CN110370271B - 工业串联机器人的关节传动比误差校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业串联机器人的关节传动比误差校准方法，包括工业串联机器人、机器人控制器、计算机、激光跟踪仪和安装激光靶标的工装；工业串联机器人和机器人控制器数据连接，计算机分别与机器人控制器和激光跟踪仪数据连接；安装激光靶标的工装与机器人末端固连接；本发明具有校准精度高、速度快，可实现减速比与耦合比参数辨识和校准特点。
Description
技术领域
本发明涉及串联工业机器人技术领域，尤其是涉及一种基于激光跟踪仪进行高精度测量、对工业机器人传动比误差进行全局笛卡尔空间误差优化的串联工业机器人的关节传动比误差校准方法。
背景技术
由于伺服电机存在高转速、低扭矩的特性，应用在机器人手臂关节处的电机通常需要减速器进行减速增矩以匹配输出。机器人各个关节一般通过电机-减速器-杆件传动，减速器通常采用RV减速器，谐波减速器和皮带轮减速器。
对于机器人关节角度控制过程中，控制器直接读取安装在电机末端的编码器码盘数据，如果减速器的减速比存在误差，就会导致机器人各个关节轴角度控制误差，进一步影响机器人的绝对定位精度。
为了使机器人伸展时重力矩更小，电机等大质量部件尽可能靠近基座方向，机器人末端几个轴的运动通过机械传动进行传递，导致末端关节存在耦合关系，如果去耦没有彻底，同样会影响机器人的绝对定位精度。
关节的减速比和耦合比误差是影响绝对定位精度的重要因素，对上述传动比的辨识对提升机器人性能起着至关重要的作用。机器人传动比参数的辨识是对转动或者移动关节的减速比和存在耦合关系关节的耦合比误差进行辨识，补偿回机器人控制器，以提升机器人绝对定位精度。目前，常用的减速比辨识方法，如徐方的“一种机器人减速比的测试方法”，操作繁琐且准确度较差。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的传动比误差辨识操作繁琐、准确度差的不足，提供了一种基于激光跟踪仪进行高精度测量、对工业机器人传动比误差进行全局笛卡尔空间误差优化的串联工业机器人的关节传动比误差校准方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种工业串联机器人的关节传动比误差校准方法，其特征是，包括工业串联机器人、机器人控制器、计算机、激光跟踪仪和安装激光靶标的工装；工业串联机器人和机器人控制器数据连接，计算机分别与机器人控制器和激光跟踪仪数据连接；安装激光靶标的工装与机器人末端固连接；包括如下步骤：
(1-1)根据GB/T12642选择工业机器人灵活工作空间中立方体中的任意m个位置点，机器人控制器控制机器人末端到达选定的m个位置点，使固连于机器人末端的安装激光靶标的工装在每个位置点处的姿态均朝向激光跟踪仪；
(1-2)计算机控制激光跟踪仪测量机器人末端在m个位置点的激光靶标位置y；计算机通过控制器读取工业机器人在每个位置点的各轴关节角名义值θn；
(1-3)计算机利用记录的m个位置点关节角名义值θn，测量的激光靶标位置y，利用机器人名义结构参数值计算得到传动比误差值；
(1-4)计算机将辨识的传动比更新到机器人控制器中，完成对机器人传动比参数误差的补偿。
本发明能够基于激光跟踪仪进行高精度测量、对工业机器人传动比误差进行全局笛卡尔空间误差优化。而通过模型法辨识得到的传动比误差可以更大程度地提升机器人绝对定位精度。
作为优选，步骤(1-3)包括如下步骤：
机器人的传动比误差影响机器人的关节角度值，进而影响机器人末端位置，机器人关节角度值偏差与机器人末端位置偏差关系可以通过雅克比矩阵表示。
(2-1)设定dP＝J(θn)dθ为机器人的微分运动学模型，其中，dP为机器人末端位置偏差，J(θn)为机器人关节误差空间到机器人末端位置误差空间的转换关系，称为雅克比矩阵，dθ为关节角的偏差值；
(2-2)设定机器人末端位置偏差为
dP＝y-f(θn)；
其中，dP为机器人末端位置偏差值，y为激光跟踪仪测量得到的激光靶标位置，f(·)为机器人的正解函数，描述机器人关节角度值到机器人末端位置的映射关系，
为机器人各轴关节角度名义值，
是第i关节角度名义值，i＝1，..k，k为机器人关节总数；
(2-3)设定θa是机器人各轴关节角度实际值组成的向量；
(2-4)设定减速比的误差为
其中，ki为第i关节名义与实际减速比之比，即为减速比误差，ri n和ri q分别表示为第i关节减速比的名义值和实际值，
表示第i关节减速器的输入值，
和
分别表示第i关节减速器的名义和实际输出值；
(2-5)设定耦合比的误差为
其中，
和
