串联关节式机器人绝对定位误差校准方法及标定系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种串联关节式机器人绝对定位误差校准方法及标定系统，通过光学定位仪在上位机中建立用于求得修正臂杆参数的被测关节及其相邻关节的轴线模型、输出目标转角的神经网络模型、并进行零位误差校准。由于上述计算结果能够真实反应机器人的实际结构参数，进而对D-H参数进行修正，因此能够采用低成本的光学跟踪定位测试仪器—NDI光学定位仪，从运动学模型、关节传动回差和零位定位三方面，对机器人系统的绝对定位精度进行了分析与误差补偿，既提高了精度，又降低了成本。
【专利说明】串联关节式机器人绝对定位误差校准方法及标定系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种机器人校准方法和设备，具体涉及一种串联关节式机器人绝对定位误差校准方法及标定系统。
【背景技术】
[0002]串联关节式机器人的机械臂一般通过多个旋转关节串联臂杆组合实现各种运动功能，在自动搬运、装配、焊接、喷涂等工业现场中有着广泛的应用。由于串联关节式机器人经常工作在对精确性和安全性要求较高的应用中，这就要求机器人具有很高的绝对定位精度。但重复精度较高、绝对定位精度较低是目前机器人应用中众所周知的事实，一般情况下绝对定位精度仅为2?3_，不能很好满足机器人实际应用需要，因此对机器人绝对定位精度分析的研究具有极为重要的现实意义。
[0003]影响机器人绝对定位精度的绝对定位误差主要包括机器人结构参数误差(制造及装配导致的连杆长度尺寸误差、轴线角度误差)、关节传动误差(传动机构的间隙、回差)和零位误差(零位传感器安装误差)。
[0004]由于存在加工和装配误差，用D-H参数法建立的理想运动学模型不能真实反映机器人的实际运动情况。为了解决这一问题，现有技术中在机器人进行精密加工与装配后，利用测量仪器手工多次测量机器人关节长度、轴线夹角等数据，依此测量数据对机器人D-H参数进行修正。这种手工方法虽然具有简单、易操作、成本低的特点，但是测量、计算过程复杂，自动化程度不高，不可避免地引入人为误差和随机误差，测量数据因受到不确定因素的影响而不唯一、精度低、可信度差。
[0005]目前机器人运动学模型的标定集中在针对机器人的结构参数的理论方法研究上，常借助高精度的测试设备如:FAR0、莱卡等激光跟踪仪。标定过程中，通过单关节轴(沿轴线方向固定)的旋转，采集其关节末端空间平面位置的三个点坐标数据，计算该关节轴在此平面内的轴心坐标及关节旋转半径长度，则该半径值为杆件长度的修正值。
[0006]但是，这些高精度的测试设备价格昂贵，普通研究开发单位无力也无意购买，因此，无法进行相关的具体标定工作。再者上述测试设备数据分析不够全面，仅对机器人杆件参数进行修正，没有对关节轴的轴线夹角进行分析与修正，也没有对关节传动误差(传动机构的间隙、回差)和零位误差(零位传感器安装误差)进行分析与补偿；在测试中多取三个点作为计算杆件长度的修正值，数据的计算方法不够严谨。
【发明内容】
[0007]本发明针对现有技术中存在的问题，提出一种同时从D-H参数的修正、关节传动回差误差校准和零位误差校准三个方面，对机器人系统的绝对定位误差进行分析与补偿，能够更加真实地反映机器人的实际结构参数，有效提高关节传动精度的串联关节式机器人绝对定位误差校准方法；以及使用该方法的标定系统。
[0008]本发明的技术方案如下:[0009]串联关节式机器人绝对定位误差校准方法，包括:
[0010]D-H参数的修正:在与被测关节连接的臂杆上设置标识点，通过光学定位仪在上位机中建立所述被测关节的轴线模型，相邻关节的轴线之间的最短距离则为所述臂杆的杆长参数，相邻关节的轴线之间的夹角则为所述臂杆的角度参数；
[0011]关节传动回差校准:利用所述光学定位仪测量所述被测关节以关节零位为起点以码盘上相等步长逐次做正向和负向转动的实际转角作为样本数据，对神经网络模型进行训练；在训练完成的模型中以所述被测关节相对于所述关节零位的当前位置和期望的旋转方向作为输入量，以电机的目标转角为输出量，控制所述电机；
