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      一種基于十字型桿件的工業(yè)機器人簡易標定方法

      文檔序號:9878195閱讀:686來源:國知局
      一種基于十字型桿件的工業(yè)機器人簡易標定方法
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001] 本發(fā)明提出一種基于十字型桿件的工業(yè)機器人簡易標定方法,屬于工業(yè)機器人標 定技術(shù)。
      【背景技術(shù)】
      [0002] 眾所周知,工業(yè)機器人的重復定位精度很高,但是絕對定位精度一般比較差。影響 絕對定位精度的因素有很多,如裝配因素,負載因素,環(huán)境因素,W及磨損和變形等。研究表 明,機器人80%的誤差是由結(jié)構(gòu)參數(shù)的誤差造成,所W對機器人結(jié)構(gòu)殘數(shù)進行精確的標定 可W顯著的提高其定位精度。機器人的標定往往涉及到運動學建模,位姿測量,參數(shù)辨識, 誤差補償四個過程。葉聲華等提出了一種基于激光跟蹤儀的標定技術(shù),通過控制機器人單 軸的轉(zhuǎn)動,使用激光跟蹤儀測量末端運動過程中所產(chǎn)生的圓弧軌跡,然后通過相對簡單的 計算就可W確定出機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)。該方法實施簡單,算法也相對簡單,但是測量儀器比 較昂貴。Tang和Moring等人利用一個平板,通過在平板上選取一系列點,因為觀測點分布 于同一個平面,建立起方程組,完成了機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)的識別,極大的提高了末端的運動精 度。劉永東等采用激光干涉儀搭建了一套位姿測量系統(tǒng),該系統(tǒng)采用H站法或四站法,通 過測量多個點,基于向量運算和距離公式,建立方程組,然后通過最小二乘法解得觀測點位 置。該系統(tǒng)的缺點在于觀測站之間的布局比較復雜。
      [0003] 通常機器人位姿測量可W分為靜態(tài)精度測量和動態(tài)精度測量。靜態(tài)精度測量常用 的測量工具有球桿儀,經(jīng)締儀,H坐標測量機,關(guān)節(jié)臂式測量機器人等。靜態(tài)精度測量的優(yōu) 點是通常測量儀器相對比較經(jīng)濟,但是缺點是測量精度比較差,測量的結(jié)果依賴于觀測者 的觀測經(jīng)驗,而且整個測量過程往往是接觸式測量,機器人末端容易對測量儀器造成損傷。 動態(tài)精度測量常用的測量儀器有激光干涉儀,激光跟蹤儀,CCD交互測量系統(tǒng),W及慣性測 量系統(tǒng)等。其中,基于激光干涉儀的測量系統(tǒng)可分為一站法,多站法和H角測量法。一站法 和H角測量法的測量精度有限,而多站法的實施過程中,多個激光干涉儀的空間布局比較 復雜?;诩す飧檭x的測量系統(tǒng)功能最為強大,可W直接根據(jù)測量點集進行軌跡擬合,進 而進行機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)標定,但是缺點是測量過程中,機器人本體容易遮擋住激光線,從而 造成一些目標點的數(shù)據(jù)丟失。CCD交互測量系統(tǒng)通常應用于機器人自標定技術(shù)中,通過機器 人末端攜帶的攝像機進行拍照,通過分析景深等因素來確定與工件的距離,通常有基于單 目視覺或雙目視覺進行手眼標定。一般情況下,CCD交互測量系統(tǒng)的精度較差。雖然動態(tài) 測量系統(tǒng)有很多優(yōu)點,但是往往動態(tài)測量系統(tǒng)比較昂貴,會給機器人使用者帶來較大的經(jīng) 濟壓力。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0004] 針對目前機器人標定過程中位姿測量系統(tǒng)的現(xiàn)狀,本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提 供一種基于十字型桿件的工業(yè)機器人簡易標定方法,在滿足一定精度的條件下,是一種操 作簡便,實用性強,而且經(jīng)濟性好的標定方法。
      [0005] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是;一種基于十字型桿件的工業(yè)機器人 簡易標定方法,包括W下步驟:
      [0006] 根據(jù)DH方法建立運動學模型和誤差模型;
      [0007] 采用十字型剛體桿件作為測量儀器,驅(qū)動機器人末端到達十字桿件的四個端點 ABCD,記錄示教器讀數(shù);
