一種變參數誤差辨識的機器人精度補償方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種變參數誤差辨識的機器人精度補償方法，屬于機器人逆標定技術 領域。
【背景技術】
[0002] 近年來，機器人技術受到國內外學者廣泛關注。其中機器人重復定位精度和絕對 定位精度是機器人的重要指標。目前機器人的重復定位精度能達到較高水平，而絕對定位 精度卻相對較低，如KUKA-KR210的重復定位精度能達到0. 06mm，而絕對定位精度受制造、 裝配和柔度等因素的影響，只能達到1_3_，難以滿足對機器人精度要求較高的領域（如在 航空領域，要求其在±0. 5mm)。
[0003] 為了滿足這一要求，Henrik Kihlman和曲巍葳等提出在機器人末端增加6D傳感 器并利用激光跟蹤儀實現機器人的全閉環反饋的方法，大大提高了機器人的絕對定位精 度。但是由于這種方法成本高昂（一臺激光跟蹤儀價值100,〇〇〇$)，且對于加工開敞性較差 的部件，在工業現場不易實施。因此大部分研宄都集中在標定和參數辨識方面。
[0004] 文獻"任永杰，邾繼貴，楊學友，等.利用激光跟蹤儀對機器人進行標定的方法 [J].機械工程學報，2007, 09:195-200. "為了提高機器人的精度，提出利用激光跟蹤儀和 線性方程最小二乘解對機器人的進行標定。針對ABB-IRB2400工業機器人，利用激光跟蹤 儀確定機器人的基坐標系并通過圓周法求解每個關節電動機的直線方程，進而可以求得機 器人的連桿扭角。通過激光跟蹤儀測量機器人目標點的坐標值，并通過串口獲得機器人6 根軸的角度值建立標定方程。通過求解此方程，獲得機器人的實際D-H參數，并將此參數 應用于修正系統的運動學模型，能夠提高機器人的絕對精度。但在實際應用中，該方法存在 以下不足：
[0005] 1)將機器人視為剛體，未考慮柔度對機器人的影響；
[0006] 2)只考慮了參數項a和d的誤差，而實際上對定位精度的影響不僅由以上兩個參 數決定，更會受到a和0的影響；
[0007] 3)試驗結果表明機器人在標定后的效果依然不甚理想。
[0008] 專利"南京航空航天大學，成都飛機工業（集團）有限責任公司.一種用于工業 機器人的空間立體網格精度補償方法：中國，CN201110113246. 6[P]. 2011-11-2. "對于包 絡空間內劃分的某個立方體網格內的任一點，采用空間網格劃分的方法，采用空間插值的 方法來對機器人的理論坐標進行修正，完成機器人在該點的絕對定位精度補償。該方法存 在以下不足：
[0009] 1)步長的確定需要進行大量的實驗；
[0010] 2)利用網格劃分機器人的工作空間并用插值的方法對誤差進行處理，該方法中的 誤差權重的考慮主要是對空間中的誤差分布進行估計，但是無法準確描述其誤差模型，因 此所能提尚的精度依然有限；
[0011] 該方法中不能實現不同姿態下的對機器人絕對定位精度的補償。
【發明內容】
[0012] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種變參數誤差辨識的 機器人精度補償方法，提高機器人的絕對定位精度。
[0013] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：一種變參數誤差辨識的機器人精度 補償方法，提出了一種變參數誤差模型，通過激光跟蹤儀采樣機器人不同空間下的位姿點 的誤差，根據期望位姿點所在的空間，尋求該點附近區域范圍內最接近該點的若干點，利用 改進型Levenberg - Marquardt阻尼迭代最小二乘法算法求解該點對應的參數誤差的全局 收斂解進而求出其實際參數。采用該點的實際參數及其運動學逆解求出機器人的實際應到 位姿點，實現機器人在位姿點的絕對定位精度補償。
[0014] 包括以下步驟：
[0015] 第一步，將激光跟蹤儀固定于地面上，利用激光跟蹤儀建立機器人基座標系和法 蘭盤坐標系，同時給定隨機位姿點理論坐標P t;
[0016] 第二步，利用激光跟蹤儀根據給定隨機位姿點理論坐標Pt在機器人基座標系內進 行采樣，得到隨機位姿點的采樣坐標p a;
[0017] 第三步，根據機器人的結構參數通過D-H法建立機器人運動學模型；
[0018] 第四步，根據給定隨機位姿點理論坐標Pt，根據第二步中采樣坐標匕、第三步機器 人運動學模型中各結構參數以及第三步得到的機器人運動學模型，建立運動學誤差模型； 然后通過Levenberg - Marquardt阻尼迭代最小二乘法求解該運動學誤差模型，得到各結 構參數誤差；
