多关节机械臂坐标校正方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多关节机械臂坐标校正方法和系统。其中，多关节机械臂坐标校正方法包括如下步骤：接收多关节机械臂的初始参数，初始参数包括各节臂架的长度和质量；基于初始参数，计算每一臂架之后的臂架对该臂架产生的第一形变量、该臂架自身载荷所产生的第二形变量，以及，该臂架之前的臂架对该臂架所产生的第三形变量；并且，计算每一臂架总形变量，确定多关节机械臂末端形变量；基于各个关节臂根部的当前角度以及关节机械臂末端形变量，确定多关节机械臂的末端点坐标。本发明实现了通过对臂架末端的坐标进行准确定位，进而便于对多关节超长臂架的精确控制。
【专利说明】多关节机械臂坐标校正方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及泵车【技术领域】，特别涉及一种多关节机械臂坐标校正方法和系统。
【背景技术】
[0002]多关节超长臂架属于非线性耦合系统，随着臂架长度的增长，其末端点的形变逐渐加大，多关节超长臂架之间彼此相互作用，应力、应变规律复杂，若不能解决超长臂架的形变问题，则臂架姿态无法得到真实反应，末端点坐标不能得到准确定位，对于多关节超长臂架的精确控制将无从谈起。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明提出一种多关节机械臂坐标校正方法和系统，以通过对臂架末端的坐标进行准确定位，实现对多关节超长臂架的精确控制。
[0004]第一方面，本发明公开了一种多关节机械臂坐标校正方法，包括如下步骤:初始参数输入步骤，接收多关节机械臂的初始参数，所述初始参数包括各节臂架的长度和质量；每一臂架总形变量计算步骤，基于所述初始参数，计算每一臂架之后的臂架对该臂架产生的第一形变量、该臂架自身载荷所产生的第二形变量，以及，该臂架之前的臂架对该臂架所产生的第三形变量；并且，计算每一臂架的总形变量，所述总形变量为所述第一形变量、所述第二形变量与所述第三形变量之和；臂架末端形变量计算步骤，基于每一臂架的总形变量，确定多关节机械臂末端形变量；坐标确定步骤，基于各个关节臂根部的当前角度以及关节机械臂末端形变量，确定多关节机械臂的末端点坐标。
[0005]进一步地，上述多关节机械臂坐标校正方法中，所述第一形变量通过如下步骤确定:第一挠度及转角确定步骤，根据各节臂架的质量，确定该臂架之后的所有臂架对该臂架所形成的集中作用力，所述集中作用力为该臂架之后所有臂架的重力之和；并且，依据所述集中作用力确定该臂架之后的所有臂架产生的第一挠度，以及由所述挠度产生的转角；第二挠度及转角确定步骤，根据各节臂架的质量和长度，以及臂架根部的转角，确定该臂架之后的所有臂架对该臂架的弯矩；并且，依据所述弯矩确定该臂架之后的所有臂架产生的第二挠度，以及由所述挠度产生的转角
[0006]进一步地，上述多关节机械臂坐标校正方法中，所述第二形变量通过如下步骤确定:根据该臂架本身的质量，确定该臂架的重力，并假设载荷均匀分布，基于该臂架的长度，确定由于该臂架自身的载荷所产生的第三挠度，以及由所述第三挠度产生的转角。
[0007]进一步地，上述多关节机械臂坐标校正方法中，所述第三形变量通过如下步骤确定:确定该臂架的前一臂架相对于该臂架的转角；依据该转角，确定由该臂架前一臂架的转动所产生的第四挠度；确定该臂架前一臂架相对于该臂架的平移，确定该平移对该臂架所产生的第五挠度。
[0008]进一步地，上述多关节机械臂坐标校正方法中，所述坐标确定步骤中，各个关节臂根部的当前角度由倾角传感器或编码器测得，所述倾角传感器或编码器设置于每节臂架的根部。
[0009]第二方面，本发明公开了一种多关节机械臂坐标校正装置，包括:初始参数输入模块、每一臂架总形变量计算模块、臂架末端形变量计算模块和坐标确定模块。其中，初始参数输入模块用于接收多关节机械臂的初始参数，所述初始参数包括各节臂架的长度和质量；每一臂架总形变量计算模块用于基于所述初始参数，计算每一臂架之后的臂架对该臂架产生的第一形变量、该臂架自身载荷所产生的第二形变量，以及，该臂架之前的臂架对该臂架所产生的第三形变量；并且，计算每一臂架的总形变量，所述总形变量为所述第一形变量、所述第二形变量与所述第三形变量之和；臂架末端形变量计算模块用于基于每一臂架的总形变量，确定多关节机械臂末端形变量；坐标确定模块用于基于各个关节臂根部的当前角度以及关节机械臂末端形变量，确定多关节机械臂的末端点坐标。