[0012]零位误差校准:机器人零位误差校正的数学模型为:
[0013]q' = q\ + Aqi
[0014]其中，f丨为所述被测关节i相对于控制零位的名义转角；€为所述被测关节i相对于控制零位的实际转角；Aqi为所述被测关节i的零位误差;在<=0时通过所述光学定位仪将零位传感器的机械零位读入所述上位机的机器人坐标系中与控制零位进行对比，得到所述被测关节i的进而计算出Aqi并以校准常数的形式保存在机器人控制系统中。
[0015]所述关节的轴线模 型的生成方法包括:
[0016]i)单独运动被测关节，带动所述臂杆逐次按照相等角度转动一周，使用光学定位仪测量并记录所述标识点的轨迹，通过所述轨迹拟合所述标识点的圆心；
[0017]ii)沿所述被测关节的轴向调整所述标识点位置并分别拟合圆心，通过所述圆心拟合所述被测关节的轴线。
[0018]所述拟合的方法包括最小二乘法。
[0019]所述步骤i)中角度为10°。
[0020]所述关节传动回差校准还包括，所述样本数据在训练前进行尺度变化，使所有训练数据均落在[0，1]区间内。
[0021]神经网络模型米用Leven berg Marquardt。
[0022]所述被测关节i相对于控制零位的实际转角的获取方法包括:将所述光学定位
仪中机械零位坐标映射到所述机器人坐标系中，得到所述零位传感器在所述机器人坐标系中的机械零位位置，并以此位置作为机器人规划的目标点，结合逆运动学反解计算出各个
关节相对于控制零位的实际转角? β
[0023]一种使用如上述权利要求所述的串联关节式机器人绝对定位误差校准方法的标定系统，其特征在于:它包括相互连接的光学定位仪和上位机，其中所述光学定位仪在所述上位机的控制下不断调整，使得被测量点处于所述光学定位仪最佳测量范围内，并将测得的结构参数输入所述上位机；所述上位机对光学定位仪的位姿进行控制，并使用所述串联关节式机器人绝对定位误差校准方法实现对机器人的D-H参数的修正、关节传动回差校准和零位误差校准。
[0024]所述光学定位仪为NDI光学导航仪。
[0025]本发明的技术效果如下:
[0026]本方法提供了一种串联关节式机器人绝对定位误差校准方法，通过光学定位仪在上位机中建立用于求得修正臂杆参数的被测关节及其相邻关节的轴线模型、输出目标转角的神经网络模型、并进行零位误差校准。由于上述计算结果能够真实反应机器人的实际结构参数，进而对D-H参数进行修正，因此能够采用低成本的光学跟踪定位测试仪器一NDI光学定位仪，从运动学模型、关节传动回差和零位定位三方面，对机器人系统的绝对定位精度进行了分析与误差补偿，既提高了精度，又降低了成本。
[0027]本发明针对结构参数和运动变量误差，采用修正的运动学模型，可更加真实地反映机器人的实际结构参数；对齿轮传动误差和间隙引起的关节传动回差误差进行了实验补偿，可有效地提高关节传动精度；针对零位定位误差，结合机器人逆运动学反解出关节转角进行误差补偿，使得定位基准更加准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明的标定系统使用状态示意图
[0029]图2是本发明的关节标定原理不意图
[0030]图3是本发明的求解关节轴线位置方法示意图
[0031]图4是本发明的关节轴线拟合结果示意图
[0032]图5是本发明的零位误差校准的流程示意图
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明进行说明。
[0034]在以下描述中，一些具体细节为计算机领域的技术人员提供对本发明的整体理解。在实施例中，以示意图或者框图的形式表明实现具体功能的元件，以便突出技术重点，而不会在不必要的细节方面模糊本发明。比如，由于本领域普通技术人员的理解范围中涵盖了关于网络通信、电磁信号指令技术、用户端接口或输入/输出技术等本领域中公开的、常识性的细节，因而在实施例中最大程度上省略了上述技术细节，而不认为这些细节是获得本发明完整技术方案所必须的特征。
