CN102278963B

CN102278963B - 并联机器人自标定方法

Info

Publication number: CN102278963B
Application number: CN201110180512A
Authority: CN
Inventors: ***; 侯雨雷; 姚建涛; 段艳宾
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: CN102278963A

Abstract

一种并联机器人自标定方法，该方法在并联机器人各驱动分支上安装位移传感器，在并联机器人定平台和动平台之间增设测量分支，其上安装拉绳传感器，建立驱动分支和测量分支位移相对变化量与动平台位姿及各分支机构学参数之间的函数关系，驱动并联机器人进行位姿变换，使所能建立方程数目大于等于待辨识机构学参数数目，进行数值求解，以获得任意状态动平台位姿及机构学参数误差，进而实现自标定。本发明成本低廉、操作便捷，不受距离的约束，且几乎不对机构设计增添约束，是并联机器人标定方案的很好选择。

Description

并联机器人自标定方法

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是并联机器人自标定的方法。

背景技术

并联机器人为多环闭链机构且各运动链和关节运动副为空间布置，结构参数较多且检测困难，故并联机器人的标定比传统的串联机器人要复杂的多。并联机器人标定的难点在于其动平台位姿信息及各分支初始杆长的获得。无论采用何种标定方法，均需对并联机器人的运动信息进行全部或部分测量。目前对并联机器人基本是采用外部标定的方法，该外部标定需借助精密的外部测量设备进行测试，标定时在某一指定的设备所处位置应当尽可能检测到所有的测量点，否则就需要转站或增加测量设备，而这将提高测量成本、降低测量精度及工作效率。对于待标定设备，特别是高空作业设备，因其测试距离远，测量设备的布站将十分困难，并且这些仪器安装条件较为苛刻，在应用时需要进行精细调整，耗时长，对操作要求高，应用不便。

发明内容

本发明的目的在于在保证机械结构基本不变的前提下，有机结合并联机器人运动学特点，提供一种几乎不对机构设计增添约束的成本低廉、操作简便、效率高、不受距离限制、测量精度高的并联机器人自标定方法。

本发明主要是：

①在并联机器人6个驱动分支移动副上安装位移传感器，如光栅尺或磁致伸缩位移传感器；在并联机器人定平台和动平台之间增设N个测量分支（l ₁, l ₂, …, l _N），其两端分别与定、动平台固结，每个测量分支上安装有一拉绳传感器；

②对应任一特定位姿，由并联机构学理论，可建立6个驱动分支和N个测量分支的反解方程，即可建立（6+N）个独立的显式方程，而方程中未知数包括动平台6个位姿参数以及（6+N）个分支杆长，共计（12+N）个未知参数；

③在不考虑其它机构学参数误差（如各铰点位置误差）的情况下，以任一位姿为初始状态，驱动机器人变换位姿，则对应新位姿，又可建立（6+N）个方程，此次驱动分支变化量可由安装于其上的位移传感器获得，测量分支变化量可由拉绳传感器获得，即仅新增6个位姿参数，则此时方程总数为2×（6+N），而未知量数目为（18+N）；

④驱动机器人再次变换一新位姿，同理，又可建立（6+N）个方程，新增6个位姿参数；

⑤以此类推，假设变换新位姿n次，则共可建立方程（6+N）×（n+1）个，而未知参数为（12+N+6n）个，因此，当方程数大于等于未知参数数目时，即当（6+N）×（n+1）≥（12+N+6n）时，方程可解，则可以求得任意状态动平台位姿及机构学参数误差，即能实现机器人自标定。

进一步，若需考虑更多的机构学参数误差，则通过增加动平台位姿变化次数，可以建立足够的方程来求解未知参数。与此同时，方程数目的增加可能导致数值求解的难度加大，但对于同等数目的待辨识机构学参数，增加拉绳传感器的数目，将减少所需的动平台位姿变化次数，所建立的方程总数也会减少，数值求解的难度自然随之降低。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、在并联机器人驱动分支安装位移传感器，在定、动平台间增设安装一定数量的拉绳传感器，仅通过简单的、有限次动平台位姿的变换，无需已知初始杆长，由传感器位移相对变化量即可求解出任意状态下动平台位姿信息及各分支杆长。拉绳传感器安装尺寸小、结构紧凑、测量行程大、测量精度高，并且安装简单，安装精度易于保证。

2、本发明的测量方法不需要复杂、昂贵的外部空间位姿测量装置，对标定环境要求较低，且基本不对机构设计增添约束，成本低廉，操作便捷可靠，不受距离限制，适用于高空、远距离作业等多种场合。

