一种连杆机构的结构参数辨识系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种连杆机构的结构参数辨识系统及方法，属于结构参数辨识领域。
【背景技术】
[0002]连杆机构是一种多自由度设备，目前在工业现场测量、产品逆向设计等多个领域都有涉及。连杆机构通常采用空间开链式结构，这种结构形式存在误差累积放大的缺点，各级关节的结构参数误差会被逐级放大，从而造成连杆机构的精度降低。
[0003]结构参数辨识是消除连杆机构结构参数误差的有效方法，由于结构的差异，传统的结构参数辨识方法无法直接应用于连杆机构上，而目前机器人领域的结构参数辨识方法一般都要借助激光跟踪仪、激光干涉仪等昂贵的精密测量仪器，且结构参数辨识操作步骤繁琐、结构参数辨识时间长，因此应用成本也很高。目前研究的基于距离的结构参数方法所采用的结构参数辨识装置的加工精度会影响两点间的距离精度，因此求解得到的结构参数精度较低，从而无法有效提高连杆机构的精度。此外，目前的结构参数辨识装置需要其它精密仪器的辅助测量，增加了结构参数辨识的难度。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种连杆机构的结构参数辨识系统及方法，以用于解决现有采用的结构参数辨识装置的加工精度会影响两点间的距离精度、需要其它精密仪器的辅助测量等问题。
[0005]本发明的技术方案是:一种连杆机构的结构参数辨识系统，包括结构参数辨识装置、连杆机构15、计算机16、结构参数辨识装置电缆17、连杆机构电缆18 ；
所述结构参数辨识装置通过结构参数辨识装置电缆17与计算机16连接通讯，连杆机构15通过连杆机构电缆18与计算机16连接通讯；通过计算机16采集连杆机构15的转角及光栅读数头9读取的结构参数辨识装置的滑动轨端点20至支撑轨端点21的长度，并根据采集到的长度计算结构参数辨识所需要的长度；所述结构参数辨识所需要的长度为结构参数辨识装置固定在一点时，连杆机构15的末端执行器随结构参数辨识装置的滑动轨4在支撑轨3上移动的距离。
[0006]所述结构参数辨识装置包括磁性表座1、连接杆2、支撑轨3、滑动轨4、连接板5、连接板安装螺栓6、万向节7、安装脚架8、光栅读数头9、安装脚架螺栓10、脚架11、光栅尺12、脚架螺栓13、读数头安装螺栓14 ;
所述磁性表座1通过磁力安装在固定平台19上，磁性表座1与导向副的支撑轨3通过连接杆2连接在一起，导向副由支撑轨3、滑动轨4组成，支撑轨3上贴有有光栅尺12，滑动轨4上通过连接板安装螺栓6安装有连接板5，连接板5上通过脚架螺栓13安装有脚架11，脚架11上通过安装脚架螺栓10安装有安装脚架8，安装脚架8上通过读数头安装螺栓14安装有光栅读数头9，由光栅读数头9将当前结构参数辨识装置滑动轨端点20至支撑轨端点21的长度读取出来，移动滑动轨4并将移动后滑动轨端点20至支撑轨端点21的长度读取出来，根据两次读数可计算出连杆机构15的末端执行器在空间两点的距离，用于结构参数辨识计算，万向节7 —端通过螺纹连接在连接板5上，万向节7另一端通过螺纹7安装在连杆机构15末端执行器上。
[0007]所述磁力表座1表面有螺纹孔，所述连接杆2两端有螺纹，所述支撑轨3 —端有螺纹孔。
[0008]—种连杆机构的结构参数辨识方法，所述方法的具体步骤如下:
Stepl、利用万向节7将连杆机构15与结构参数辨识装置连接；
Step2、移动结构参数辨识装置使连杆机构15移动至初始位姿；
Step3、固定结构参数辨识装置于一点并记录结构参数辨识装置的初始位置i=l ；
Step4、采集结构参数辨识装置位于位置i时光栅读数头9的读数以及对应的连杆机构15的关节转角，方法如下:
首先通过计算机16采集滑动轨端点20至支撑轨端点21的长度厶连杆机构15的转角数据，然后移动滑动轨4，同时变换连杆机构15的位姿，通过计算机采集滑动轨端点20至支撑轨端点21的长度和连杆机构15的转角数据，其中k, p为连杆机构15末端执行器随滑动轨4移动的连续两点；结构参数辨识装置位于位置i时，采集?个滑动轨端点20至支撑轨端点21的长度及这且连杆机构15的转角数据；其中连杆机构15各个关节运动方式如下:按照关节从小到大的原则依次运动，关节一从0°变换到20°，下一次再从20°变换到40°，以此类推，每次变换关节的角度增加20°，一直增加到340°，即完成此关节的位姿变换，其余关节也按照这种方法运动，使连杆机构各个关节充分运动；