分别表示第j关节对第i关节的耦合比的名义值和实际值；
(2-6)设定机器人各轴的耦合关系为当前关节转动只会对后续的关节产生转动，则所有的耦合比参数可以构造一个解耦矩阵C；
和
都能够从机器人控制器中读取，那么
可以通过计算得到
上式可以重新写为
(2-7)设定第i个关节角实际值为
(2-8)设定第i个关节角的偏差为
其中，dki是第i个关节的减速比误差的偏差，dhji是第j关节对第i关节的耦合比误差的偏差值；
(2-9)将m个位置点的名义关节角度值θn和m个位置点的测量激光靶标位置y代入
中，计算出传动比误差的偏差dk，dh；
其中，p＝1，...，m，m为机器人运动到空间任意位置点的个数，一般m取50；pdP为第p次测量数据计算得到的机器人末端位置偏差值，pJ(θn)为第p次测量对应计算得到的雅克比矩阵；dθ＝[dθ1，…，dθk]为各个关节轴的关节角偏差值；dk＝[dk1，…dki…dkk]；dh＝[dh12，…dhji…dhk-1k]。
(2-10)将传动比误差的偏差dk，dh，加上原先的传动比误差k和h作为新的传动比误差；其中，k＝[k1，…ki…kk]；h＝[h12，…hji…hk-1k]；
当dk和dh中至少有一个大于R时，转入步骤(2-1)，其中，R为修正阈值；
当dk和dh均≤R时，得到修正后的传动比误差；
作为优选，R为10-7至10-13。
因此，本发明具有如下有益效果：校准精度高、速度快，可实现减速比与耦合比误差辨识和校准。
附图说明
图1是本发明的工业机器人和激光跟踪仪的一种结构示意图；
图2为本发明的一种流程图；
图3为本发明的一种传动比误差校准前后绝对定位精度对比图。
图中：工业串联机器人1、激光靶标2、激光跟踪仪3。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1、图2所示的实施例是一种工业串联机器人的关节传动比误差校准方法，包括工业串联机器人1、机器人控制器、计算机、激光跟踪仪3和安装激光靶标2的工装；工业串联机器人和机器人控制器数据连接，计算机分别与机器人控制器和激光跟踪仪数据连接；安装激光靶标的工装与机器人末端固连接；包括如下步骤：
步骤100，机器人运行到灵活工作空间m个位置点
根据GB/T12642选择工业机器人灵活工作空间中立方体中的任意m个位置点，机器人控制器控制机器人末端到达选定的m个位置点，使固连于机器人末端的安装激光靶标的工装在每个位置点处的姿态均朝向激光跟踪仪；
步骤200，计算机读取关节角，跟踪仪测量末端位置
计算机控制激光跟踪仪测量机器人末端在m个位置点的激光靶标位置y；计算机通过控制器读取工业机器人在每个位置点的各轴关节角名义值θn；
步骤300，计算机计算修正的传动比参数
计算机利用记录的m个位置点关节角名义值θn，测量的激光靶标位置y，利用机器人名义结构参数值计算得到传动比误差值；
步骤301，设定dP＝J(θn)dθ为机器人的微分运动学模型，其中，dP为机器人末端位置偏差，J(θn)为机器人关节误差空间到机器人末端位置误差空间的转换关系，称为雅克比矩阵，dθ为关节角的偏差值；
步骤302，设定机器人末端位置偏差为
dP＝y-f(θn)；
其中，dP为机器人末端位置偏差值，y为激光跟踪仪测量得到的激光靶标位置，f(·)为机器人的正解函数，描述机器人关节角度值到机器人末端位置的映射关系，
为机器人各轴关节角度名义值，
是第i关节角度名义值，i＝1，..k，k为机器人关节总数；
步骤303，设定θa是机器人各轴关节角度实际值组成的向量；
步骤304，设定减速比的误差为
其中，ki为第i关节名义与实际减速比之比，即为减速比误差，ri n和ri a分别表示为第i关节减速比的名义值和实际值，
表示第i关节减速器的输入值，
和
分别表示第i关节减速器的名义和实际输出值；
步骤305，设定耦合比的误差为
其中，
和
分别表示第j关节对第i关节的耦合比的名义值和实际值；
步骤306，设定机器人各轴的耦合关系为当前关节转动只会对后续的关节产生转动，则所有的耦合比参数可以构造一个解耦矩阵C；
和
都能够从机器人控制器中读取，那么
可以通过计算得到
上式可以重新写为
步骤307，设定第i个关节角实际值为
步骤308，设定第i个关节角的偏差为
其中，dki是第i个关节的减速比误差的偏差，dhji是第j关节对第i关节的耦合比误差的偏差值。
步骤309，将m个位置点的名义关节角度值θn和m个位置点的测量激光靶标位置y代入
中，计算出传动比误差的偏差dk，dh；
其中，p＝1，...，m，m为机器人运动到空间任意位置点的个数，一般m取50；pdP为第p次测量数据计算得到的机器人末端位置偏差值，pJ(θn)为第p次测量对应计算得到的雅克比矩阵；dθ＝[dθ1，…，dθk]为各个关节轴的关节角偏差值；dk＝[dk1，…dki…dkk]；dh＝[dh12，…dhji…dhk-1k]。