3、所述方法对于少自由度并联机器人同样适用。

附图说明

图1为本发明并联机器人自标定方法示意简图。

具体实施方式

结合附图，以其为例具体描述本发明所述的并联机器人自标定方法。

如图1所示，本发明所涉及并联机器人由定平台1、动平台2、驱动分支3（A ₁ B ₁、A ₂ B ₂、……、 A ₆ B ₆）以及连接各分支与定、动平台的铰链4、5（虎克铰或球铰）组成；在并联机器人定平台1和动平台2之间增设有3个测量分支6（A ₇ B ₇、A ₈ B ₈、A ₉ B ₉），其两端分别与定、动平台固结（可通过螺纹连接，也可焊接，位置任意），每个分支上安装有拉绳传感器7；并联机器人每个驱动分支的移动副上均安装位移传感器8。

对应某一特定位姿，可建立6个驱动分支和3个测量分支杆长与动平台6个位姿参数（3个位置变量，3个姿态变量）以及各铰点位置矢量之间的关系方程如下所示：

式中，为对应第

次位姿情况下第个分支的杆长；为对应第

次位姿情况下第

个分支的杆长矢量；为由并联机器人动平台到定平台的姿态变化矩阵；

为各分支（包括驱动分支和测量分支）与定平台相连铰点在与定平台固结的定坐标系中的位置矢量；

为各分支与动平台相连铰点在与动平台固结的动坐标系中的位置矢量；

为对应第次位姿情况下动坐标系原点相对于定坐标系的位置矢量；

表示位姿变换次数，

（与测量分支数目及待标定机构学参数有关）；

（M=6+N）。

以图1所示情况为例，假设增设3个测量分支，即N=3，则由上式，对应某一种位姿，可建立9个独立的方程，而方程中动平台姿态（3个角度）与位置（3个）以及9个杆长（包括驱动分支和测量分支）均为未知参数，共计有15个。此时方程数目少于未知参数数目，不可解。

驱动机器人变换位姿，则对应新位姿，依据上式，又可建立9个方程，此时方程总数为18个。位姿变化后，相应的驱动分支和测量分支杆长变化量可由安装于其上的位移传感器获得，故杆长未知量总数不变，未知参数仅增加动平台姿态与位置（6个）。此时，未知参数共计有21个（15+6），多于方程总数，仍不可解。

再次驱动机器人变换一新位姿，同理，又可建立9个方程，新增6个未知位姿参数，此时，方程总数为27个（18+9），而未知参数亦为27个（21+6），方程数与未知参数相同，方程可解，未知参数可求，则可以获得机器人各驱动分支初始杆长，同时变化过程中的位姿参数及测量分支杆长亦可获得。

更进一步，若考虑各铰链点位置误差，依据同样的思路，通过增加动平台位姿变化次数，可以建立足够的方程来求解未知参数，进而实现机器人自标定。

Claims

1.一种并联机器人自标定方法，其特征在于：①在并联机器人6个驱动分支上安装位移传感器，在并联机器人定平台和动平台之间增设N个测量分支l ₁, l ₂, …, l _N，其两端分别与定、动平台固结，每个测量分支上安装有一拉绳传感器；②对应任一特定位姿，可建立6个驱动分支和N个测量分支的反解方程，即可建立6+N个独立的显式方程，而方程中未知数包括动平台6个位姿参数以及6+N个分支杆长，共计12+N个未知参数；③以任一位姿为初始状态，驱动机器人变换位姿，则对应新位姿，又可建立6+N个方程，此次驱动分支变化量可由安装于其上的位移传感器获得，测量分支变化量可由拉绳传感器获得，即仅新增6个位姿参数，则此时方程总数为2×（6+N），而未知量数目为18+N；④驱动机器人再次变换一新位姿，同理，又可建立6+N个方程，新增6个位姿参数；⑤以此类推，假设变换新位姿n次，则共可建立方程（6+N）×（n+1）个，而未知参数为（12+N+6n）个，因此，当方程数大于等于未知参数数目时，即当（6+N）×（n+1）≥（12+N+6n）时，方程可解，则借助安装于并联机器人驱动分支上的位移传感器以及测量分支上的拉绳传感器所检测的位移变化信息，可以求得任意状态动平台位姿及机构学参数误差，即能实现机器人自标定。

2.根据权利要求1所述的并联机器人自标定方法，其特征在于：方程数目的增加可能导致数值求解的难度加大，但对于同等数目的待辨识机构学参数，增加拉绳传感器的数目，将减少所需的动平台位姿变化次数，所建立的方程总数也会减少，数值求解的难度自然随之降低。