基于六维虚拟关节模型的工业机器人刚度辨识系统及其辨识方法与流程

本发明涉及工业机器人参数标定技术领域，特别是涉及一种基于六维虚拟关节模型的工业机器人刚度辨识系统及其辨识方法。

背景技术：

工业机器人作为高端制造业发展的焦点，其研发、制造与应用成为衡量一个国家科技创新水平的重要标志。随着机器人技术的快速发展，工业机器人的应用领域也在不断扩展，如航空航天工业的制孔、铆接等，这些应用对工业机器人的精度要求也越来越高。工业机器人的绝对定位误差主要分为几何参数误差和非几何参数误差，其中几何参数误差约占总误差的90％，此类误差可以通过几何参数标定技术进行误差补偿；但工业机器人几何参数标定均是在固定负载下进行，无法适用于变负载下进行，更无法适用于多变的高端制造业。

工业机器人末端刚度反映其满足位姿和承载指令精度的能力，工业机器人的非几何参数误差中由各伺服电机、传动系统的柔顺性以及连杆的材料属性所导致的柔性误差，约占总误差的5-8％。研究表明在几何参数误差补偿的基础上，经过机器人关节刚度标定能够改善机器人对于变负载的精度可靠性。目前针对工业机器人关节刚度误差模型主要有基于关节柔性旋转变形假设的刚度模型和基于关节柔性旋转变形假设的补充刚度模型，以上两种模型中均假设机器人末端执行器承载变形的主要因素是其关节柔性导致的，仅沿关节旋转方向存在顺应变形，而忽略机器人装配变形、连杆变形以及其他维度的刚度参数，当机器人末端负载较大时，仍可能导致较大的定位误差。目前常采用机器人静载荷方法辨识工业机器人刚度，但该辨识系统存在刚度辨识实验实施复杂等问题，尤其是机器人法兰盘末端负载施加姿态较少，测量数据不能充分反映工业机器人的刚度变化，这将导致工业机器人刚度参数辨识精度不高，会直接影响到工业机器人的控制精度和控制性能。

因此，亟待提出一种多维度的工业机器人刚度辨识系统及其辨识方法，以实现工业机器人刚度参数的高精度标定。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供一种基于六维虚拟关节模型的工业机器人刚度辨识系统及其辨识方法，该方法能够实现工业机器人刚度参数的高精度辨识。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

基于六维虚拟关节模型的工业机器人刚度辨识系统，包括末端成型有法兰盘的工业机器人和能多位姿地在工业机器人末端施加负载的负载力加载装置；工业机器人末端法兰盘上固定安装有能检测施加在工业机器人末端负载力大小与方向的六维力测量工具，负载力加载装置由一个长方形或正方形的安装平板和对应安装在该安装平板四角位置处的四个中空立柱组成；每个中空立柱上均呈上下分布设有两个力加载点，每个力加载点均设有由安装在支撑立柱上的力加载方向转换器以及套索和法码组成的力加载机构；套索的一端滚动摩擦地穿过力加载方向转换器与六维力测量工具固定相连接，法码依靠自重张拉连接在套索的另一端；所述的负载力加载装置共安装有八个力加载机构，通过调节八个力加载机构中砝码的质量改变工业机器人末端施加负载的大小和方向；负载力加载装置的一侧设置有用于测量工业机器人法兰盘末端在负载加载前和加载后的空坐标变化的激光跟踪仪。

为优化上述技术方案，采取的技术措施还包括：

上述的六维力测量工具由靶球固定板、靶球、六维力传感器、传感器转接板以及负载力加载工具组成；靶球固定板固定安装在法兰盘上，传感器转接板固定安装在靶球固定板的中心，六维力传感器安装在传感器转接板上，负载力加载工具固定在六维力传感器的板面上；靶球固定在靶球固定板上且位于六维力传感器的外周，八个力加载机构中的八个套索均连接在负载力加载工具上。

上述的负载力加载工具为中空的正六面体结构，该负载力加载工具的六个面中与六维力传感器连接的一面加工有方便螺栓固定安装的螺栓孔，负载力加载工具的其它五个面均为具有四个三角形镂空腔的镂空面，正六面体结构的负载力加载工具具有八个顶角，每个顶角上均焊接有一个连接球，八个套索与八个连接球一一对应相连接。

上述的靶球固定板包括位于中心用于固定传感器转接板的中心板和周向相距120度与中心板一体相连的三个靶球板；中心板上和靶球板上均加工有安装孔；靶球固定板上共安装有三个靶球，每一靶球均经靶球基座固定安装在相应的靶球板上，激光跟踪仪通过测量三个靶球中任意一个靶球的空间坐标计算获得工业机器人末端的位置误差，该激光跟踪仪通过测量三个靶球的空间坐标计算获得工业机器人末端的位姿误差。