[0010]进一步地，上述多关节机械臂坐标校正装置中，所述每一臂架总形变量计算模块进一步包括:第一挠度及转角确定单元和第二挠度及转角确定单元。其中，第一挠度及转角确定单元用于根据各节臂架的质量，确定该臂架之后的所有臂架对该臂架所形成的集中作用力，所述集中作用力为该臂架之后所有臂架的重力之和；并且，依据所述集中作用力确定该臂架之后的所有臂架产生的第一挠度，以及由所述挠度产生的转角；第二挠度及转角确定单元用于根据各节臂架的质量和长度，以及臂架根部的转角，确定该臂架之后的所有臂架对该臂架的弯矩；并且，依据所述弯矩确定该臂架之后的所有臂架产生的第二挠度，以及由所述挠度产生的转角。
[0011]进一步地，上述多关节机械臂坐标校正装置中，所述每一臂架总形变量计算模块进一步包括第三挠度及转角确定单元，用于根据该臂架本身的质量，确定该臂架的重力，并假设载荷均匀分布，基于该臂架的长度，确定由于该臂架自身的载荷所产生的第三挠度，以及由所述第三挠度产生的转角。
[0012]进一步地，上述多关节机械臂坐标校正装置中，所述每一臂架总形变量计算模块进一步包括第四挠度及转角确定单元和第五挠度及转角确定单元。其中，第四挠度及转角确定单元，用于确定该臂架的前一臂架相对于该臂架的转角；依据该转角，确定由该臂架前一臂架的转动所产生的第四挠度；第五挠度及转角确定单元，用于确定该臂架前一臂架相对于该臂架的平移，确定该平移对该臂架所产生的第五挠度。
[0013]进一步地，上述多关节机械臂坐标校正装置中的所述坐标确定模块中，各个关节臂根部的当前角度由倾角传感器或编码器测得，所述倾角传感器或编码器设置于每节臂架的根部。
[0014]本发明基于如下原理:
[0015]第一、虽然，多关节机械臂之间相互耦合，关系复杂，但是，就某一节臂而言，不存在关节之间的作用关系，则相对简单。因此，可将多关节机械臂转化为标准的均匀简支梁，其形变的方向垂直于梁，形变的大小属于小形变。基于小形变理论，将复杂的多关节臂架分为若干段简支梁。
[0016]第二、多关节机械臂架相互之间铰接联接，臂架之间存在相互作用，利用等效理论，确定臂架与臂架的相互作用关系为:前面若干节臂架对本节臂架的平移及转动产生的形变、后面若干节臂架对本节臂架的弯曲及集中作用产生的形变、以及，本节臂架自身载荷作用产生的形变。[0017]第三、采用多关节臂架分段叠加的思路分别求解超长臂架各节臂的形变，之后根据相互作用关系，求取总形变量。
[0018]具体实施时，只要输出多关节机械臂的初始参数，同时结合各个关节臂根部的当前角度即可准确确定臂架末端的坐标，因此，操作非常方便，适应性强。同时，由于将强耦合非线性问题分割转化为线性问题，且计算采用公式推导，可根据臂架载荷的不同，动态的计算形变大小，可靠性高。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0020]图1为本发明多关节机械臂坐标校正方法的工作原理示意图；
[0021]图2为本发明多关节机械臂坐标校正方法的步骤流程图；
[0022]图3为本发明实施例中后面臂架对本节臂架集中作用力影响的示意图；
[0023]图4为本发明实施例中后面臂架对本节臂架弯矩影响的示意图；
[0024]图5为本发明实施例中本节臂架对自身弯矩影响的示意图；
[0025]图6为该节臂架前面臂架对本节臂架转动影响的示意图；
[0026]图7为该节臂架前面臂架对本节臂架平移影响的示意图；
[0027]图8A为本发明多关节机械臂坐标校正装置的工作原理图；
[0028]图SB为本发明多关节机械臂坐标校正装置与其他装置的相配合的工作原理示意图；
[0029]图9为本发明多关节机械臂坐标校正装置实施例的结构框图；
[0030]图10为本发明多关节机械臂坐标校正装置实施例中，每一臂架总形变量计算模块的结构框图。
【具体实施方式】
[0031]需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0032]本发明基于如下原理:
