一種五自由度混聯機器人直接誤差補償技術的制作方法

本發明涉及制造裝備的誤差補償技術，尤其涉及一種五自由度混聯機器人直接誤差補償技術，屬于機器人領域。

背景技術：

由三自由度并聯機構與兩自由度串聯轉頭搭建而成的五自由度混聯機器人是一種新型五軸聯動加工裝備，其結合了串聯機器人工作空間大和并聯機器人加速度大、剛度高的特點，以高速高精加工為目標，在大尺度非結構環境下的加工制造領域具有廣泛的應用前景。如Tricept、Exechon等五自由度混聯機器人已在航空航天、汽車制造等領域開展了初步應用，并取得了良好效果。

精度是該類五自由度混聯機器人的重要性能指標。在具備良好基礎制造精度的前提下，誤差補償是進一步提高該類裝備精度的有效手段。通常情況下，誤差補償分為以下四個步驟：誤差建模、誤差檢測、誤差辨識和補償實施。以往在精度要求不高的場合，上述方法尚可滿足工程需求，然而隨著對該類裝備精度要求的逐步提升，上述傳統補償方法已無法使裝備達到所需精度。主要原因在于：第一，該類五自由度混聯機器人關節數目較多，每一關節存在六項誤差源，關節兩兩之間又存在多項結構誤差，故誤差源數量眾多，若考慮全部幾何誤差源，則模型過于復雜且會導致模型過度參數化，影響辨識精度，若只考慮部分幾何誤差源，則無法精確描述裝備的誤差特性；第二，前述誤差模型僅可考慮裝備的幾何誤差，然而誤差檢測環節得到的末端位姿誤差測量值不僅含有幾何誤差源的影響，而且包含重力場引起的靜變形誤差、溫度場變化引起的熱變形誤差等，忽略此類誤差將導致誤差辨識結果偏離真值，從而無法準確預估混聯機器人在任一位姿處的誤差補償值；第三，現有誤差補償技術步驟繁瑣，且誤差累積現象嚴重，制約補償精度的提高，如未建模誤差導致模型無法精確描述真實機構、測量環節引入測量噪聲、誤差辨識環節中采用數據擬合技術帶來的計算誤差等。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種高精度、高效率、便于工業現場應用的、可直接基于誤差檢測數據完成誤差補償的五自由度混聯機器人直接誤差補償技術。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

本發明的一種五自由度混聯機器人直接誤差補償技術，包括以下步驟：

(1)建立坐標系統；

(2)并聯機構位姿誤差檢測及預估：保持串聯轉頭不動，測量并聯機構在工作空間中一組離散點處的動平臺位姿誤差，并通過插值手段預估其運動至工作空間內任一點處的動平臺位姿誤差；

(3)串聯轉頭位姿誤差檢測及預估：保持并聯機構不動，測量串聯轉頭每一回轉軸的六維運動誤差以及串聯轉頭的結構誤差，預估串聯轉頭運動至其工作空間內任一方位時刀具相對于動平臺的位姿誤差；

(4)混聯機器人位姿誤差預估及補償：當混聯機器人運動至空間任一位姿時，利用上述并聯機構位姿誤差和串聯轉頭位姿誤差的預估結果，計算得到當前位姿下的機器人位姿誤差，將該位姿誤差取相反數后與理想位姿疊加，并據此利用運動學逆解求得各主動關節運動量，作為運動控制的實際輸入變量；

(5)檢測混聯機器人在工作空間內的位姿誤差，若其不滿足混聯機器人精度需求，重復上述步驟(1)至步驟(4)，直至精度滿足需求。

所述步驟(1)中坐標系統包括激光跟蹤儀測量坐標系和工件坐標系，所述工件坐標系作為統一基準坐標系。

所述步驟(2)中并聯機構位姿誤差檢測及預估的過程如下：

在并聯機構動平臺上選取參考點，將并聯機構工作空間劃分為空間網格，所有網格依順序編號為1,2,…,i_并,…,N_并，第i_并個網格的所有節點分別記為其中m_并為每個網格的節點數目；

保持串聯轉頭不動，控制并聯機構動平臺的參考點運動至各個網格節點處，測量并記錄各節點處的動平臺位姿誤差，記第i_并個網格的第j_并個節點處的動平臺位姿誤差向量為其中為第i_并個網格的第j_并個節點處的動平臺參考點位置誤差向量，為第i_并個網格的第j_并個節點處的動平臺姿態誤差向量；

