[发明专利]串联关节式机器人绝对定位误差校准方法及标定系统

说明书

技术领域

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

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2～3mm，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。

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)。

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。

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：FARO、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。

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

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。

本发明的技术方案如下：

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：

qit=qir+Δqi]]>

其中，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；Δq_i为所述被测关节i的零位误差；在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Δq_i并以校准常数的形式保存在机器人控制系统中。

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；