[0033]第一、虽然，多关节机械臂之间相互耦合，关系复杂，但是，就某一节臂而言，不存在关节之间的作用关系，则相对简单。因此，可将多关节机械臂转化为标准的均匀简支梁，其形变的方向垂直于梁，形变的大小属于小形变。基于小形变理论，将复杂的多关节臂架分为若干段简支梁。
[0034]第二、多关节机械臂架相互之间铰接联接，臂架之间存在相互作用，利用等效理论，确定臂架与臂架的相互作用关系为:前面若干节臂架对本节臂架的平移及转动产生的形变、后面若干节臂架对本节臂架的弯曲及集中作用产生的形变、以及，本节臂架自身载荷作用产生的形变。
[0035]第三、采用多关节臂架分段叠加的思路分别求解超长臂架各节臂的形变，之后根据相互作用关系，求取总形变量。
[0036]下面结合图1，对本发明多关节机械臂坐标校正方法的工作原理做进一步地说明。[0037]首先，通过设置于各节臂架的位姿采集装置获得各节臂架根部的角度；
[0038]然后，确定多关节机械臂的基本参数，主要是每节臂架的质量m和长度I ;
[0039]接着，将前述两步获得的结果，即各节臂架根部的角度、质量m和长度I输入到控制器中，控制器根据其中内置的算法，进行刚性机械臂坐标计算，以及坐标的校正计算，给出各节臂架的形变角、形变量及末端臂架的综合形变量，最终确定机械臂末端点的坐标值(X，Y，Z)。
[0040]对于本领域的技术人员而言，位姿采集装置获得各节臂架根部的角度对机械臂末端进行刚性坐标计算是本领域技术人员的所习知的，具体的方法不是本发明重点关注。而基于各节臂架的质量m和长度I进行坐标的校正计算，则是本发明的关键。即，内置于控制器中的算法是本发明所核心。
[0041]下面，结合图2，对本发明多关节机械臂坐标校正方法实施例的步骤流程图。本实施例包括如下步骤:
[0042]初始参数输入步骤S210,接收多关节机械臂的初始参数,初始参数包括各节臂架的长度和质量；
[0043]每一臂架总形变量计算步骤S220，基于初始参数，计算每一臂架之后的臂架对该臂架产生的第一形变量、该臂架自身载荷所产生的第二形变量，以及，该臂架之前的臂架对该臂架所产生的第三形变量；并且，计算每一臂架的总形变量，总形变量为第一形变量、第二形变量与第三形变量之和； [0044]臂架末端形变量计算步骤S230，基于每一臂架的总形变量，确定多关节机械臂末端形变量；
[0045]坐标确定步骤S240，基于各个关节臂根部的当前角度以及关节机械臂末端形变量，确定多关节机械臂的末端点坐标。优选地，各个关节臂根部的当前角度由倾角传感器或编码器测得，所述倾角传感器或编码器设置于每节臂架的根部。
[0046]可以看出，本实施例提出了分段叠加求解超长臂架各节臂形变的方法。分段叠加求解即将多关节臂架分为若干节臂架，每节臂架基于小形变假设求解的方法。
[0047]每一节臂架都受到后面若干节臂架及前面若干节臂架的综合影响，本实施例将臂架的形变分解为前面若干节臂架对本节臂架的平移及转动形变、后面若干节臂架对本节臂架的弯曲及集中作用形变、本节臂架自身载荷作用形变。
[0048]下面，对这三种作用做进一步的说明。
[0049]( I)后面臂架对本节臂架的影响
[0050]参照图3，图3为后面臂架对本节臂架集中作用力影响的示意图。其中，F为本节臂架之后的所有臂架对该臂架所形成的集中作用力，集中作用力F的大小为该臂架之后所有臂架的重力之和，通过每节臂架的质量m即可获得。依据集中作用力F确定该臂架之后的所有臂架产生的第一挠度ωρ，以及由所述挠度产生的转角βρ。具体函数关系为:
【权利要求】
1.一种多关节机械臂坐标校正方法，其特征在于，包括如下步骤: 初始参数输入步骤，接收多关节机械臂的初始参数，所述初始参数包括各节臂架的长度和质量； 每一臂架总形变量计算步骤，基于所述初始参数，计算每一臂架之后的臂架对该臂架产生的第一形变量、该臂架自身载荷所产生的第二形变量，以及，该臂架之前的臂架对该臂架所产生的第三形变量；并且，计算每一臂架的总形变量，所述总形变量为所述第一形变量、所述第二形变量与所述第三形变量之和； 臂架末端形变量计算步骤，基于每一臂架的总形变量，确定多关节机械臂末端形变量; 坐标确定步骤，基于各个关节臂根部的当前角度以及关节机械臂末端形变量，确定多关节机械臂的末端点坐标。