當并聯機構運動至其工作空間內任一位姿處時，尋找并確定當前并聯機構動平臺參考點所在的網格單元，提取該網格單元所有節點處的動平臺位姿誤差測量值，依據參考點在上述網格中的相對空間位置，采用插值運算手段計算并預估當前位姿處動平臺的位姿誤差為：

Δ_并＝Int(X_并,P_并,Ω_并)

其中，Δ_并表示當前位姿處動平臺的位姿誤差向量，Int(·)表示插值函數，X_并表示動平臺位姿向量，P_并表示網格所有節點的空間位置坐標的集合，Ω_并表示網格所有節點處動平臺位姿誤差向量的集合。

所述步驟(3)中串聯轉頭位姿誤差檢測及預估的過程如下：

將串聯轉頭的第一回轉軸和第二回轉軸的回轉范圍分別劃分為角度區間；

保持并聯機構不動，分別控制串聯轉頭的第一回轉軸和第二回轉軸做回轉運動，檢測并記錄各回轉構件運動至上述角度區間端點處時的位姿誤差；

當串聯轉頭的第一回轉軸、第二回轉軸分別運動至角度θ_串,1、角度θ_串,2時，尋找并確定該轉軸包含上述角度值的最小區間單元，提取區間兩個端點處回轉構件的位姿誤差測量值，采用插值運算手段計算并預估當前角度下回轉構件的位姿誤差：

Δ_串,i＝Int(θ_串,i,P_串,i,Δ_串,i)，i＝1,2

其中，Δ_串,i表示第i回轉軸回轉部件位姿誤差向量，Int(·)表示插值函數，θ_串,i表示第i回轉軸轉角值，P_串,i表示第i回轉軸角度區間端點值構成的集合，Δ_串,i表示第i回轉軸角度區間端點處回轉部件位姿誤差向量集合；

檢測并擬合串聯轉頭各轉動軸回轉軸線的空間方位，并計算第一回轉軸、第二回轉軸及并聯機構動平臺三者間的結構誤差，所有結構誤差構成誤差向量Δ_結構；

綜合考慮兩個回轉軸線的運動誤差及結構誤差，預估刀具相對于動平臺的位姿誤差：

其中，Δ_串表示刀具相對于動平臺的位姿誤差向量，A表示串聯轉頭誤差映射矩陣。

所述步驟(4)中運動控制的實際輸入變量的計算方法如下：

p＝p₀-J(Δ_并+Δ_串)

q＝f^-1(p,s)

其中，p₀表示理想情況下刀尖點位置信息與刀具姿態信息構成的位姿向量，J表示用于將位姿誤差變換至全局坐標系的誤差變換矩陣，p表示用于求解運動控制實際輸入變量的機器人末端位姿向量，f^-1(·)表示混聯機器人運動學逆解，s表示混聯機器人結構參數向量，q表示用于誤差補償的運動控制的實際輸入變量構成的向量。

與現有技術相比，本發明的技術方案所帶來的有益效果是：

(1)本發明，直接利用機器人工作空間誤差測量數據實施誤差補償，可同時補償機器人的幾何誤差、運動誤差、熱誤差、重力場引起的變形誤差等，由于該方法全面考慮了機器人系統的靜態/準靜態誤差，故誤差補償效果明顯優于傳統的基于幾何誤差辨識結果的誤差補償方法；