上述的中空立柱为具有正方形空腔的正方形中空立柱，安装平板的四个角处均加工有立柱定位缺口，中空立柱固定安装在立柱定位缺口中。

上述的力加载方向转换器由套索引导板、套索滑轮、套索方向偏置凸块、滑轮支撑轴和负载滑轮组成；套索引导板、套索滑轮和套索方向偏置凸块均安装在中空立柱的外侧面，并且套索滑轮和套索方向偏置凸块安装在中空立柱的同一侧面，套索引导板安装在与套索滑轮相垂直的另一侧面，滑轮支撑轴固定架设安装在中空立柱的空腔中，负载滑轮转动套装在滑轮支撑轴上。

上述的套索的一端经过负载滑轮穿过中空立柱上的孔经套索方向偏置凸块作90度转向后，再经套索滑轮穿过套索引导板上的引导孔与负载力加载工具的连接球相连接。

本发明还提供了一种基于六维虚拟关节模型的工业机器人刚度辨识系统的辨识方法，该方法基于伪刚体理论将工业机器人的关节与连杆形变以六维力测量工具近似代替，推导出工业机器人基于六维虚拟关节的刚度误差模型；该方法包括以下步骤：

步骤一、调整工业机器人末端的位姿，在选取特定的位姿下，通过负载力加载装置的力加载机构对工业机器人末端施加不同的负载，利用激光跟踪仪对六维力测量工具上的三个靶球的跟踪，测量工业机器人末端在负载加载前与加载后的空间坐标数据；

步骤二、根据激光跟踪仪的测量数据及六维力传感器反馈的负载力加载数据，辨识出工业机器人六维虚拟关节刚度矩阵；进而计算出形变误差。

上述的步骤一中，激光跟踪仪的测量步骤如下：

a)、在工业机器人若干组关节空间中选取某一位姿，该位姿的选取遵循以下三个规则：

准则1：选取工业机器人位姿点为非奇异点，即雅可比矩阵行列式不为零；

准则2：选取的位姿点能覆盖工作空间同时考虑机器人的典型工作空间；

准则3：选取关节时，通过仿真得出各关节的变形情况，保证小刚度的关节转动了较大的角度；

b)、利用激光跟踪仪测量工业机器人末端法兰盘上的靶球的空间坐标，一个位姿测量点采样10次，取十次采样数据均值作为最终测量数据p1；

c)、通过负载力加载装置的力加载机构对工业机器人末端施加负载，待工业机器人稳定后，利用激光跟踪仪测量施加负载后的工业机器人法兰盘末端靶球的空间坐标，一个位姿测量点采样10次，取十次采样数据均值作为最终测量数据p2；

d)、重复以上a、b、c三个步骤，直至所有选取的位姿均完成步骤b和步骤c中的测量；

上述的步骤二根据激光跟踪仪的测量数据，采用最小二乘法或其他典型智能进化算法，辨识出工业机器人六维虚拟关节刚度矩阵，进而可以计算出当前负载下的工业机器人末端定位误差，并进行补偿。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明能多位姿地在工业机器人末端施加负载，使得测量数据能够充分反映机器人的刚度变化，更有利于实现工业机器人刚度参数辨识；

二、基于六维虚拟关节模型建立工业机器人刚度误差模型，该模型能够完整描述工业机器人的刚度特性，有效提高工业机器人末端定位精度。

附图说明

图1是本发明的工业机器人刚度辨识系统示意图；

图2是本发明的工业机器人示意图；

图3是本发明六维力测量工具的前视图；

图4是图3的左视图；

图5是本发明的靶球固定板示意图；

图6是本发明的负载力加载工具示意图；

图7是本发明的负载力加载装置示意图；

图8是本发明的负载力加载装置中力加载机构的装配示意图；

图9是本发明的中空立柱上两个力加载点的设置示意图；

图10是图9末装套索时的三维结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

其中的附图标记为：连接球q、工业机器人1、六维力测量工具2、靶球固定板21、安装孔21a、中心板211、靶球板212、靶球22、六维力传感器23、传感器转接板24、负载力加载工具25、螺栓孔25a、镂空腔25b、靶球基座26、负载力加载装置3、安装平板31、中空立柱32、空腔32a、力加载方向转换器4、套索引导板41、套索滑轮42、套索方向偏置凸块43、滑轮支撑轴44、负载滑轮45、套索5、法码6、激光跟踪仪7。