2.根据权利要求1所述的多关节机械臂坐标校正方法，其特征在于， 所述第一形变量通过如下步骤确定: 第一挠度及转角确定步骤，根据各节臂架的质量，确定该臂架之后的所有臂架对该臂架所形成的集中作用力，所述集中作用力为该臂架之后所有臂架的重力之和；并且，依据所述集中作用力确定该臂架之后的所有臂架产生的第一挠度，以及由所述挠度产生的转角；第二挠度及转角确定步骤，根据各节臂架的质量和长度，以及臂架根部的转角，确定该臂架之后的所有臂架对该臂架的弯矩；并且，依据所述弯矩确定该臂架之后的所有臂架产生的第二挠度，以及由所述挠度产生的转角。`
3.根据权利要求1所述的多关节机械臂坐标校正方法，其特征在于， 所述第二形变量通过如下步骤确定: 根据该臂架本身的质量，确定该臂架的重力，并假设载荷均匀分布，基于该臂架的长度，确定由于该臂架自身的载荷所产生的第三挠度，以及由所述第三挠度产生的转角。
4.根据权利要求1所述的多关节机械臂坐标校正方法，其特征在于， 所述第三形变量通过如下步骤确定: 确定该臂架的前一臂架相对于该臂架的转角；依据该转角，确定由该臂架前一臂架的转动所产生的第四挠度； 确定该臂架前一臂架相对于该臂架的平移，确定该平移对该臂架所产生的第五挠度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多关节机械臂坐标校正方法，其特征在于， 所述坐标确定步骤中，各个关节臂根部的当前角度由倾角传感器或编码器测得，所述倾角传感器或编码器设置于每节臂架的根部。
6.一种多关节机械臂坐标校正装置，其特征在于，包括: 初始参数输入模块，用于接收多关节机械臂的初始参数，所述初始参数包括各节臂架的长度和质量； 每一臂架总形变量计算模块，用于基于所述初始参数，计算每一臂架之后的臂架对该臂架产生的第一形变量、该臂架自身载荷所产生的第二形变量，以及，该臂架之前的臂架对该臂架所产生的第三形变量；并且，计算每一臂架的总形变量，所述总形变量为所述第一形变量、所述第二形变量与所述第三形变量之和； 臂架末端形变量计算模块，用于基于每一臂架的总形变量，确定多关节机械臂末端形变量； 坐标确定模块，用于基于各个关节臂根部的当前角度以及关节机械臂末端形变量，确定多关节机械臂的末端点坐标。
7.根据权利要求6所述的多关节机械臂坐标校正装置，其特征在于， 所述每一臂架总形变量计算模块进一步包括: 第一挠度及转角确定单元，用于根据各节臂架的质量，确定该臂架之后的所有臂架对该臂架所形成的集中作用力，所述集中作用力为该臂架之后所有臂架的重力之和；并且，依据所述集中作用力确定该臂架之后的所有臂架产生的第一挠度，以及由所述挠度产生的转角； 第二挠度及转角确定单元，用于根据各节臂架的质量和长度，以及臂架根部的转角，确定该臂架之后的所有臂架对该臂架的弯矩；并且，依据所述弯矩确定该臂架之后的所有臂架产生的第二挠度，以及由所述挠度产生的转角。
8.根据权利要求6所述的多关节机械臂坐标校正装置，其特征在于， 所述每一臂架总形变量计算模块进一步包括: 第三挠度及转角确定单元，用于根据该臂架本身的质量，确定该臂架的重力，并假设载荷均匀分布，基于该臂架的长度，确定由于该臂架自身的载荷所产生的第三挠度，以及由所述第三挠度产生的转角。
9.根 据权利要求6所述的多关节机械臂坐标校正装置，其特征在于， 所述每一臂架总形变量计算模块进一步包括: 第四挠度及转角确定单元，用于确定该臂架的前一臂架相对于该臂架的转角；依据该转角，确定由该臂架前一臂架的转动所产生的第四挠度； 第五挠度及转角确定单元，用于确定该臂架前一臂架相对于该臂架的平移，确定该平移对该臂架所产生的第五挠度。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的多关节机械臂坐标校正装置，其特征在于， 所述坐标确定模块中，各个关节臂根部的当前角度由倾角传感器或编码器测得，所述倾角传感器或编码器设置于每节臂架的根部。
【文档编号】B25J9/06GK103862465SQ201410057866
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年2月20日 优先权日:2014年2月20日
【发明者】唐修俊, 谭凌群, 蒲东亮, 武利冲 申请人:三一汽车制造有限公司