[发明专利]工业机器人的在线校准方法，执行该方法的系统和包括该校准系统的工业机器人

说明书

技术领域

本发明涉及用于工业机器人的在线校准的方法，涉及工业机器人的在线校准的校准系统以及涉及工业机器人。机器人包括固定基座部分和多链节机器人臂。通过铰接接头，链节分别相互连接并且连接至机器人的基座部分。机器人臂的远端可以在三维空间内关于基座部分而移动至下文中涉及方位的期望位置和定向。

背景技术

一般来说，机器人校准是使用软件加强机器人的位置准确性的过程。它的目的在于识别机器人的准确的运动属性，其会在笛卡尔空间中建立在机器人臂远端的末端受动器的接头角度和位置之间的映射。可以有许多导致机器人位置的不准确性的误差源，包括在机器人的生产期间的制作公差、热效应、编码器偏移、臂柔韧性、齿轮传输误差和齿轮传输中的齿隙。

考虑到在许多工业应用中高准确度机器人的重要，在机器人群体中有许多对于这个问题感兴趣的的研究人员是自然的。基于方法解决的误差源，已知方法典型地分类为三个等级：(i)接头等级误差(例如，接头偏移)，(ii)运动模型误差，以及(iii)非几何形状误差(例如接头柔量)。已知方法可以被进一步划分为开环和闭环校准方法。

当开发用于工业应用的校准系统时，考虑多个要求，该要求如果被实现的话则是是有利的。特定地，这个系统必须能够以高准确度提供机器人的实际运动属性，要求低执行时间，致使在大体积工作空间中的机器人准确度，适用在可用工作空间用于校准，对于工厂条件是健壮的，要求最小人工干预来操作，是便携的并且低成本的。前述要求的大部分源于在生产期间也就是在机器人的常规操作期间需要周期性在线校准机器人的的事实。

机器人校准的问题可以分解为4个阶段，即(i)运动建模、(ii)姿势测量、(iii)误差参数识别和(iv)误差补偿。它们中的每个的分析在下文中给出。

认识到为了校准过程而选择的运动模型应当满足三个基本要求，具体地，完整性、连续性和极简性。因为模型中的参数必须足以表征机器人几何结构的任何可能的变形，所以加强第一个要求。由于必须存在几何结构的改变和描述它们的参数的改变之间的类似的事实，考虑第二标准。换句话说，运动模型必须使其通过运动模型的参数中的小的改变，表示几何结构中的小改变。最后，运动模型必须是最小的，因为它不包括冗余参数，而是自身限于描述几何结构所必须的那些参数。

Denavit-Hartenberg(D-H)转换被认为是简化机器人运动属性的建模和在前述考虑的大部分情况中实现的系统的方法。根据D-H变换，机器人臂的每个链接被分配4个参数，即链接长度(a_i)、链接扭转(α_i)、链接偏移(d_i)和接头角度(q_i)。

虽然在机器人群体中广泛使用D-H模型，但是由于机器人链接的几何结构中的小改变可以导致关联D-H参数的值的突变的事实，当两个连贯接头轴平行或几乎平行时，问题出现。Hayati等通过修改D-H模型和使用附加角度参数β来解决这个问题。然而，由于上述的理由，这个方法不适合对两个连贯垂直或几乎垂直接头轴进行建模。因此建议使用D-H参数对机器人的运动属性进行建模，并且包括对于(几乎)平行接头轴的Hayati等参数。

虽然在文献中建议其它运动模型，例如Stone等的S模型，和Zhuang等的弯曲和参数连续(CPC)模型，但是在机器人群体中占主要地位的是D-H和Hayati模型。必须注意的是，校准模型可以不仅仅限制于几何参数，而是可以改为利用弹性因素(例如，接头/链接刚度)来加强。

在姿势测量阶段，机器人移动至典型地满足一些约束(例如，末端受动器必须位于传感器的视野中或以环境中的特定点为目标等)好多个姿势，并且记录接头角度。外部传感器用于给出关于末端受动器的实际方位(位置和定向)的反馈，并且这些方位与基于正向运动(使用记录的接头角度)预测的方位进行比较。观察的误差被记录并且会被使用在下一个阶段(即，误差参数识别)中以找到使误差最小的这些运动参数。

用于选择测量系统的最重要因素包括所要求的人工干预的数量、测量系统的成本、测量系统的执行时间、以及测量系统在工厂环境中的性能。虽然不必须估计末端受动器的完全方位以执行校准，但是提取末端受动器的6D方位(位置和定向)的测量系统使得校准方法使用更少数量的校准方位(因为更多约束应用到每个测量中)。

应当注意的是，所选择的校准方位的集合对于校准方法的质量而言是重要的。方位的不同结合能够改进获得的结果或使其更糟。