[0035]如图1所示，本发明的标定系统包括相互连接的光学定位仪I和上位机2，使用时，在机器人3的各臂杆上设置靶球孔以安装靶球，通过光学定位仪I来标定靶球的相对位置，进而计算出机器人3的结构参数。其中光学定位仪I在上位机2的控制下不断调整，使得被测量点处于光学定位仪最佳测量范围内，并将测得的结构参数输入上位机2 ;上位机2对光学定位仪I的位姿进行控制，并使用本发明的绝对定位误差校准方法修正D-H参数，精确计算机器人3的运动学模型，并对计算机器人的关节传动回差和零位误差进行分析与补偿。本实施例的光学定位仪I优选NDI光学导航仪。
[0036]下面通过一个串联机器人机械臂为例对本发明的绝对定位误差校准方法进行说明。如图2所示，本实施例中的串联关节式机器人为具有六自由度机械臂的机器人，其中机械臂的各个关节参数如下表所示:[0037]
【权利要求】
1.串联关节式机器人绝对定位误差校准方法，包括: D-H参数的修正:在与被测关节连接的臂杆上设置标识点，通过光学定位仪在上位机中建立所述被测关节的轴线模型，相邻关节的轴线之间的最短距离则为所述臂杆的杆长参数，相邻关节的轴线之间的夹角则为所述臂杆的角度参数； 关节传动回差校准:利用所述光学定位仪测量所述被测关节以关节零位为起点以码盘上相等步长逐次做正向和负向转动的实际转角作为样本数据，对神经网络模型进行训练；在训练完成的模型中以所述被测关节相对于所述关节零位的当前位置和期望的旋转方向作为输入量，以电机的目标转角为输出量，控制所述电机； 零位误差校准:机器人零位误差校正的数学模型为:
4=fi +Aff 其中，q:为所述被测关节i相对于控制零位的名义转角；f「为所述被测关节i相对于控制零位的实际转角；Aqi为所述被测关节i的零位误差；在？丨=O时通过所述光学定位仪将零位传感器的机械零位读入所述上位机的机器人坐标系中与控制零位进行对比，得到所述被测关节i的<，进而计算出Aqi并以校准常数的形式保存在机器人控制系统中。
2.如权利要求1所述的串联关节式机器人绝对定位误差校准方法，其特征在于:所述关节的轴线模型的生成方法包括: i)单独运动被测关节，带动所述臂杆逐次按照相等角度转动一周，使用光学定位仪测量并记录所述标识点的 轨迹，通过所述轨迹拟合所述标识点的圆心； ii)沿所述被测关节的轴向调整所述标识点位置并分别拟合圆心，通过所述圆心拟合所述被测关节的轴线。
3.如权利要求2所述的串联关节式机器人绝对定位误差校准方法，其特征在于:所述拟合的方法包括最小二乘法。
4.如权利要求2或3所述的串联关节式机器人绝对定位误差校准方法，其特征在于:所述步骤i)中角度为10°。
5.如权利要求1所述的串联关节式机器人绝对定位误差校准方法，其特征在于:所述关节传动回差校准还包括，所述样本数据在训练前进行尺度变化，使所有训练数据均落在[0,1]区间内。
6.如权利要求1或5所述的串联关节式机器人绝对定位误差校准方法，其特征在于:神经网络模型米用Leven berg Marquardt。
7.如权利要求1所述的串联关节式机器人绝对定位误差校准方法，其特征在于:所述被测关节i相对于控制零位的实际转角 < 的获取方法包括:将所述光学定位仪中机械零位坐标映射到所述机器人坐标系中，得到所述零位传感器在所述机器人坐标系中的机械零位位置，并以此位置作为机器人规划的目标点，结合逆运动学反解计算出各个关节相对于控制零位的实际转角
8.一种使用如权利要求1-7之一所述的串联关节式机器人绝对定位误差校准方法的标定系统，其特征在于:它包括相互连接的光学定位仪和上位机，其中所述光学定位仪在所述上位机的控制下不断调整，使得被测量点处于所述光学定位仪最佳测量范围内，并将测得的结构参数输入所述上位机；所述上位机对光学定位仪的位姿进行控制，并使用所述串联关节式机器人绝对定位误差校准方法实现对机器人的D-H参数的修正、关节传动回差校准和零位误差校准。
9.如权利要求8所述的一种标定系统,其特征在于:所述光学定位仪为NDI光学导航仪。
【文档编号】G06N3/08GK103968761SQ201410231904
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】徐岩 申请人:中科华赫（北京）科技有限责任公司