專利名稱：一種用于測(cè)量機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的方法
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)過幾十年的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)早已成熟。 具有視覺功能的機(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)O.Olm邁)，但其絕對(duì)定位精度卻不高。 對(duì)于沒有標(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，但是這些位置通過驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)獲得，整個(gè)過 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)器人精度的過程?，F(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)，二坐標(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)半徑己知的球體作為參照物，成本低， 容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。


圖1的是運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的示意圖。
具體實(shí)施例方式
工業(yè)機(jī)器人一般是開環(huán)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過角度測(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a、軸的轉(zhuǎn)角0四個(gè)參數(shù)。通過將這些齊次矩陣聯(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，a，e,H)
由于連桿轉(zhuǎn)角通過軸的角度測(cè)量裝置來獲得，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， a， e存在誤差A(yù)a、 Ad、 Aa、 A9。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 + Aa， d + Ad， a + Aa， 9 + A6, H)
傳感器坐標(biāo)系下的一點(diǎn);w在機(jī)器人坐標(biāo)系下的名義坐標(biāo)斗和實(shí)際坐標(biāo):ca為
xn =F(a,d,a，e，i/>w
x =F(a，d，a，e,H)xw
x。 =F(a + Aa，d + Ad，a + Aa，9 + A8,H)xw
△X = Xa 一 X" ^ = Xa — 乂n 當(dāng)這些誤差都比較小時(shí)，可以簡(jiǎn)化成相應(yīng)的線性方
A A鄰AJ AaF An、
Ax =(——Aa + — Ad+——Aa +——A9)x
3a 59 w
進(jìn)一步簡(jiǎn)寫為
其中
Ax 二 JAp
3a
5d
鄰
△p = [Aa Ad Aa對(duì)
假設(shè)機(jī)器人以不同的姿態(tài)測(cè)量一固定點(diǎn)，由于該點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)系的實(shí)際坐 標(biāo)是唯一的，利用上面得到的線性方程
對(duì)于不同姿態(tài)的兩次測(cè):x。 = x祝.+ Ax;
由此
xw - 、 =(H)Ap
令
△xn,, ，g力.-j廣j;
則
假設(shè)附(附>4"， w為機(jī)器人的自由度)次測(cè)量，則機(jī)器人的誤差參數(shù)可由下式 估計(jì)
Ap^(GTG"GTAX
其中
g =
- —
AX =
g 陽"j,,m 一— —
進(jìn)一步優(yōu)化將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和外參數(shù)用向量p描述，球面上某點(diǎn) 在機(jī)器人基坐標(biāo)系的坐標(biāo)向量PR是關(guān)于向量p的函數(shù)。
pr=/(p,l)
其中p-p。 + ap， p。是名義參數(shù)，ap是未建模部分，即需要辨識(shí)的部分，y,.
為傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)。
設(shè)球面中心的坐標(biāo)向量為Xo，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)滿足球面約束
(PR-X0)T(PR-Xu)=r2
辨識(shí)的目標(biāo)是計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和外參數(shù)使得各個(gè)測(cè)量點(diǎn)到球面距離的誤差 和最小，即 ^ T 2
miiiO(p)-mmX(PKj — x0) x0)-,
pe及
六自由度的串聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型需要24個(gè)參數(shù)描述，傳感器和機(jī)器人 之間的坐標(biāo)變換需要6個(gè)參數(shù)描述，球面中心需要3個(gè)參數(shù)描述。這樣，至少 需要33個(gè)參數(shù)需要辨識(shí)，(需要機(jī)器人至少在7個(gè)不同的姿態(tài)下測(cè)量球面，一個(gè)姿態(tài)提供6個(gè)方程)。通過優(yōu)化算法(如Guass-Newton等)可以計(jì)算出未建 模部分。
權(quán)利要求
1、一種用于測(cè)量機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的方法，包括測(cè)距傳感器(1)、下業(yè)機(jī)器人(2)、半徑已知的球體(3)，其特征在于，其中測(cè)距傳感器(1)安裝在工業(yè)機(jī)器人(2)末端，半徑已知的球體(3)作為靶標(biāo)置于測(cè)頭的可測(cè)范圍內(nèi)；運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定的步驟是(1)首先由機(jī)器人帶動(dòng)傳感器以大于7個(gè)姿態(tài)測(cè)量球面，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)器人的位姿數(shù)據(jù)。(2)以測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人的基座坐標(biāo)系后的共球面和球面半徑固定作為約束條件，通過非線性優(yōu)化計(jì)算機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)誤差。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于測(cè)量機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的方法，該方法主要針對(duì)安裝有測(cè)距傳感器的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)誤差的計(jì)算。包括測(cè)距傳感器，工業(yè)機(jī)器人、半徑已知的球體，其中測(cè)距傳感器安裝在工業(yè)機(jī)器人末端，半徑已知的球體作為靶標(biāo)置于測(cè)頭的可測(cè)范圍內(nèi)；運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定的步驟是首先由機(jī)器人帶動(dòng)傳感器以大于7個(gè)姿態(tài)測(cè)量球面，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)和機(jī)器人的位姿數(shù)據(jù)，然后，以測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人的基座坐標(biāo)系后的共球面和球面半徑固定作為約束條件，通過非線性優(yōu)化計(jì)算機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)誤差。實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以及傳感器和機(jī)器人聯(lián)接關(guān)系的同時(shí)標(biāo)定。
文檔編號(hào)G01B21/00GK101660904SQ20091018753
公開日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者李愛國(guó), 英 胡, 孜 馬 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)