图1至图10为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的基于六维虚拟关节模型的工业机器人刚度辨识系统，包括工业机器人1、负载力加载装置3和激光跟踪仪7。工业机器人1的关节末端成型有方便连接安装的法兰盘，工业机器人1末端法兰盘上固定安装有六维力测量工具2。负载力加载装置3用于多位姿地在工业机器人1末端施加负载，使得激光跟踪仪7的测量数据能够充分反映机器人的刚度变化，以便更有利于实现工业机器人刚度参数辨识。负载力加载装置3由一个长方形或正方形的安装平板31和对应安装在该安装平板31四角位置处的四个中空立柱32组成；每个中空立柱32上均设有两个力加载点，两个力加载点在中空立柱32上呈上下分布设置。每个力加载点处均设有一个力加载机构，每个力加载机构均由力加载方向转换器4以及套索5和法码6组成。力加载方向转换器4安装在支撑立柱32上。套索5作为负载施加的传递部件，其一端经力加载方向转换器4导向穿过力加载方向转换器4与六维力测量工具2固定相连接，以将施加的负载力传递给六维力测量工具2，为了减少摩擦，套索5与力加载方向转换器4采用滚动摩擦的接触方式相配合。法码6连接在套索5的另一端，法码6依靠自重张拉套索5实现负载的施加。负载力加载装置3共安装有八个力加载机构，能通过调节八个力加载机构中八个砝码6的质量改变工业机器人1末端施加负载的大小和方向，从而实现负载力加载装置3的多位姿地施加负载。六维力测量工具2能检测负载力加载装置3施加在工业机器人1末端负载力的大小与方向，并将检测的负载数据反馈给激光跟踪仪7。六维力测量工具2上设有方便激光跟踪仪7跟踪测量的靶球22。激光跟踪仪7设置在负载力加载装置3的一侧，激光跟踪仪7能利用对靶球22的空间坐标跟踪测量，实现对工业机器人1法兰盘末端即工业机器人1末端在负载加载前和加载后的空坐标变化进行跟踪测量。激光跟踪仪7根据自身的测量数据和六维力测量工具2反馈的负载数据，通过计算实现对工业机器人刚度参数的辨识。

实施例中，如图3和图4所示，六维力测量工具2由靶球固定板21、上述的靶球22、六维力传感器23、传感器转接板24以及负载力加载工具25组成。靶球固定板21通过螺栓固定安装在法兰盘上，传感器转接板24固定安装在靶球固定板21的中心，六维力传感器23安装在传感器转接板24上，六维力传感器23是能够检测施加在工业机器人1末端的负载力大小与方向的无器件。负载力加载工具25固定在六维力传感器23的板面上，以便能将其承载的负载力传递给六维力传感器23；本发明的靶球22固定在靶球固定板21上且位于六维力传感器23的外周，八个力加载机构中的八个套索均连接在负载力加载工具25上。

实施例中，如图6所示，负载力加载工具25为中空的正六面体结构，该负载力加载工具25的六个面中与六维力传感器23连接的一面加工有方便螺栓固定安装的螺栓孔25a，负载力加载工具25的其它五个面均为具有四个三角形镂空腔25b的镂空面，正六面体结构的负载力加载工具25具有八个顶角，每个顶角上均焊接有一个连接球q，八个套索5与八个连接球q一一对应相连接。

实施例中，如图5所示，靶球固定板21包括位于中心用于固定传感器转接板24的中心板211和周向相距120度与中心板211一体相连的三个靶球板212；中心板211上和靶球板212上均加工有安装孔21a，以方便传感器转接板24和靶球22的安装。本发明的靶球固定板21上共安装有三个靶球22，每一个靶球22均经靶球基座26固定安装在相应的靶球板212上。激光跟踪仪7通过测量三个靶球22中任意一个靶球22的空间坐标计算获得工业机器人1末端的位置误差，该激光跟踪仪7通过测量三个靶球22的空间坐标计算获得工业机器人1末端的位姿误差。本发明的激光跟踪仪7能测量工业机器人末端的位姿和位置误差。末端的六维力传感器能够测量其末端负载力的大小和方向。

实施例中，如图8所示，中空立柱32为具有正方形空腔32a的正方形中空立柱，安装平板31的四个角处均加工有立柱定位缺口，中空立柱32固定安装在立柱定位缺口中。

实施例中，如图9所示，力加载方向转换器4由套索引导板41、套索滑轮42、套索方向偏置凸块43、滑轮支撑轴44和负载滑轮45组成。套索引导板41、套索滑轮42和套索方向偏置凸块43均安装在中空立柱32的外侧面，并且套索滑轮42和套索方向偏置凸块43安装在中空立柱32的同一侧面，套索引导板41安装在与套索滑轮42相垂直的另一侧面。滑轮支撑轴44固定架设安装在中空立柱32的空腔32a中，负载滑轮45转动套装在滑轮支撑轴44上。

