CN107053154A

CN107053154A - 一种用于机器人精度标定的方法

Info

Publication number: CN107053154A
Application number: CN201710330218.7A
Authority: CN
Inventors: 王荣军; 田伟超; 张晶; 赵静静; 关伟
Original assignee: Hua Zhi Minimally Invasive Medical Technology (beijing) Co Ltd
Current assignee: Hua Zhi Minimally Invasive Medical Technology (beijing) Co Ltd
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2017-08-18
Anticipated expiration: 2037-05-11
Also published as: CN107053154B

Abstract

本发明公开了一种用于机器人精度标定的方法，包括以下步骤：建立基础坐标系，为机器人每个关节指定一个理论参考坐标系，用D‑H表示法对机器人建模，建立相邻两个关节的变换矩阵A_n+1，变换矩阵依次右乘得到机器人的总变换矩阵T；计算机器人末端相对参考坐标系的理论位姿X，建立机器人误差计算方程△X＝X`‑X，求出△X；利用最小二乘法求出机器人参数误差△P＝(X^TX)^‑1X^T△X，各关节参数误差P_n＝P_n‑1+△P，最后将这些误差补偿到机器人的D‑H模型参数中。本发明操作简便、成本较低，极大提高机器人精度。

Description

一种用于机器人精度标定的方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种用于机器人精度标定的方法。

背景技术

机器人精度指重复定位精度和绝对定位精度，主要是受限于机器人加工和装配精度，精度标定可以在这一固有属性基础上对其D-H参数进行修正。目前工业机器人标定的方法主要包括开环标定(激光跟踪仪、IGPS)、基于物理约束标定、基于视觉标定等方法，其中存在测量造价高、受限于加工精度、转换误差等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于机器人精度标定的方法，用以解决现有机器人标定精度差的问题，操作简便、成本较低，极大提高机器人精度。

为实现上述目的，具体地，该用于机器人精度标定的方法包括以下步骤：

1)、建立基础坐标系，机器人位于基础坐标系内，测得机器人末端在基础坐标系中的位置；

2)、为机器人每个关节指定一个理论参考坐标系，用D-H表示法对机器人建模，每个关节的运动位姿由四个运动学参数确定：相邻连杆夹角θ；相邻连杆间的距离d；相邻关节距离a；相邻关节轴间夹角α；

3)、建立相邻两个关节的变换矩阵A_n+1，变换矩阵依次右乘得到机器人的总变换矩阵T；

4)、计算机器人末端相对参考坐标系的理论位姿X；

5)、建立机器人误差计算方程△X＝X`-X，其中X＝F(a,d,T,θ,α)，机器人末端实际位姿X`＝F(a+△a,d+△d,T+△T,θ+△θ,α+△α)；

6)、求出△X；

7)、利用最小二乘法求出机器人参数误差△P＝(X^TX)^-1X^T△X；

8)、各关节参数误差P_n＝P_n-1+△P，重复步骤1)～7)多次，最后将这些误差补偿到机器人的D-H模型参数中。

步骤1)中所述的测得机器人末端在基础坐标系中的位置具体方法为：在机器人的各关节处安装编码器，各编码器通过数据总线连接数据采集卡，数据采集卡将编码器的数据传输给计算机并计算出机器人末端在基础坐标系中的位置。

步骤4)中所述的理论位姿X计算方程为：

X＝ZTE；

其中Z为机器人的机械臂与参考坐标系相联系的变换矩阵，机器人末端相对所在机械臂是固定的，所以为机器人末端指定独立坐标系，E为机械臂末端的独立坐标系。

步骤1)中所述的建立基础坐标系的具体方法为：加工一矩形箱体，并在矩形箱体表面雕刻出坐标点，以箱体任意三面交点作为坐标原点，建立基础坐标系。

所述的矩形箱体是利用CNC加工技术加工而成，加工精度为0.01mm。

所述的变换矩阵A_n+1＝rot(z,θ)trans(0,0,d)trans(a,0,0)rot(x,a)。

步骤6)中，由于误差很小，将机器人误差计算方程简化成线性方程计算△X：

本发明具有如下优点：建立一个实际的基础坐标系，通过计算机器人末端理论位姿和实际位姿得到机器人误差，进一步计算得到机器人的参数误差，然后将各参数误差补偿到机器人的D-H模型参数中，本发明操作简便、成本较低，极大提高机器人精度。

附图说明

图1为本发明实施例1的机器人结构示意图。

图2为参考坐标系的示意图。

图3为实施例3的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

参见图1～2，该用于机器人精度标定的方法包括以下步骤：

1)、利用CNC加工技术加工一矩形箱体，加工精度为0.01mm，在矩形箱体表面雕刻出坐标点，以箱体任意三面交点作为坐标原点，建立基础坐标系。机器人通过基座设置在基础坐标系内，在机器人的各关节处安装编码器，各编码器通过数据总线连接数据采集卡，数据采集卡将编码器的数据传输给计算机并计算出机器人末端在基础坐标系中的位置。

2)、为机器人每个关节指定一个理论参考坐标系，用D-H表示法对机器人建模，每个关节的运动位姿由四个运动学参数确定：相邻连杆夹角θ；相邻连杆间的距离d；相邻关节距离a；相邻关节轴间夹角α。

其中各参数参照表一。

表一、机器人各关节的参数

关节	θ(°)	α(°)	a(mm)	d(mm)
					1	0	-90	0	120
2	90	-90	100	0
					3	0	0	300	0
4	90	90	0	300
					5	0	-90	100	0
末端				178

