根据机器人的结构参数建立机器人运动模型，具体为：
步骤1-1、根据DH法建立机器人相邻关节间的齐次变换矩阵，该矩阵为：
上式中，ai为连杆长度，αi为关节扭角，di为连杆偏距，θi为关节转角，x为连杆坐标系X轴坐标，z为连杆坐标系Z轴坐标；
步骤1-2、对步骤1-1中建立的齐次变换矩阵引入绕y轴的旋转Rot(y，β)，消除中间连杆之间因为轴平行或近乎平行时产生的奇异，相邻关节运动关系修正为：
上式中，βi表示机器人第i杆坐标系绕y轴的旋转角度，y为连杆坐标系y轴坐标，c为cos，s为sin；
步骤1-3、增加一个额外参数zn，描述工具坐标系沿末端连杆坐标系z轴的平移，建立工具坐标系相对于末端连杆坐标系的变换矩阵为：
步骤1-4、对于N关节机器人，根据上述步骤得到机器人工具坐标系与基座标系之间的运动学关系为：
T＝0A1×1A2×2A3×3A4×4A5×5A6×…×n-1An
n的取值为1...N,N≥1该运动学关系即为机器人运动模型。
3.根据权利要求1所述的综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法，其特征在于，步骤2中建立机器人误差模型具体为：
步骤2-1、由微分变换原理得到中间连杆实际转换矩阵与名义转换矩阵误差dTi为：
且
Ti为中间连杆转换矩阵；
步骤2-2、由微分变换原理得到工具坐标系相对于末端连杆坐标系转换矩阵误差：
Tn为工具坐标系与末端连杆坐标系转换矩阵；
步骤2-3、对于n关节机器人，其最终的误差模型为中间连杆误差加上工具坐标系相对于末端连杆变换的误差，求全微分后得到下式：
其中p为末端位置坐标；
将其写作：
T
其中ΔX＝(Δθ1...Δθn，Δα1...Δαn,Δa1...Δan,Δd1...Δdn,Δβ1...Δβn,Δzn)表示机器人各连杆结构误差Jδ是辨识雅可比矩阵。
4.根据权利要求1所述的综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法，其特征在于，步骤5中将辨识出的结构误差补偿给运动模型名义参数具体是将结构参数加上辨识出的误差参数；
验证是否满足要求具体是指：测量实际坐标，与补偿前的数据进行比较，是否满足公差范围±0.2mm，如果在公差范围内，则满足要求，否则不满足要求。
5.根据权利要求1所述的综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法，其特征在于，步骤6中在机器人末端施加载荷，测量其变形量具体为：
步骤6-1、在额定载荷范围内，向机器人末端施加不同质量载荷，利用应力应变仪测量机器人各部件变形量，并利用仪器测量此时机器人到达指定点的实际坐标；
步骤6-2、对测量结果进行处理，获取机器人各部件变形量随载荷变化的曲线，获取机器人末端位置误差随载荷变化的曲线。

说明书全文

一种综合位姿误差模型与刚度补偿的 机器人 精度补偿方法

技术领域

[0001] 本发明属于机器人标定技术领域，特别是一种综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法。

背景技术

[0002] 随着《中国制造2025纲要》的颁布，工业机器人将在我国掀起又一次发展热潮。精度作为衡量工业机器人性能的重要指标包括重复定位精度与绝对定位精度。现在的工业机器人重复定位精度高，而绝对定位精度低，不利于离线编程以及高精度加工。而机器人运动学标定是提高机器人定位精度的有效手段，主要包括建模、测量、辨识、补偿四个阶段。

[0003] 传统的方法进行机器人标定，仅是针对运动学模型参数引起误差进行补偿，而没有考虑载荷引起的变形量，没有进行综合补偿。而传统刚度补偿方面，需要进行大量的公式推导，求解机器人各关节挠度以及臂杆挠度，建立刚度模型。过程复杂，效率较低。

发明内容

[0004] 本发明所解决的技术问题在于提供一种综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法。

[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤1、根据机器人的结构参数建立机器人运动模型；具体为：

[0007] 步骤1-1、根据DH法建立机器人相邻关节间的齐次变换矩阵，该矩阵为：

[0008]

[0009] 上式中，ai为连杆长度，αi为关节扭角，di为连杆偏距，θi为关节转角，x为连杆坐标系X轴坐标，z为连杆坐标系Z轴坐标；

[0010] 步骤1-2、对步骤1-1中建立的齐次变换矩阵引入绕y轴的旋转Rot(y，β)，消除中间连杆之间因为轴平行或近乎平行时产生的奇异，相邻关节运动关系修正为：

