一种基于位置和距离约束的机器人标定方法

1.本发明属于机器人标定技术领域，具体涉及一种基于位置和距离约束的机器人标定方法。


背景技术：

2.协作机器人是一种可以与人近距离协同作业的新型工业机器人。与传统工业机器人相比，协作机器人具有自重轻、柔顺性好、安全性高、可拖动示教、易于部署实施以及支持人机协作等优点，既能满足制造业日益增长的小批量、多品种生产需求，又能应用于社会服务领域，实现安全友好的人机交互，具有极为广阔的发展前景。
3.然而，由于协作机器人在零部件加工、装配时，存在一定的误差，使得其绝对定位精度较差。因此，为提高协作机器人的绝对定位精度，常常需对机器人进行标定。
4.对于机器人标定，国内外学者开展了富有成效的研究工作，建立了由误差建模、位姿测量、参数辨识和误差补偿四个主要步骤组成的机器人运动学标定方法，有效提高了工业机器人的绝对定位精度。然而，已有的机器人运动学标定方法大多需要依赖激光跟踪仪、臂式三坐标测量仪、拉线式测量系统等外部精密测量设备进行机器人位置或位姿测量，而这些大范围精密测量设备存在价格较为昂贵、使用和维护成本高、便捷性差、现场部署实施难等问题，难以满足协作机器人经常性的现场标定需求。
5.针对上述问题，近年来，众多研究学者开始探求低成本、便携的自标定装置。cn107042528a公开的工业机器人标定装置，将固定在机器人末端的三个探测球杆接触固定于桌面的目标球体，读取三个位移传感器的读数，两次触碰同一或不同球体，利用名义距离与实际值的偏差对机器人进行标定。然而，上述装置的位移传感器在接触球体时，受力方向与位移传感器测量方向不重合，容易造成探测球杆的受力变形，进而会影响装置后续的标定精度。
6.如何提供一种成本低廉、便携性好、不易损坏的协作机器人标定方案，是一个急需解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的在于提供一种成本低廉、便携性好、不易损坏的基于位置和距离约束的机器人标定方法，从而克服现有技术的不足。
8.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种基于位置和距离约束的机器人标定方法，所述方法基于一机器人标定装置实现，所述机器人标定装置包括末端标定装置和几何约束装置，所述末端标定装置包括连接座和安装于连接座一端的标定球，所述几何约束装置包括约束支撑座和设置于所述约束支撑座上的多个球座，所述方法包括：
9.s1，建立模型，所述模型包括机器人的运动学模型、基于位置约束的第一运动学误差模型和基于距离约束的第二运动学误差模型；
10.s2，测量安装，包括测量所述末端标定装置上的所述标定球和所述连接座之间的
第一相对位姿，以及所述几何约束装置上各球座之间的第二相对位姿，测量后将所述末端标定装置安装至所述机器人的末端，将所述几何约束装置安装至机器人的工作空间内；
11.s3，数据采集，包括多次改变所述几何约束装置在机器人的所述工作空间中的位置，在每个位置都拖动机器人，使末端标定装置的标定球约束于几何约束装置上的各个球座，且每个球座以不同的构型触碰若干次，读取并记录每次测量操作稳定后的关节角数据；
12.s4，参数辨识，包括对所述关节角数据按照不同的几何约束装置位姿分成若干组，再按照不同的球座位置分为若干小组，将同一小组的数据两两配对代入所述第一运动学误差模型中，将同一组但不同小组的数据两两配对代入所述第二运动学误差模型中，之后混合两误差模型数据，辨识相应的机器人的运动学模型参数；
13.s5，误差补偿，包括将辨识得到的所述运动学模型参数误差补偿到机器人的控制器中。
14.在一优选实施例中，所述s1中，通过全局指数积公式建立机器人末端位姿与关节角、关节旋量和初始位姿之间的对应关系，构建所述运动学模型；通过伴随变换矩阵建立了位置约束误差与关节旋量误差、初始位姿误差之间的对应关系，构建所述第一运动学误差模型；通过伴随变换矩阵建立了距离约束误差与关节旋量误差、初始位姿误差之间的对应关系，构建所述第二运动学误差模型。
15.在一优选实施例中，所述全局指数积公式表示如下：
