一种空间机械臂几何参数标定方法与流程

本发明属于机械臂几何参数标定领域，具体涉及的一种空间机械臂几何参数标定方法，尤其是适用于空间大型柔性机械臂的几何参数的标定。

背景技术：

机械臂是一种自动化机械装置，其能够接受指令，精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行作业。在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域具有广泛应用。

机械臂几何参数的标定直接影响机械臂的绝对位姿控制精度，是研制机械臂过程中一关键技术环节。对于体积小、重量轻、对末端绝对定位精度要求不高的机械臂，可以将整个机械臂作为刚性体处理，在参数标定中也可以边组装边测量，或者运用逆运动学的方法记录机械臂在空间中多个特定位姿，反推几何参数。但是太空应用的大型搬运机械臂，由于末端绝对位姿定位精度要求高、体积尺寸大、在地面测量中需要重力卸载系统配合并且难于在地面进行三维空间运动等原因，导致其几何参数标定非常困难、耗时而且标定精度不够理想。

现有技术中，尚没有能够简单、快捷、准确的标定空间大型柔性机械臂的几何参数的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种空间机械臂几何参数标定方法，以降低大型柔性空间机械臂几何参数标定的复杂性，提高大型柔性空间机械臂几何参数的标定精度。

一种空间机械臂几何参数标定方法，包括以下步骤：

步骤一、在机械臂的每个关节的运动部件的侧面加工三个靶座端面，三个靶座端面的中心位于三角形的三个顶点上，且在空间某个方位同时可见，每个靶座端面上固定有一个靶座，三个靶座依次按顺序编号，完成后，得到多个固定有靶座的关节；

步骤二、分别建立每个固定有靶座的关节的关节端面坐标系，每个固定有靶座的关节的关节端面坐标系的建立过程为：

将激光双频干涉仪和固定有靶座的关节放置在测试平台上，且保持激光双频干涉仪和固定有靶座的关节的空间位置关系固定不变，将测量靶球放置在固定有靶座的关节的任意一个靶座上，然后让关节通电自由转动，用激光双频干涉仪测量在运动过程中测量靶球的空间位置，用激光双频干涉仪处理软件拟合测试靶球运动的圆心和圆周平面，设定该圆心为关节端面坐标系的原点，设定该圆周平面为关节端面坐标系的xy平面，用激光双频干涉仪测量关节臂杆基座的轴线，设定关节臂杆基座的轴线在圆周平面的投影并与关节臂杆基座伸出方向一致的方向为关节端面坐标系的x方向；

步骤三、分别测定每个固定有靶座的关节的关节端面坐标系与该固定有靶座的关节的三个靶座的位置关系，每个固定有靶座的关节的关节端面坐标系与该固定有靶座的关节的三个靶座的位置关系的测定过程为：

保持步骤二建立关节端面坐标系时，激光双频干涉仪与固定有靶座的关节的位置关系不变，将测量靶球分别按靶座编号顺序依次放置在固定有靶座的关节的三个靶座上，以关节端面坐标系为工作坐标系，按顺序记录三个靶座的空间位置数据，得到关节端面坐标系与三个靶座的空间位置固连关系；

步骤四、装配机械臂各关节，装配完成后，通过指令将机械臂各关节的关节旋转角度归零位保持机械臂的空间位置在整个测量过程中不变，用激光双频干涉仪按靶座编号顺序分别测量各固定有靶座的关节处的三个靶座的空间位置点，根据步骤三得到的关节端面坐标系与三个靶座的空间位置固连关系，恢复各个固定有靶座的关节的关节端面坐标系；

步骤五、通过数据处理软件，根据恢复的各个固定有靶座的关节的关节端面坐标系测量机械臂的几何参数，完成空间机械臂几何参数的标定。

进一步的，所述三个靶座端面均为圆形。

进一步的，所述靶座与靶座端面粘接刚性固定。

进一步的，所述几何参数为连杆长度a、连杆扭角α、连杆偏置d、连杆之间的关节角θ，机械臂各基座坐标系、机械臂第一个和最后一个关节的关节端面坐标系。

进一步的，所述数据处理软件为Spatial Analyzer软件。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的空间机械臂几何参数标定方法在关节装配阶段进行关节端面坐标系的精确测量设定，并通过三个与关节的运动部件固连的靶座对关节端面坐标系进行固连跟踪，在机械臂整臂组装完成之后需要进行机械臂几何参数标定时，根据关节上的三个靶座对各个关节端面的坐标系进行恢复重建，从而实现空间机械臂的几何参数标定，该标定方法可以在地面重力卸载系统约束下，简单、快速、高精度完成机械臂的标定，为空间在轨标定提供数据依据，也适用于空间机械臂的在轨标定。

附图说明

图1为本发明的空间机械臂几何参数标定方法的流程图；

图2为本发明的空间机械臂几何参数标定方法中的机械臂的示意图；

图3为图2中A的局部放大图；

图4为本发明的空间机械臂几何参数标定方法中激光双频干涉仪测定靶座的空间位置示意图；

图中，1、固定有靶座的关节，11、运动部件，111、靶座端面，12、关节臂杆基座，2、关节臂杆，3、靶座，4、激光双频干涉仪，5、测试平台。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的空间机械臂几何参数标定方法的步骤如下：