      [0008] 按照ABCD所服從的幾何約束列出方程組,代入測量數(shù)據(jù)建立Ax = b形式的方程 組;
      [0009] 分析系數(shù)矩陣A的形式,選取出能夠辨識的結(jié)構(gòu)參數(shù);
      [0010] 分兩個階段進行參數(shù)辨識;第一階段求A 0和A a,第二階段求Ad和Aa ;
      [0011] 根據(jù)系數(shù)矩陣A的條件數(shù),選取最優(yōu)測量數(shù)據(jù)后按照最小二乘法求解方程組;
      [0012] 將解得的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差代入到運動學模型中,對運動學模型進行修正,實現(xiàn)末端 位姿的誤差補償。
      [0013] 所述采用十字型剛體桿件作為測量儀器,驅(qū)動機器人末端到達十字桿件的四個端 點ABCD,記錄示教器讀數(shù),具體為:
      [0014] 在機器人末端加裝一個長度為1的探針,用于在測量中插入到十字桿件的標準孔 中;
      [0015] 將十字桿件放置在機器人工作空間范圍內(nèi),驅(qū)動機器人達到桿件的ABCD四點,使 末端加裝的探針探頭密切貼合ABCD四個凹槽;
      [0016] 記錄探頭處于ABCD四個點時示教器上的讀數(shù);
      [0017] 調(diào)整十字桿件的位姿,重復上述操作。
      [0018] 所述按照ABCD所服從的幾何約束列出方程組,代入測量數(shù)據(jù)建立Ax = b形式的 方程組,具體為:
      [0019] 根據(jù)運動學模型W及誤差模型,建立起理論位置到實際位置之間的聯(lián)系:
      [0020] Pf=PWAx
      [0021] 其中,Pf為實際位置,P為理論位置,J為雅可比矩陣,Ax為結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差;
      [0022] 根據(jù)所使用的十字型桿件所服從的幾何原理/^ = MC| = |i?Z)|,!^*玄5 = 0,聯(lián)系上式 得
      [0024] f是機器人的理論位置讀數(shù),J是處于該位置時的雅可比矩陣,可由關(guān)節(jié)讀數(shù)0計 算出,L是已知的剛體桿件長度;從而該方程組最終可W化為Ax = b的形式。
      [0025] 所述分析系數(shù)矩陣A的形式,選取出能夠辨識的結(jié)構(gòu)參數(shù),具體為:
      [0026] 將A中全部為0的列對應的結(jié)構(gòu)參數(shù)變量去掉;
      [0027] 對于線性相關(guān)的列對應的變量,每次辨識只選擇其中一個;
      [002引通過多次辨識,將線性相關(guān)的列對應的結(jié)構(gòu)參數(shù)全部辨識出來。
      [002引戶備分兩個階段于參數(shù)辨識;第一階段求么白和么a,第二階段求Ad和么日,具體為:
      [0030] 求解方程組時,先只求A 0和A a,此時方程組中d和a的值都取為名義值;
      [0031] 將解得的A 0和A a代入方程組,將Ad和Aa作為未知量,重新求解方程組;
      [0032] 上述兩個過程均采用迭代的方式求解,即每辨識出一組參數(shù),就修正運動學模型, 重新計算A P,直到A P滿足一定的精度時迭代停止。
      [0033] 所述根據(jù)系數(shù)矩陣A的條件數(shù),選取最優(yōu)測量數(shù)據(jù),具體為:
      [0034] 在使用測量數(shù)據(jù)時,每加入一組測量數(shù)據(jù)到A中,計算A的條件數(shù),增長過大就舍 棄該測量數(shù)據(jù),從而可W過濾掉一些兀余測量數(shù)據(jù);
      [0035] 按照最小二乘法求解方程組,即;A X = (ATa) IaV
      [0036] 本發(fā)明具有W下優(yōu)點及有益效果:
      [0037] (1)經(jīng)濟性好。本發(fā)明相對激光測量系統(tǒng)W及CCD交互系統(tǒng),可W說幾乎沒有什么 經(jīng)濟成本,不會給使用者帶來很大的經(jīng)濟壓力。
      [0038] (2)實用性強。本發(fā)明整體標定流程簡單,不需要一些特殊的測量技巧,普通操作 者即可完成測量數(shù)據(jù)的收集。參數(shù)辨識過程也相對比較簡單。
      [0039] (3)通用性高。本發(fā)明所采用的標定方法,不僅可W使用于6R型機器人,也可W使 用于含有滑動關(guān)節(jié)的機器人。