Step5、计算结构参数辨识所需要的长度:两次采集到的长度之差为连杆机构15末端执行器随结构参数辨识装置的滑动轨4在支撑轨3上移动的距离，从而可得到连杆机构15末端执行器空间两点的距离，该距离为结构参数辨识所需要的长度即为'hP— hk'
Step6、判断是否完成数据采集操作，若尚未完成则移动结构参数辨识装置并且位置变量自增1 'i= i+1，并转至步骤Step4;若已完成结构参数辨识数据采集操作则转至步骤Step7 ；
Step7、完成结构参数辨识数据采集后，令n^i'
Step8、求解待辨识的连杆机构的结构参数向量m:
由于固定结构参数辨识装置于固定平台(19)位置i时，连杆机构(15)末端执行器随滑动轨(4)由点々移动到点的距离是角度向量Θ iik、Θ iip与待辨识的连杆机构的结构参数向量m的函数，有:
θιΛ, Sh2,m) = \lh2— Λ,ιθ1,3, ^1,4.?) = ΙΛ,4_ Λ, 3F、θι, t,m) = \k - Λ, ? 1,(沒 2, t+1) ^2, t+2) -?) " I Λ, t+2 一 Λ, t+1
F、^ 2,2t 1) ^ 2, 2 t) -?) _ I Λ, 2 t — Λ,2? 1
θ n,nt l, υ = \??，?「Λ,β?1在上面的方程组中，只有待辨识的连杆机构的结构参数向量m是不确定的，对其进行求解，得到结构参数向量m的精确值；
Step9、将结构参数向量m代入连杆机构15的运动学方程中，验证结构参数辨识结果的有效性，完成连杆机构的结构参数辨识。
[0009]本发明的工作原理是:利用万向节7将连杆机构15的末端执行器与结构参数辨识装置的连接板5连接，连杆机构15的末端执行器随光栅读数头9 一起移动，连杆机构15的末端执行器随结构参数辨识装置的滑动轨4在支撑轨3上移动的距离即为结构参数辨识所需要的长度，此长度可根据光栅读数头9两次读数计算得出。根据计算出的长度并利用采集到的连杆机构15的关节转角数据，通过运动学方程得到以连杆机构15结构参数为未知量的方程式，移动结构参数辨识装置并变换关节转角就可以得到一系列方程式，联立所得到的方程式即可得到结构参数辨识方程组，求解结构参数辨识方程组即可得到连杆机构的结构参数、实现连杆机构的结构参数辨识。
[0010]本发明的有益效果是:
1、结构参数辨识装置可以固定在固定平台多个位置，从而在采集数据时连杆机构的运动空间变大，连杆机构各关节的运动更加充分，为结构参数解算提供了鲁棒性更强的数据支持。
[0011]2、连杆机构的末端执行器随光栅读数头一起移动，结构参数辨识所需的长度可以由光栅尺系统精确计算得到，计算出的长度误差很小，提高了结构参数解算的可靠性和精度。
[0012]3、由于结构参数辨识装置的有效长度为两次光栅读数头读数之差，其它零件的加工精度对读数的精度几乎无影响，并且结构参数辨识装置不存在长度校准，从而适用范围更广、加工更容易。
【附图说明】
[0013]图1是本发明中结构参数辨识装置的结构示意图；
图2是本发明中结构参数辨识装置的外形图；
图3是本发明中结构参数辨识装置的俯视图；
图4是本发明中结构参数辨识装置的左视图；
图5是本发明中结构参数辨识装置的滑动轨外形图；
图6是本发明中结构参数辨识装置的脚架外形图；
图7是本发明装置固定于位置1，连杆机构末端执行器位于位置点1时，在结构参数辨识过程中采集数据时的位姿图；
图8是本发明装置固定于位置1，连杆机构末端执行器位于位置点2时，在结构参数辨识过程中采集数据时的位姿图；
图9是本发明结构参数辨识方法的具体流程图；
图中:1_磁性表座、2-连接杆、3-支撑轨、4-滑动轨、5-连接板、6-连接板安装螺栓、7_万向节、8-安装脚架、9-光栅读数头、10-安装脚架螺栓、11-脚架、12-光栅尺、13-脚架螺栓、14-读数头安装螺栓、15-连杆机构、16-计算机、17-结构参数辨识装置电缆、18-连杆机构电缆、19-固定平台、20-滑动轨端点、21-支撑轨端点。
【具体实施方式】
[0014]实施例1:如图1-9所示，一种连杆机构的结构参数辨识系统，包括结构参数辨识装置、连杆机构15、计算机16、结构参数辨识装置电缆17、连杆机构电缆18 ;
所述结构参数辨识装置通过结构参数辨识装置电缆17与计算机16连接通讯，连杆机构15通过连杆机构电缆1