(2)本發明，僅需借助機器人運動學逆解計算補償量，而無需建立誤差模型、辨識模型，計算方法簡便，計算效率高，可用于機器人的實時在線補償；

(3)本發明，所需誤差測量、誤差補償的時間短、效率高，適用于工業生產現場的機器人設備巡檢、精度調校，避免傳統方法耗時較長而占用機器人過多的生產時間。

附圖說明

圖1是五自由度混聯機器人的一個方向的結構示意圖；

圖2是五自由度混聯機器人的另一個方向的結構示意圖；

圖3是由五自由度混聯機器人搭建而成的加工中心結構示意圖；

圖4是五自由度混聯機器人位姿誤差測量原理示意圖；

圖5是五自由度混聯機器人位姿測量裝置示意圖；

圖6是五自由度混聯機器人位姿誤差檢測方案示意圖；

圖6a是串聯轉頭中第二回轉軸誤差測量示意圖；

圖6b是串聯轉頭中第一回轉軸誤差測量示意圖；

圖6c是串聯轉頭和并聯結構的連接示意圖；

圖6d是并聯結構誤差測量示意圖；

圖7是五自由度混聯機器人誤差補償流程示意圖。

附圖標記：11第一固定軸座；12第一轉動支架；13第一長度調節裝置；23第二長度調節裝置；24第二鉸鏈；33第三長度調節裝置；34第三鉸鏈；41第二固定軸座；42第二轉動支架；43第四長度調節裝置；44第四鉸鏈；5動平臺；6串聯轉頭；61第一回轉軸；62第二回轉軸；63主軸；64刀具；71工件坐標系；72激光跟蹤儀測量坐標系；73機架坐標系；81五自由度混聯機器人；82工作臺；83激光跟蹤儀；91位姿測量裝置；92安裝板；93連接法蘭；94磁座安裝槽；95磁座；96反射鏡。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明加以詳細說明。

本實施例是針對公開號為CN104985596A的中國專利公開的一種含轉動支架的五自由度混聯機器人的直接誤差補償技術。

下面結合附圖1和附圖2簡要說明CN104985596A中公開的五自由度混聯聯構型裝備的結構。該五自由度混聯聯構型裝備由具有一個平動和二個轉動的三自由度并聯機構和與之串接的具有兩個轉動自由度的串聯轉頭組成，串聯轉頭6固接于并聯機構的動平臺。所述的串接在動平臺5末端的串聯轉頭6為二自由度A/C擺頭，包括第一回轉軸61和第二回轉軸62。所述的三自由度并聯機構包括第一長度調節裝置13、第二長度調節裝置23、第三長度調節裝置33和第四長度調節裝置43，以及第一轉動支架12和第二轉動支架42。所述第一轉動支架12的兩側端分別各通過一自由度鉸鏈旋轉地連接有一個第一固定軸座11，所述第二轉動支架42的兩側端分別各通過一自由度鉸鏈旋轉地連接有一個第二固定軸座41，所述第一長度調節裝置13的一端貫穿所述第一轉動支架12的中部與動平臺5固定連接，所述第二長度調節裝置23和第三長度調節裝置33的一端分別貫穿所述第一轉動支架12對應地通過第二鉸鏈24和第三鉸鏈34與動平臺5連接，所述第二長度調節裝置23和第三長度調節裝置33對稱地設置于第一長度調節裝置13的兩側，所述第一長度調節裝置13、第二長度調節裝置23和第三長度調節裝置33的中部分別各通過具有一個轉動自由度的鉸鏈連接在第一轉動支架12上，所述第四長度調節裝置43的一端貫穿第二轉動支架42通過第四鉸鏈44與動平臺5連接，所述第四長度調節裝置43設置在第一長度調節裝置13的下方，所述第四鉸鏈44為具有三個轉動自由度的球鉸鏈，且三個轉動軸線不共線但相交于一點。所述第四長度調節裝置43的中部通過具有一個轉動自由度鉸鏈旋轉地連接在第二轉動支架42上。位姿測量裝置91由安裝板92、連接法蘭93、磁座95和反射鏡96組成，開展測量時，安裝板92可通過連接法蘭93固定連接于主軸63的端面上，四個磁座95通過過盈配合固定安放在位于安裝板92四角的磁座安裝槽94中，反射鏡96可精確地固定吸附于任意一個磁座95上，以利用激光跟蹤儀83獲取反射鏡96的中心點的空間位置信息。

本發明的一種五自由度混聯機器人直接誤差補償技術，通過直接測量并聯機構和串聯轉頭6在有限位形下的位姿誤差(位置誤差與姿態誤差的統稱)，經插值補償在任意位形下的位姿誤差，如圖3至圖7所示，該技術主要包括以下步驟：

一、建立坐標系統

選用激光跟蹤儀83作為測量儀器，建立激光跟蹤儀測量坐標系72及工件坐標系71，確定所述激光跟蹤儀測量坐標系72與工件坐標系71之間的相對位姿關系，并以工件坐標系71作為后續誤差測量與補償等環節的統一基準坐標系。