      [0040] (4)適用范圍廣。本發(fā)明對標定環(huán)境沒有特殊的要求,不用移動機器人本體,不需 要對機器人坐標系和測量坐標系進行相互轉(zhuǎn)換(該過程往往非常麻煩,而且很容易引入新 的誤差),可W廣泛的應用于實際生產(chǎn)車間中。
      【附圖說明】
      [0041] 圖1是機器人本體坐標和構(gòu)型圖;
      [0042] 圖2是加裝在機器人末端的長度為1的探針;
      [0043] 圖3是測量過程中使用的十字形剛體桿件,其中,L = IacI = I抓I ,AC丄抓;
      [0044] 圖4是運動學模型修正前根據(jù)示教器讀數(shù)計算出的桿件長度;
      [0045] 圖5是運動學模型修正后根據(jù)示教器讀數(shù)計算出的桿件長度;
      [0046] 圖6是整體算法流程。
      【具體實施方式】
      [0047] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
      [0048] 本發(fā)明提出了一套無需專口的測量設(shè)備的標定技術(shù),所需的輔助測量設(shè)備只是一 個已知長度為1的探針(圖2)和一個已知桿長為L的十字型剛體桿件(圖3),其中AC和 BD相互垂直,ABCD四點是半圓形的凹槽,凹槽的半徑和探針頭部的球體相等,從而可W保 證探針可W緊密貼合凹槽,W減少測量帶來的誤差。整體的標定過程仍舊可分為四個階段: 運動學建模,位姿測量,參數(shù)辨識,誤差補償。其中:
      [0049] 運動學建模階段主要是根據(jù)機器人本體參數(shù),按照DH方法建立運動學模型和誤差模型。
      [0050] 位姿測量階段是先給機器人末端加裝上長度為1的探針,將十字型桿件置于機器 人工作空間內(nèi),然后驅(qū)動機器人,使得探針到達十字型桿件的ABCD四點,分別記錄下此時 示教器上的關(guān)節(jié)讀數(shù)和理論位姿,形成一組測量數(shù)據(jù)。然后變換十字型桿件的位姿,重新進 行測量,重復N次,共可得到N組測量數(shù)據(jù)。
      [0051] 參數(shù)辨識階段是根據(jù)運動學模型和誤差模型,按照每組測量數(shù)據(jù)中,ABCD四點之 間所服從的幾何關(guān)系,建立方程組,求解結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差。在該階段,需要特別處理的是最優(yōu) 測量數(shù)據(jù)的選取W及結(jié)構(gòu)參數(shù)變量的選取和分類求解。
      [0052] 誤差補償階段是根據(jù)辨識出的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差對運動學模型進行修正,從而實現(xiàn)靜 態(tài)誤差補償,完成機器人標定工作。
      [0053] 按照圖6的算法流程,整體的標定過程具體有W下技術(shù):
      [0054] 所述的運動學建模技術(shù)是指根據(jù)機器人本體參數(shù),按照DH方法(J. Denavit and 民.S. Hartenberg, 1955, "A kinematic notation for lower-pair mechanisms based on matrices/'Trans ASME J.Appl.Mech,23:215 "22。建立運動學模型。根據(jù)誤差理論,DH 方法建立起的運動學模型含有的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差為[A 0 1,A山A曰1,A a 1],i = 1. . . PTbDt, 其中N"b°t機器人的關(guān)節(jié)數(shù)。本發(fā)明中所有數(shù)據(jù)都是針對NmbDt= 6,各關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)類型 的機器人為例,機器人構(gòu)型和結(jié)構(gòu)參數(shù)值如圖1和表1。
      [00巧]表1
      [0057] 所述的位姿測量技術(shù)是指在機器人末端加裝一個長度為1的探針,用于在測量中 插入到十字桿件的標準孔中。將十字桿件放置在機器人工作空間范圍內(nèi),驅(qū)動機器人達到 桿件的ABCD四點,要注意使末端加裝的探針探頭密切貼合ABCD四個凹槽,W減少測量誤 差。然后分別記錄下示教器上的讀數(shù),[01A,01B,0
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