[0016][0017]
其中，t
0，n 1
表示机器人末端位姿在基坐标系下的坐标，si(i＝1，2，...，n)表示机器人的关节旋量在基坐标系下的坐标，qi(i＝1，2，...，n)表示机器人各关节的旋转角，即关节角，t
0，n 1
(0)表示机器人末端相对于基坐标系的初始位姿。
[0018]
在一优选实施例中，所述第一运动学误差模型表示如下：
[0019]ypc
＝a
pc
x；
[0020]
其中，表示两种不同构型下的末端位置误差，x表示待辨识的模型参数误差，a
pc
表示末端位置误差与模型参数误差之间的位置约束关系矩阵，所述a
pc
表示为：
[0021][0022]
其中，p为名义末端位置坐标，i3表示3
×
3的单位矩阵，ad(
·
)表示一齐次变换矩阵所对应的伴随变换矩阵，aj(j＝1，2)表示为：
[0023][0024]
在一优选实施例中，所述第二运动学误差模型表示如下：
[0025]ydc
＝a
dc
x，；
[0026]
其中，表示两种不同构型下的名义末端距离与实际值之间的偏差，x表示待辨识的模型参数误差，a
dc
表示末端距离误差与模型参数误差之间的距离约束关系矩阵，所述a
dc
表示为：
[0027][0028]
在一优选实施例中，由所述第一运动学误差模型和第二运动学误差模型混合形成混合误差模型，所述混合误差模型表示为：
[0029]
y＝ax；
[0030][0031][0032]
其中，y为m1个末端位置误差与m2个末端距离误差组合而成的向量，a表示由m1个位置约束关系矩阵和m2个距离约束关系矩阵所组成的组合关系矩阵，m1和m2为大于等于1的整数。
[0033]
在一优选实施例中，所述s4中，采用最小二乘法迭代对所述运动学模型参数误差进行辨识，所述最小二乘法公式表示为：
[0034]
x＝(a
t
a)-1at
y。
[0035]
在一优选实施例中，所述s5中，采用直接补偿或间接补偿的方式将辨识得到的所述运动学模型参数误差补偿到机器人的控制器中。
[0036]
在一优选实施例中，所述直接补偿方式包括直接修改所述控制器中的运动学模型参数。
[0037]
在一优选实施例中，所述间接补偿方式包括通过辨识得到的所述运动学模型参数修正目标位姿，将修正后的所述目标位姿输入原控制器中，对原运动学模型进行误差补偿。
[0038]
与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：
[0039]
本发明对于机器人的位置约束，通过将末端的标定球以两个不同的机器人构型拖至同一球座，利用两次计算得到的末端位置误差对机器人进行标定；对于距离约束，则将末端的标定球拖至两个不同的球座，利用两次计算得到的末端距离与实际距离之间的偏差对机器人进行标定。相比传统的外部标定装置，本发明具有成本低廉、便携性好的特点；相比现有的大多数自标定装置，本发明不含额外的传感器，具有操作简便、不易损坏等优点。
附图说明
[0040]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0041]
图1是本发明实施例装置的结构示意图；
[0042]
图2是本发明一实施方式中方法的流程示意图；
[0043]
图3是本发明末端标定装置的结构示意图；
[0044]
图4是本发明几何约束装置的结构示意图；
[0045]
图5是标定球定位于球座上的示意图；
[0046]
图6是标定球在不同的机器人构型下定位于球座上的示意图；
[0047]
图7是标定球定位于不同球座上的示意图。
[0048]
附图标记：
[0049]
1、机器人，2、连接座，3、标定球，4、球座，5、约束支撑座。
具体实施方式
[0050]
通过连同附图一起阅读以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。
[0051]
本发明所揭示的一种基于位置和距离约束的机器人标定方法，基于一机器人标定装置实现，针对现有的标定装置存在的价格昂贵、便携性差、容易损坏等问题，利用协作机器人可进行拖动示教的特性，为协作机器人的标定提供了一种成本低廉、便携性好、不易损坏的标定装置。对于一般的工业机器人，如可实现拖动示教的功能，则本发明可同样适用。