由于是五轴机器人，T₅＝A₁A₂A₃A₄A₅。

4)、利用下述方程计算机器人末端相对参考坐标系的理论位姿X；

X＝ZTE；

5)、建立机器人误差计算方程△X＝X`-X，其中X＝F(a,d,T,θ,α)，机器人末端实际位姿X`＝F(a+△a,d+△d,T+△T,θ+△θ,α+△α)。

6)、由于误差很小，将机器人误差计算方程简化成线性方程计算△X：

求出△X。

7)、利用最小二乘法求出机器人参数误差△P＝(X^TX)^-1X^T△X。

8)、各关节参数误差P_n＝P_n-1+△P，重复步骤1)～7)多次，通过反复迭代直到误差足够小，最后将这些误差补偿到机器人的D-H模型参数中，参照表二。

表二、标定后的机器人各关节参数

关节	θ(°)	α(°)	a(mm)	d(mm)
					1	0	-90	-1.005	121.23
2	90.24	-90	98.25	0
					3	0.125	0.12	300.29	0.98
4	90.12	90.301	0.25	301.6
					5	-0.823	-89.56	103.2	0.524
末端				179.28

将此D-H参数值植入到实际模型中，再进行精度验证。

表三、机器人标定前后的误差对比

评价指标	标定前	第一次标定后
			最大误差	13.635	1.520
平均误差	8.563	0.856

由表三可以看出，本发明极大提高机器人精度。

实施例2

本实施例中的机器人可以是六轴或者更多，同样可以采用上述方法进行标定。

实施例3

参见图3，为了进一步的保证机器人精度标定的准确性，本实施例在机器人相邻机械臂的关节处安装由电磁离合器，该电磁离合器包括固定臂2、转动臂1、旋转轴3和离合器本体，转动臂1通过圆柱销15与旋转轴3固定连接，旋转轴3与固定臂2相对转动地设置，离合器本体连接在固定臂2与旋转轴3之间并控制旋转轴3的旋转与停止，相邻两个机械臂分别链接转动臂1和固定臂2，利用离合器本体将旋转轴3锁定在固定臂2上，进而锁定转动臂1，结构简单，操作简便、成本较低，极大提高机器人的精度。两个固定臂2对称设置在转动臂1的两侧，旋转轴3通过轴承14转动连接固定臂2，固定臂2的外侧设有轴向固定轴承14的端盖。端盖包括轴承端盖13和辅侧端盖16，辅侧端盖16通过螺栓固定在相对应的固定臂2外侧，离合器本体和轴承端盖13通过螺栓固定在一个固定臂2的外侧。

离合器本体包括离合器外壳4、电磁线圈5、衔铁6、摩擦片7、定片8和锁紧弹簧10，离合器外壳4与轴承端盖13和固定臂2固定连接，电磁线圈5固定在离合器外壳4的圆形槽中，旋转轴3的一端通过圆锥销11固定连接有一个限位套12，摩擦片7轴向滑动地套在限位套12的外侧，摩擦片7与限位套12同步转动地连接，离合器外壳4上设有四爪导轨，定片8轴向滑动地连接四爪导轨，多个摩擦片7与定片8有交替设置，衔铁6固定在外侧定片8的一侧，在衔铁6与离合器外壳4之间设有锁紧弹簧10，锁紧弹簧10推动衔铁6压紧定片8和摩擦片7，从而使摩擦片7固定，进而通过限位套12和旋转轴3使得转动臂1固定。离合器外壳4还连接有一个调节挡圈9，定片8和摩擦片7固定在调节挡圈9与衔铁6之间，通过调节挡圈9调节定片8与摩擦片7的间隙。

离合器断电情况下，也就是电磁线圈5断电，锁紧弹簧10预压力压紧衔铁6使摩擦片7和定片8贴合，实现锁定转动臂1的功能；离合器通电情况下，也就是电磁线圈5得电，电磁线圈5磁力克服锁紧弹簧10的弹力吸合衔铁6，使摩擦片7和定片8松开，此时转动臂1可以旋转。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种用于机器人精度标定的方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

4)、计算机器人末端相对参考坐标系的理论位姿X；

6)、求出△X；

7)、利用最小二乘法求出机器人参数误差△P＝(X^TX)^-1X^T△X；

2.根据权利要求1所述的用于机器人精度标定的方法，其特征在于：步骤1)中所述的测得机器人末端在基础坐标系中的位置具体方法为：在机器人的各关节处安装编码器，各编码器通过数据总线连接数据采集卡，数据采集卡将编码器的数据传输给计算机并计算出机器人末端在基础坐标系中的位置。

3.根据权利要求1所述的用于机器人精度标定的方法，其特征在于：步骤4)中所述的理论位姿X计算方程为：

X＝ZTE；

其中Z为机器人的机械臂与参考坐标系相联系的变换矩阵，E为机械臂末端的独立坐标系。

4.根据权利要求1所述的用于机器人精度标定的方法，其特征在于：步骤1)中所述的建立基础坐标系的具体方法为：加工一矩形箱体，并在矩形箱体表面雕刻出坐标点，以箱体任意三面交点作为坐标原点，建立基础坐标系。

5.根据权利要求4所述的用于机器人精度标定的方法，其特征在于：所述的矩形箱体是利用CNC加工技术加工而成，加工精度为0.01mm。

6.根据权利要求1所述的用于机器人精度标定的方法，其特征在于：所述的变换矩阵A_n+1＝rot(z,θ)trans(0,0,d)trans(a,0,0)rot(x,a)。

7.根据权利要求1所述的用于机器人精度标定的方法，其特征在于：步骤6)中，由于误差很小，将机器人误差计算方程简化成线性方程计算△X：

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