套索5的一端经过负载滑轮45穿过中空立柱32上的孔经套索方向偏置凸块43作90度转向后，再经套索滑轮42穿过套索引导板41上的引导孔与负载力加载工具25的连接球q相连接。

本发明还提供了一种基于六维虚拟关节模型的工业机器人刚度辨识系统的辨识方法，该方法基于伪刚体理论将工业机器人1的关节与连杆形变以六维力测量工具2近似代替，推导出工业机器人1基于六维虚拟关节的刚度误差模型；该方法包括以下步骤：

步骤一、调整工业机器人1末端的位姿，在选取特定的位姿下，通过负载力加载装置3的力加载机构，利用不同质量的法码6对工业机器人1末端施加不同的负载，利用激光跟踪仪7对六维力测量工具2上三个靶球22的跟踪，测量工业机器人1末端在负载加载前与加载后的空间坐标数据；

步骤二、根据激光跟踪仪7的测量空间坐标数据及六维力传感器23反馈的负载力加载数据，辨识出工业机器人1六维虚拟关节刚度矩阵；进而计算出形变误差，建立工业机器人刚度误差模型。

上述的步骤一中，激光跟踪仪7的测量步骤如下：

a)、在工业机器人1若干组关节空间中选取某一位姿，该位姿的选取遵循以下三个规则：

准则1：选取工业机器人位姿点为非奇异点，即雅可比矩阵行列式不为零；

准则2：选取的位姿点能覆盖工作空间同时考虑机器人的典型工作空间；

准则3：选取关节时，通过仿真得出各关节的变形情况，保证小刚度的关节转动了较大的角度；

b)、利用激光跟踪仪7测量工业机器人末端法兰盘上的靶球22的空间坐标，一个位姿测量点采样10次，取十次采样数据均值作为最终测量数据p1；

c)、通过负载力加载装置3的力加载机构对工业机器人1末端施加负载，待工业机器人1稳定后，利用激光跟踪仪7测量施加负载后的工业机器人1法兰盘末端靶球22的空间坐标，一个位姿测量点采样10次，取十次采样数据均值作为最终测量数据p2；

d)、重复以上a、b、c三个步骤，直至所有选取的位姿均完成步骤b和步骤c中的测量；

上述的步骤二根据激光跟踪仪7的测量数据，采用最小二乘法或其他典型智能进化算法，辨识出工业机器人六维虚拟关节刚度矩阵，进而可以计算出当前负载下的工业机器人末端定位误差，并进行补偿。

工业机器人1六维虚拟关节刚度模型是机器人笛卡尔刚度矩阵k与关节刚度矩阵kθ和形位θ之间的映射，具体建模步骤如下：

根据传统刚度的概念，机器人刚度矩阵描述的是机器人末端在受到力或力矩作用时抵抗变形的能力。在机器人末端施加力f＝[f1,f2,f3,m1,m2,m3]^t后，机器人末端产生的变形为δx＝[dx,dy,dz,δx,δy,δz]^t，其中f1，f2，f3表示机器人末端x,y,z方向上受到的力，m1，m2，m3表示机器人末端x,y,z方向上的力矩，dx，dy，dz表示机器人末端x,y,z方向上的变形位移，δx,δy,δz表示机器人末端x,y,z方向上的变形偏转。它们之间的关系式可以简写为式(1)：

f＝kδx(1)

式中k为机器人末端笛卡尔刚度矩阵。

机器人关节刚度矩阵描述了机器人各关节在关节力矩作用下抵抗变形的能力，机器人关节刚度满足式(2)，

fθi＝kθiδxθi(2)

式中，fθi表示第i关节受力，表示第i关节刚度，δxθi表示第i关节形变。

根据刚体运动学与六自由度关节型机器人微分运动学特性，将第i关节的局部微分变形转换到末端执行器坐标系{ee}并且在基坐标系{bs}中表示，得到：

由于末端承载，第i关节处将产生局部被动载荷fθi，关系式可表达为：

式中，为力旋量变换矩阵，为运动旋量变换矩阵，其中

联立公式(2)、(3)与(4)可以得到：

综合叠加考虑机器人各关节处六维微分变形，得到：

上式展开可以得到

式中，χ216×1＝[c1(1,:),...,c1(6,:),...,c6(1,:),...,c6(6,:)]^t为待辨识的柔度矩阵元素。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。