二、并聯機構位姿誤差檢測及預估

利用激光跟蹤儀83測量與動平臺5固接的位姿測量裝置91上不共線四點的空間位置坐標，并據此解算動平臺5在激光跟蹤儀測量坐標系72中的位置與姿態坐標，將所述位置與姿態坐標換算至工件坐標系71并與動平臺5理想位置與姿態坐標相比較，即可獲取動平臺5在當前位姿下的位置與姿態誤差，具體計算方法為：

記激光跟蹤儀83所測位姿測量裝置上不共線四點的位置坐標為r_i＝(x_i y_i z_i)^T，則動平臺5參考點位置向量令四個測量點所擬合平面的方程為ax+by+c＝z，則由方程參數構成的向量X＝(a b c)^T可由下式求解

式中，λ_min表示矩陣[A L]的最小特征值，I表示三階單位矩陣。

利用平面方程確定平面法向量n₁＝(a b -1)^T，利用不相鄰兩個測量點(如點1和點3)的位置坐標確定平面內的一個坐標軸n₂＝(r₃-r₁)/||r₃-r₁||₂，第三個坐標軸由右手定則確定n₃＝n₁×n₂。將所得坐標系與理想坐標系對比即可求取動平臺姿態誤差向量。

選取并聯機構動平臺5上與第一回轉軸61和第二回轉軸62(A/C軸)軸線交點相重合的點作為參考點，依所述參考點將并聯機構工作空間劃分為若干空間六面體網格，所有網格依順序編號為1,2,…,i_并,…,N_并，第i_并個網格的所有節點分別記為其中m_并為每個網格的節點數目，m_并＝1,2,…,8。

保持串聯轉頭6不動，測量并聯機構在工作空間中一組離散點處的動平臺5位姿誤差(動平臺5參考點位置誤差與動平臺姿態誤差)，也就是，控制并聯機構動平臺5的參考點運動至各個網格節點處，利用激光跟蹤儀83測量并計算各節點處動平臺5的位姿誤差(動平臺5參考點位置誤差及動平臺5姿態誤差)，記第i_并個網格的第j_并個節點處的動平臺位姿誤差向量為其中為第i_并個網格的第j_并個節點處的動平臺5參考點位置誤差向量，為第i_并個網格的第j_并個節點處的動平臺5姿態誤差向量。

當并聯機構運動至其工作空間內任一位姿處時，尋找并確定當前并聯機構動平臺5參考點所在的最小網格單元，提取該網格單元所有節點處的動平臺5位姿誤差測量值，依據參考點在上述網格中的相對空間位置，采用三維插值運算手段計算并預估當前位姿處的動平臺5位姿誤差，具體算法為：

其中，Δ_并表示當前位姿處動平臺的位姿誤差向量，Int(·)表示插值函數，X_并表示動平臺位姿向量，P_并表示網格所有節點的空間位置坐標的集合，Ω_并表示網格所有節點處動平臺位姿誤差向量的集合，x,y,z表示動平臺參考點分六面體網格共頂點三邊所形成的內分比，表示六面體網格第m_并節點處動平臺的位姿誤差向量，m_并＝1,2,…,8。

三、串聯轉頭6位姿誤差檢測及預估

保持并聯機構不動，測量串聯轉頭6每一回轉軸的六維運動誤差以及串聯轉頭的結構誤差，預估串聯轉頭6運動至其工作空間內任一方位時刀具64相對于動平臺5的位姿誤差(刀尖點相對于并聯機構動平臺5的位置誤差與刀具64相對于并聯機構動平臺5的姿態誤差)。

a)將第一回轉軸61(轉軸C)的回轉范圍劃分為若干角度區間，混聯機器人回零后保持并聯機構及第二回轉軸62(轉軸A)不動，控制第一回轉軸61(轉軸C)做回轉運動，利用激光跟蹤儀83檢測并計算第一回轉軸61(轉軸C)回轉構件運動至上述區間端點處時回轉構件的位姿誤差，同時利用前述測量數據擬合第一回轉軸61(轉軸C)軸線的空間方位。