[0052]
如图1所示，上述机器人标定装置包括末端标定装置和几何约束装置，其中，结合图3所示，末端标定装置安装于机器人1末端，其具体包括连接座2和安装于连接座2一端的标定球3；结合图4所示，几何约束装置安装于机器人1的工作空间内，其主要包括约束支撑座5和设置于约束支撑座5上的多个球座4。标定时，将末端标定装置安装于机器人1末端，具体是将连接座2安装于机器人1末端；几何约束装置安装于机器人1的工作空间内。拖动机器人1，使末端标定装置上的标定球3通过磁石(图未示)吸附于几何约束装置上的球座4中。对于位置约束，将末端的标定球3以两个不同的机器人构型拖至同一球座4，利用两次计算得到的末端位置误差对机器人1进行标定；对于距离约束，则将末端的标定球3拖至两个不同的球座4，利用两次计算得到的末端距离与实际距离之间的误差对机器人1进行标定。
[0053]
如图2所示，本发明所揭示的一种基于位置和距离约束的机器人标定方法，具体包括以下步骤：
[0054]
s1，建立模型，所述模型包括机器人的运动学模型、基于位置约束的第一运动学误差模型和基于距离约束的第二运动学误差模型。
[0055]
具体地，本发明分别基于位置和距离约束对机器人进行标定。在本实施例中，采用全局指数积公式建立机器人的运动学模型，具体是通过建立机器人末端位姿与关节角、关节旋量和初始位姿之间的对应关系，构建所述运动学模型。其中，全局指数积公式表示如下：
[0056][0057]
其中，t
0，n 1
表示机器人末端位姿在基坐标系下的坐标，si(i＝1，2，...，n)表示机器人的关节旋量在基坐标系下的坐标，qi(i＝1，2，...，n)表示机器人各关节的旋转角，即关节角，t
0，n 1
(0)表示机器人末端相对于基坐标系的初始位姿。这里的基坐标确定过程主要包括：机器人的安装位置相对于几何约束装置的位置是可以实现预知(如可以通过三维扫描仪、激光跟踪仪、三坐标测量仪等测量方式确定)。实际基坐标的位置可以利用本发明的标定装置再由本发明的标定方法标定完之后对机器人的基坐标系再做一次标定。
[0058]
在上述机器人运动学模型中，qi(i＝1，2，...，n)可通过机器人的编码器直接进行
读数，而si(i＝1，2，...，n)和t
0，n 1
则需要进行参数辨识。si(i＝1，2，...，n)和t
0，n 1
(0)均可表示为6个待辨识的参数变量，则共有6(n 1)个待辨识的参数。将这些参数所对应的误差t1，t2，...，tn，t0表示成一个待辨识的向量通过一定的公式推导，可建立两种不同构型下的末端位置误差与运动学模型参数误差之间的关系式，即第一运动学误差模型表示如下：
[0059]ypc
＝a
pc
x，；
[0060]
其中，表示两种不同构型下的末端位置误差，x表示待辨识的模型参数误差，a
pc
表示末端位置误差与模型参数误差之间的位置约束关系矩阵，所述a
pc
表示为：
[0061][0062]
其中，p为名义末端位置坐标，i3表示3
×
3的单位矩阵，ad(
·
)表示一齐次变换矩阵所对应的伴随变换矩阵，aj(j＝1，2)表示为：
[0063][0064]
在本实施例中，同样，也可建立基于距离的机器人运动学误差模型，即第二运动学误差模型表示如下：
[0065]ydc
＝a
dc
x，；
[0066]
其中，表示两种不同构型下的名义末端距离与实际值之间的偏差，x同样表示待辨识的模型参数误差，a
dc
表示末端距离误差与模型参数误差之间的距离约束关系矩阵，所述a
dc
表示为：
[0067][0068]
进一步地，由上述第一运动学误差模型和第二运动学误差模型混合形成混合误差模型，混合误差模型具体综合m1个两两配对的位置约束的样本和m2个两两配对的距离约束的样本，所述混合误差模型具体表示为：
[0069]
y＝ax；
[0070][0071][0072]
其中，y为m1个末端位置误差与m2个末端距离误差组合而成的向量，a表示由m1个位置约束关系矩阵和m2个距离约束关系矩阵所组成的组合关系矩阵，m1和m2为大于等于1的整数。