[0011]

[0012] 上式中，βi表示机器人第i杆坐标系绕y轴的旋转角度，y为连杆坐标系y轴坐标，c为cos，s为sin；

[0013] 步骤1-3、增加一个额外参数zn，描述工具坐标系沿末端连杆坐标系z轴的平移，建立工具坐标系相对于末端连杆坐标系的变换矩阵为：

[0014]

[0015] 步骤1-4、对于N关节机器人，根据上述步骤得到机器人工具坐标系与基座标系之间的运动学关系为：

[0016] T＝0A1×1A2×2A3×3A4×4A5×5A6×…×n-1An

[0017] n的取值为1...N,N≥1该运动学关系即为机器人运动模型。

[0018] 步骤2、根据步骤1建立的机器人运动模型来建立机器人误差模型；具体为：

[0019] 步骤2-1、由微分变换原理得到中间连杆实际转换矩阵与名义转换矩阵误差dTi为：

[0020]

[0021] 且

[0022] Ti为中间连杆转换矩阵；

[0023] 步骤2-2、由微分变换原理得到工具坐标系相对于末端连杆坐标系转换矩阵误差：

[0024]

[0025] Tn为工具坐标系与末端连杆坐标系转换矩阵；

[0026] 步骤2-3、对于n关节机器人，其最终的误差模型为中间连杆误差加上工具坐标系相对于末端连杆变换的误差，求全微分后得到下式：

[0027]

[0028] 其中p为末端位置坐标；

[0029] 将其写作：

[0030] Δp＝JδΔX

[0031]

[0032] 其中ΔX＝(Δθ1...Δθn，Δα1...Δαn,Δa1...Δan,Δd1...Δdn,Δβ1...Δβn,Δzn)T表示机器人各连杆结构误差Jδ是辨识雅可比矩阵。

[0033] 步骤3、在机器人工作空间内，随意给定目标位姿点，其名义坐标为Pn，当机器人末端移动到指定点时，记录此时的关节角度；

[0034] 步骤4、利用位置测量仪器测量给定目标位姿点的实际坐标Pa；

[0035] 步骤5、利用最小二乘法对误差参数进行辨识，将辨识出的结构误差补偿给运动模型名义参数，验证是否满足要求，如果满足要求则执行下一步，否则返回步骤3；

[0036] 将辨识出的结构误差补偿给运动模型名义参数具体是将结构参数加上辨识出的误差参数；

[0037] 验证是否满足要求具体是指：测量实际坐标，与补偿前的数据进行比较，是否满足公差范围±0.2mm，如果在公差范围内，则满足要求，否则不满足要求。

[0038] 步骤6、在机器人末端施加载荷，测量其变形量，之后返回步骤3将重新辨识后的结构误差再次补偿给运动模型，从而消除载荷引起的变形导致的末端位姿误差，同时将载荷引起的变形量数据存入数据库，用于后期的精度补偿。在机器人末端施加载荷，测量其变形量具体为：

[0039] 步骤6-1、在额定载荷范围内，向机器人末端施加不同质量载荷，利用应力应变仪测量机器人各部件变形量，并利用仪器测量此时机器人到达指定点的实际坐标；

[0040] 步骤6-2、对测量结果进行处理，获取机器人各部件变形量随载荷变化的曲线，获取机器人末端位置误差随载荷变化的曲线。

[0041] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明使用的运动学模型在MDH法的基础上增加了工具坐标系，构成6参数模型，使得运动模型更加完备，能够更好地描述机器人模型。(2)本发明的方法对机器人结构误差识别采用最小二乘法，运用matlab等软件可以快速得到结构误差辨识结果。(3)本发明的方法根据位姿误差模型进行补偿之后，针对机器人末端载荷引起的变形量进行了二次补偿，同时不需要再对机器人建立刚度模型，省去了复杂的运算推导过程。(4)本发明的方法获取机器人本体变形量对载荷的变化曲线，使得机器人在遇到类似工况时调取离线结果，提高机器人在线工作效率。

[0042] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

[0043] 图1为本发明的一种综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法流程图。

[0044] 图2为由机器人末端施加载荷引起的各臂杆末端变形，其中图(a)为臂杆受力弯曲变形图，图(b)为臂杆受力拉伸变形图，图(c)为臂杆受力扭转变形图。

具体实施方式

[0045] 结合图1、图2，本发明的一种综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法，包括以下步骤：