步骤310，将传动比误差的偏差dk，dh，加上原先的传动比误差k和h作为新的传动比误差；
当dk和dh中至少有一个大于R时，转入步骤300，其中，R为修正阈值；
当dk和dh均≤R时，得到修正后的传动比误差。
作为优选，R为10-7至10-13。
步骤400，计算机将辨识的传动比更新到机器人控制器中，完成对机器人传动比参数误差的补偿。
图3为本发明的一种传动比误差校准前后绝对定位精度对比图。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (2)
1.一种工业串联机器人的关节传动比误差校准方法，其特征是，包括工业串联机器人、机器人控制器、计算机、激光跟踪仪和安装激光靶标的工装；工业串联机器人和机器人控制器数据连接，计算机分别与机器人控制器和激光跟踪仪数据连接；安装激光靶标的工装与机器人末端固连接；包括以下步骤：
(1-1)根据GB/T12642选择工业机器人灵活工作空间中立方体中的任意m个位置点，机器人控制器控制机器人末端到达选定的m个位置点，使固连于机器人末端的安装激光靶标的工装在每个位置点处的姿态均朝向激光跟踪仪；
(1-2)计算机控制激光跟踪仪测量机器人末端在m个位置点的激光靶标位置y；计算机通过控制器读取工业机器人在每个位置点的各轴关节角名义值θn；
(1-3)计算机利用记录的m个位置点关节角名义值θn，测量的激光靶标位置y，利用机器人名义结构参数值计算得到传动比误差值；
机器人的传动比误差影响机器人的关节角度值，进而影响机器人末端位置，机器人关节角度值偏差与机器人末端位置偏差关系通过雅克比矩阵表示：
(1-3-1)设定dP＝J(θn)dθ为机器人的微分运动学模型，其中，dP为机器人末端位置偏差，J(θn)为机器人关节误差空间到机器人末端位置误差空间的转换关系，称为雅克比矩阵，dθ为关节角的偏差值；
(1-3-2)设定机器人末端位置偏差为
dP＝y-f(θn)；
其中，dP为机器人末端位置偏差值，y为激光跟踪仪测量得到的激光靶标位置，f(·)为机器人的正解函数，描述机器人关节角度值到机器人末端位置的映射关系，
为机器人各轴关节角度名义值，θi n是第i关节角度名义值，i＝1，..k，k为机器人关节总数；
(1-3-3)设定θa是机器人各轴关节角度实际值组成的向量；
(1-3-4)设定减速比的误差为
其中，ki为第i关节名义与实际减速比之比，即为减速比误差，ri n和ri a分别表示为第i关节减速比的名义值和实际值，θi m表示第i关节减速器的输入值，θi n′和θi a′分别表示第i关节减速器的名义和实际输出值；
(1-3-5)设定耦合比的误差为
其中，
和
分别表示第j关节对第i关节的耦合比的名义值和实际值；
(1-3-6)设定机器人各轴的耦合关系为当前关节转动只会对后续的关节产生转动，则所有的耦合比参数构造一个解耦矩阵C；θi n和
都能够从机器人控制器中读取，那么θi n′通过计算得到
上式重新写为
(1-3-7)设定第i个关节角实际值为
(1-3-8)设定第i个关节角的偏差为
其中，dki是第i个关节的减速比误差的偏差，dhji是第j关节对第i关节的耦合比误差的偏差值；
(1-3-9)将m个位置点的名义关节角度值θn和m个位置点的测量激光靶标位置y代入
中，计算出传动比误差的偏差dk，dh；
其中，p＝1，...，m，m为机器人运动到空间任意位置点的个数；pdP为第p次测量数据计算得到的机器人末端位置偏差值，pJ(θn)为第p次测量对应计算得到的雅克比矩阵；dθ＝[dθ1，…，dθk]为各个关节轴的关节角偏差值；dk＝[dk1，…dki…dkk]；dh＝[dh12，…dhji…dhk-1k]；
(1-3-10)将传动比误差的偏差dk，dh，加上原先的传动比误差k和h作为新的传动比误差；其中，k＝[k1，…ki…kk]；h＝[h12，…hji…hk-1k]；
当dk和dh中至少有一个大于R时，转入步骤(1-3-1)，其中，R为修正阈值；
当dk和dh均≤R时，得到修正后的传动比误差；
(1-4)计算机将辨识的传动比更新到机器人控制器中，完成对机器人传动比参数误差的补偿；
基于激光跟踪仪进行高精度测量、对工业机器人传动比误差进行全局笛卡尔空间误差优化；而通过模型法辨识得到的传动比误差更大程度地提升机器人绝对定位精度。
2.根据权利要求1所述的工业串联机器人的关节传动比误差校准方法，其特征是，R为10-7至10-13。
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