[0019] 第五步，根據期望位姿點所在位置，在第二步中得到的采樣坐標中選擇與其最接 近的若干個采樣點，通過第四步得到該期望位姿點的結構參數誤差，從而求出該期望位姿 點對應的機器人實際結構參數；同時根據期望位姿求解機器人逆解；
[0020] 第六步，利用辨識出的機器人的實際結構參數和求解出的機器人逆解求出機器人 實際應到位置，實現機器人在位姿點的絕對定位精度補償。
[0021] 所述第一步中利用激光跟蹤儀測量并建立機器人基座標系和法蘭盤坐標系的方 法，包括以下步驟：
[0022] 步驟一一，將激光跟蹤儀的球形反射器SMR放在機器人基座平面上，沿著基座平 面移動一段距離，利用激光跟蹤儀的連續測量方式采集該段距離上的一系列點，并利用激 光跟蹤儀自帶軟件的擬合平面指令和偏移指令擬合出一個平面，該平面即為機器人基平面 Baseplane，其中偏移指令為SMR半徑的偏移距離；
[0023] 步驟一二，在機器人法蘭盤平面安裝一個SMR座，將SMR固定于該SMR座上，然后 鎖死機器人的A2軸到A6軸，繞A1軸轉動一定距離，利用激光跟蹤儀的連續測量方式采集 該段距離的一系列點，利用軟件的擬合圓指令擬合出A1圓；
[0024] 步驟一三，過A1圓心作該圓的垂線L1，作垂線L1與基平面Baseplane的交點，該 交點為基座標系的原點〇 B;
[0025] 步驟一四，將機器人置于機械零點位置，把SMR置于機器人法蘭盤平面，沿著 該平面移動一定距離，利用激光跟蹤儀的連續測量方式采集該段距離的一系列點，并利 用軟件的擬合平面指令和偏移指令擬合出一個平面，該平面即為機器人的法蘭盤平面 Frangeplane ；
[0026] 步驟一五，在機器人機械零點位置測量機器人法蘭盤平面上的六個安裝孔，將該 六個點投影到機器人法蘭盤平面Frang印lane，利用六個投影點擬合出一個圓C，該圓圓心 即為法蘭盤坐標系的原點0 ;
[0027] 步驟一六，利用法蘭盤平面六個安裝孔中靠機器人基座的兩個安裝孔的投影點作 直線L2,作該直線的中點X F，該中點為法蘭盤坐標系X軸上的點；
[0028] 步驟一七，以0F為原點，過0F垂直于法蘭盤平面的垂線上的點為Z軸上的點， ZX平面上的點建立坐標系，該坐標系為法蘭盤坐標系；
[0029] 步驟一八，以OB為原點，垂線L1上的點為Z軸上的點，X^ZX平面上的點建立坐 標系，該坐標系為機器人基座標系。
[0030] 所述第三步中通過D-H法建立機器人運動學模型的方法，包括以下步驟：
[0031] 步驟三一，根據機器人的結構參數建立機器人相鄰兩桿之間的運動學關系；
[0032] 步驟三二，對步驟三一中建立的機器人相鄰兩桿之間的運動學關系引入旋轉變化 Rot (y，0)，消除由于相鄰兩軸之間相互平行或接近平行時產生的奇異問題；
[0033] 步驟三三，對于N個關節串聯的機器人，根據步驟三二中的機器人相鄰兩桿之間 的運動學關系，得到機器人末端坐標系與基坐標系之間的關系。
[0034] 所述步驟四中建立運動學誤差模型的方法，包括以下步驟：
[0035] 步驟四一，根據第三步機器人運動學模型中各參數的誤差、采樣坐標匕以及理論 坐標Pt，進而得到其誤差位置AP ;
[0036] 步驟四二，將誤差位置AP舍去高階攝動項后線性化得到解化后的運動學誤差模 型。
[0037] 所述步驟四二中各參數誤差的確定方法，包括以下步驟：
[0038] 步驟1)，根據機器人連桿柔度的變化是一個連續的過程，得到關節轉過的角度與 施加在其軸線上的力矩關系；
[0039] 步驟2)，由步驟1)得出受連桿柔度引起的參數誤差的變化也是一個連續的過程， 得到該受連桿柔度引起的參數誤差，并將該受連桿柔度引起的參數誤差在確定機器人的姿 態的條件下轉化到機器人的工作空間中，得到該受連桿柔度引起的參數誤差；
[0040] 步驟3)，根據機器人在某一確定的位姿，其誤差參數在一定時間內是確定的，這一 位姿對應一個關節空間內的轉角，而在此轉角附近的一定范圍內，誤差參數與確定位姿的 誤差參數很接近，得到：
[0041] E = | | AXl_Ax2| |〈 | 當 A 0 一 0 ;
[0042] 其中，A Xl即在關節轉角1下的各參數誤差，Ax 2即在與位姿1非常接近的關節轉 角2處的各參數誤差，A 0即在狀態1和狀態2下的關節轉角的變化值，E即AXl和Ax 2 的差值的范數；
[0043] 步驟4)，將步驟3)中得到差值的范數將其在確定姿態的條件下轉化到機器人的 基座標系：
[0044] E = | | A x「A x21 |〈 | 當（A X，A y，A z) 一 0。
[0045] 優選的，每個期望位姿對應選擇的最接近該期望位姿的采樣點的個數為9