[0073]
s2，测量安装，包括测量所述末端标定装置上的所述标定球和所述连接座之间的第一相对位姿，以及所述几何约束装置上各球座之间的第二相对位姿，测量后将所述末端标定装置安装至所述机器人的末端，将所述几何约束装置安装至机器人的工作空间内。
[0074]
实施时，可采用三维扫描仪等设备测量第一相对位姿和第二相对位姿，这里的第一相对位姿和第二相对位姿用于作为后续参数辨识的参考数据。
[0075]
s3，数据采集，包括多次改变所述几何约束装置在机器人的所述工作空间中的位置，在每个位置都拖动机器人，使末端标定装置的标定球约束于几何约束装置上的各个球座，且每个球座以不同的构型触碰若干次，读取并记录每次测量操作稳定后的关节角数据。
[0076]
具体地，其中，结合图5和图6所示，基于位置约束数据采集的过程具体为：将末端标定装置的一个标定球移至几何约束装置上的任意一个球座，随后再以不同的机器人构型移至同一球座，读取并记录每次操作稳定后的关节角读数，如此便采集到了一组位置约束标定数据。为减小测量误差和非几何误差的影响，可以多次改变几何约束装置在机器人工作空间内的位姿，进行多组数据的采集。
[0077]
结合图5～图7所示，基于距离约束数据采集的过程具体为：将末端标定装置的一个标定球移至几何约束装置上的一个球座，随后再以不同的机器人构型移至不同球座，读取并记录每次操作稳定后的关节角读数，如此便采集到了一组距离约束标定数据。同样，为减小测量误差和非几何误差的影响，可以多次改变几何约束装置在机器人工作空间内的位姿，进行多组数据的采集。
[0078]
在实际的数据采集过程中，位置约束和距离约束标定数据可以同时进行测量，其仅在后续的辨识计算过程中对数据的处理有少许的不同而异。如通过多次改变所述几何约束装置在机器人的所述工作空间中的位置，在每个位置都拖动机器人，使末端标定装置的标定球约束于几何约束装置上的各个球座，且每个球座以不同的构型触碰若干次，读取并记录每次测量操作稳定后的关节角数据。之后对所有关节角数据按照不同的几何约束装置位姿分成若干组，再按照不同的球座位置分为若干小组，其中，同一小组的数据两两配对的数据即为多组位置约束标定数据，同一组但不同小组的数据两两配对的数据则为多组距离约束标定数据。
[0079]
s4，参数辨识，包括对所述关节角数据按照不同的几何约束装置位姿分成若干组，再按照不同的球座位置分为若干小组，将同一小组的数据两两配对代入所述第一运动学误差模型中，将同一组但不同小组的数据两两配对代入所述第二运动学误差模型中，之后混合两误差模型数据，辨识相应的机器人的运动学模型参数。
[0080]
具体地，本实施例中，使用最小二乘法迭代对运动学模型参数误差进行辨识。对于最小二乘法，其公式可以表示为：
[0081]
x＝(a
t
a)-1at
y。
[0082]
利用每步计算得到的模型参数误差对运动学模型参数进行修正，再利用修正后的参数代入第一运动学误差模型和第二运动学误差模型中再次进行计算，如此反复，直至运动学模型参数不再变化，停止迭代。此时的运动学模型参数即可看作为实际的模型参数。
[0083]
s5，误差补偿，包括将辨识得到的所述运动学模型参数误差补偿到机器人的控制器中。
[0084]
具体地，将辨识得到的运动学模型参数误差补偿到控制器中，一般有两种补偿的方式：直接补偿和间接补偿。直接补偿是直接修改控制器中的运动学模型参数，而间接补偿，则是通过标定后的运动学模型参数修正目标位姿，将修正后的目标位姿输入原控制器中，以实现对原运动学模型的误差补偿。
[0085]
相比传统的外部机器人标定方案，本发明具有成本低廉、便携性好的特点；且相比现有的大多数自标定装置，本发明不含额外的传感器，具有操作简便、不易损坏等优点。
[0086]
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
[0087]
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。