[0046] 步骤1、根据机器人的结构参数建立机器人运动模型；具体为：

[0047] 步骤1-1、根据DH法建立机器人相邻关节间的齐次变换矩阵，该矩阵为：

[0048]

[0049] 上式中，ai为连杆长度，αi为关节扭角，di为连杆偏距，θi为关节转角，X为连杆坐标系X轴，Z为连杆坐标系Z轴。

[0050] 步骤1-2、对步骤1-1中建立的齐次变换矩阵引入绕y轴的旋转Rot(y，β)，消除中间连杆之间因为轴平行或近乎平行时产生的奇异，相邻关节运动关系修正为：

[0051]

[0052] 上式中，βi表示机器人第i杆坐标系绕y轴的旋转角度，y为连杆坐标系y轴，c为cos，s为sin；

[0053] 步骤1-3、增加一个额外参数zn，描述工具坐标系沿末端连杆坐标系z轴的平移，建立工具坐标系相对于末端连杆坐标系的变换矩阵为：

[0054]

[0055] 步骤1-4、对于N关节机器人，根据上述步骤得到机器人工具坐标系与基座标系之间的运动学关系为：

[0056] T＝0A1×1A2×2A3×3A4×4A5×5A6×…×n-1An

[0057] n的取值为1...N,N≥1，该运动学关系即为机器人运动模型。

[0058] 步骤2、根据步骤1建立的机器人运动模型来建立机器人误差模型；具体为：

[0059] 步骤2-1、由微分变换原理得到中间连杆实际转换矩阵与名义转换矩阵误差dTi为：

[0060]

[0061] 且

[0062] Ti为中间连杆转换矩阵。

[0063] 步骤2-2、由微分变换原理得到工具坐标系相对于末端连杆坐标系转换矩阵误差：

[0064]

[0065] Tn为工具坐标系与末端连杆坐标系转换矩阵。

[0066] 步骤2-3、对于n关节机器人，其最终的误差模型为中间连杆误差加上工具坐标系相对于末端连杆变换的误差，求全微分后得到下式：

[0067]

[0068] 其中p为末端位置坐标。

[0069] 将其写作：

[0070] Δp＝JδΔX

[0071]

[0072] 其中ΔX＝(Δθ1...Δθn，Δα1...Δαn,Δa1...Δan,Δd1...Δdn,Δβ1...Δβn,ΔTzn)表示机器人各连杆结构误差Jδ是辨识雅可比矩阵。

[0073] 步骤3、在机器人工作空间内，随意给定目标位姿点，其名义坐标为Pn，当机器人末端移动到指定点时，记录此时的关节角度；

[0074] 步骤4、利用位置测量仪器测量给定目标位姿点的实际坐标Pa；

[0075] 步骤5、利用最小二乘法对误差参数进行辨识，将辨识出的结构误差补偿给运动模型名义参数，验证是否满足要求，如果满足要求则执行下一步，否则返回步骤3；

[0076] 将辨识出的结构误差补偿给运动模型名义参数具体是将结构参数加上辨识出的误差参数；

[0077] 验证是否满足要求具体是指：测量实际坐标，与补偿前的数据进行比较，是否满足公差范围±0.2mm，如果在公差范围内，则满足要求，否则不满足要求。

[0078] 步骤6、参照图2所示，在机器人末端施加载荷会引起臂杆的变形，导致机器人末端定位误差。在机器人末端施加载荷，测量其变形量，之后返回步骤3将重新辨识后的结构误差再次补偿给运动模型，从而消除载荷引起的变形导致的末端位姿误差，同时将载荷引起的变形量数据存入数据库，用于后期的精度补偿。具体为：

[0079] 步骤6-1、在额定载荷范围内，向机器人末端施加不同质量载荷，利用应力应变仪测量机器人各部件变形量，并利用仪器测量此时机器人到达指定点的实际坐标；

[0080] 步骤6-2、对测量结果进行处理，获取机器人各部件变形量随载荷变化的曲线，获取机器人末端位置误差随载荷变化的曲线。

[0081] 综上所述，本发明公开的一种综合位姿误差模型与刚度补偿的机器人精度补偿方法，在机器人工作空间内随机给定目标位姿记录名义坐标以及关节角度，测量给定点实际位姿，建立机器人误差模型，通过最小二乘法对误差进行辨识，并将辨识出的误差补偿给运动模型名义参数，然后在机器人末端施加载荷，测量变形量，进行二次补偿。实现机器人绝对定位精度的补偿。本发明可以显著提高机器人的绝对定位精度，简单，高效。

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