步骤一、靶座3设置

如图2和图3所示，在机械臂的每个关节的运动部件11的侧面加工三个靶座端面111，三个靶座端面111均为圆形，三个靶座端面111的中心位于三角形的三个顶点上，在空间某个方位同时可见，每个靶座端面111上固定有一个靶座3，对三个靶座按顺序依次编号，固定方法一般采用强力胶水粘接固定，尽量减少弹性形变，保证三个靶座3与运动部件11的相对位置关系不变；

步骤一操作完成后，得到多个固定有靶座的关节1；

步骤二、关节端面坐标系设定

分别建立每个固定有靶座的关节1的关节端面坐标系，每个固定有靶座的关节1的关节端面坐标系的建立过程为：

如图4所示，将激光双频干涉仪4和固定有靶座的关节1放置在测试平台5上，且保持激光双频干涉仪4和固定有靶座的关节1的空间位置关系固定不变，将测量靶球放置在固定有靶座的关节1的任意一个方便测试的靶座3上，然后通电，固定有靶座的关节1缓慢自由转动，用激光双频干涉仪4测量在运动过程中测量靶球的空间位置，并通过激光双频干涉仪处理软件拟合测试靶球运动的圆心和圆周平面，设定该圆心为关节端面坐标系的原点，设定该圆周平面为关节端面坐标系的xy平面，用激光双频干涉仪4测量关节臂杆基座12的轴线，设定关节臂杆基座12的轴线在圆周平面的投影并与关节臂杆基座12伸出方向一致的方向为关节端面坐标系的x方向，z方向可以通过右手定则确定；

步骤二中，激光双频干涉仪处理软件为现有技术，通过激光双频干涉仪处理软件拟合测试靶球运动的圆心和圆周平面通过激光双频干涉仪处理软件完成，为本领域技术人员的常规技术。

步骤三、关节端面坐标系与靶座3位置关系测定

分别测定每个固定有靶座的关节1的关节端面坐标系与该固定有靶座的关节1的三个靶座3的位置关系，每个固定有靶座的关节1的关节端面坐标系与该固定有靶座的关节1的三个靶座3的位置关系的测定过程为：

保持步骤二建立的固定有靶座的关节1的关节端面坐标系时，激光双频干涉仪4与固定有靶座的关节1的位置关系不变，将测量靶球分别按靶座编号顺序放置在固定有靶座的关节1的三个靶座3上，以步骤二建立的关节端面坐标系为工作坐标系，按靶座编号顺序记录三个靶座3的空间位置数据，得到关节端面坐标系与三个靶座3的空间位置固连关系；

步骤四、机械臂装配后关节端面坐标系恢复

装配机械臂各固定有靶座的关节1，装配过程为现有技术，一个关节臂杆2的两端分别与两个固定有靶座的关节1的关节臂杆基座12连接，多个固定有靶座的关节1通过多个关节臂杆2实现两两连接。

装配完成后，将各个固定有靶座的关节1通过指令使其旋转角度归零，保持机械臂的空间位置在整个测量过程中不变，用激光双频干涉仪4分别按靶座编号顺序依次测量各固定有靶座的关节1的三个靶座3的空间位置点，根据步骤三得到的关节端面坐标系与三个靶座3的空间位置固连关系，恢复各个固定有靶座的关节1的关节端面坐标系；

步骤五、通过数据处理软件，根据恢复的各个固定有靶座的关节1的关节端面坐标系测量机械臂的几何参数，如连杆长度a、连杆扭角α、连杆偏置d、连杆之间的关节角θ、机械臂各基座坐标系、机械臂第一个和最后一个关节的关节端面坐标系等，完成空间机械臂几何参数的标定；

其中，通过数据处理软件，根据恢复的各个固定有靶座的关节1的关节端面坐标系测量各几何参数为现有技术。

本实施方式中，激光双频干涉仪4采用API公司生产的T3设备；靶座3及靶球产自API公司；数据处理软件采用美国New River Kinematics公司生产的Spatial Analyzer软件，该软件的数据处理过程为：

在步骤二关节端面坐标系设定完成，步骤三按顺序测量三个靶座3的空间位置数据后，在Spatial Analyzer软件中，将设定的关节端面坐标系设定为工作坐标系，将按顺序测量的三个靶座3的空间位置数据记录下来，供步骤四中关节端面坐标系恢复重建使用；在步骤四恢复关节端面坐标系时，在Spatial Analyzer软件的菜单栏中将之前保存下来的三个靶座3的空间点位置按顺序输入，软件根据步骤四中新测定的三个靶座3的空间点位置数据以及步骤三中保存下来的三个靶座3的空间点位置数据，完成在Spatial Analyzer软件中的关节端面坐标系恢复重建，重复以上步骤完成其他关节端面坐标系的重建恢复。利用Spatial Analyzer软件提供的查询功能，完成机械臂几何参数的测定工作。