b)將串聯轉頭6的第二回轉軸62(轉軸A)的回轉范圍劃分為若干角度區間，混聯機器人回零后保持并聯機構及第一回轉軸61(轉軸C)不動，控制第二回轉軸62(轉軸A)做回轉運動，利用激光跟蹤儀83檢測并計算第二回轉軸62 (轉軸A)回轉構件運動至上述區間端點處時回轉構件的位姿誤差，同時利用前述測量數據擬合第二回轉軸62(轉軸A)軸線的空間方位。

c)當串聯轉頭6運動至空間任一方位時，計算第一回轉軸61(轉軸C)的轉角角度θ_串,1和第二回轉軸62(轉軸A)的轉角角度θ_串,2，尋找并確定第一回轉軸61(轉軸C)與第二回轉軸62(轉軸A)包含上述角度值的最小區間單元，提取該區間兩個端點處第一回轉軸61(轉軸C)與第二回轉軸62(轉軸A)各自回轉構件的位姿誤差測量值，依據當前角度值在所述角度區間中的相對位置，采用三維插值方法計算并預估第一回轉軸61(轉軸C)與第二回轉軸62(轉軸A)各自回轉構件的位姿誤差：

Δ_串,i＝Int(θ_串,i,P_串,i,Δ_串,i)，i＝1,2 (5)

其中，Δ_串,i表示第i回轉軸回轉部件位姿誤差向量，Int(·)表示插值函數，θ_串,i表示第i回轉軸轉角值，P_串,i表示第i回轉軸角度區間端點值構成的集合，Δ_串,i表示第i回轉軸角度區間端點處回轉部件位姿誤差向量集合；

檢測并擬合串聯轉頭6各轉動軸回轉軸線的空間方位，并計算第一回轉軸61、第二回轉軸62及并聯機構動平臺5三者間的結構誤差，所有結構誤差構成誤差向量Δ_結構；

綜合考慮兩個回轉軸線的運動誤差及結構誤差，進而預估計算得到串聯轉頭6末端運動部件刀具64相對于動平臺5的位姿誤差(刀尖點相對于并聯機構動平臺5的位置誤差與刀具64相對于并聯機構動平臺5的姿態誤差)：

其中，Δ_串表示刀具64相對于動平臺5的位姿誤差向量(刀尖點相對于并聯機構動平臺5參考點的位置誤差以及刀具64相對于動平臺5的姿態誤差共同構成的誤差向量)，A表示串聯轉頭6誤差映射矩陣。

四、混聯機器人位姿誤差預估及補償

當混聯機器人運動至空間任一位姿時，利用上述并聯機構動平臺5在工件坐標系下的位姿誤差和串聯轉頭6末端運動部件刀具64相對于動平臺5的位姿誤差，將所得兩組位姿誤差疊加得到串聯轉頭6末端部件刀具64在工件坐標系下度量的位姿誤差，得到當前位姿下的機器人位姿誤差(刀尖點位置誤差及刀具64姿態誤差在基準坐標系中的度量)，將該位姿誤差取相反數后與機器人理想位姿線性疊加，將所得結果代入機器人運動學逆解模型求解得各主動關節運動量，也就是并聯機構第一長度調節裝置13、第二長度調節裝置23、第三長度調節裝置33、第一回轉軸61(轉軸C)以及第二回轉軸62(轉軸A)的運動量，以此作為機器人運動控制的實際輸入變量以控制裝備的運動。

所述運動控制的實際輸入變量的計算方法如下：

p＝p₀-J(Δ_并+Δ_串) (7)

q＝f^-1(p,s) (8)

其中，p₀表示理想情況下刀尖點位置信息與刀具姿態信息構成的位姿向量，J表示用于將位姿誤差變換至全局坐標系的誤差變換矩陣，p表示用于求解運動控制實際輸入變量的機器人末端位姿向量，f^-1(·)表示混聯機器人運動學逆解，s表示混聯機器人結構參數向量，q表示用于誤差補償的運動控制的實際輸入變量構成的向量。

五、檢測混聯機器人在整個工作空間內的位姿誤差(刀尖點位置誤差與刀具姿態誤差在工件坐標系下的度量)，若所測混聯機器人位姿誤差滿足機器人的精度需求，則補償結束，若其不滿足混聯機器人精度需求，重復上述步驟一至步驟四，直至機器人位姿誤差在全域內均小于允許值，精度滿足需求。

盡管上面結合附圖對本發明的功能及工作過程進行了描述，但本發明并不局限于上述的具體功能和工作過程，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。