[发明专利]一种基于关节角代偿的机器人末端多目标位姿逼近方法

说明书

本发明公开了一种基于关节角代偿的机器人末端多目标位姿逼近方法，包括：当根据机器人几何参数的名义值确定各组关节角的目标值，并且控制机器人各关节运动到各组关节角的目标值之后，依据采集到的机器人末端位置和姿态数据测量值，对机器人几何参数误差进行辨识，将辨识出的机器人几何参数误差转换成机器人各关节角的校正值，结合转换获得的关节角的校正值计算得到用以控制机器人执行多目标位姿逼近动作的关节角的代偿值。本发明能够用关节角的代偿值代替补偿几何参数误差控制机器人运动，解决了机器人控制系统是封闭或半封闭的，用户无法将辨识得到的几何参数误差进行直接补偿的问题，有效提高机器人末端绝对位置和姿态精度和效率。

技术领域

本发明涉及精密计量与计算机应用技术领域，具体而言涉及一种基于关节角代偿的机器人末端多目标位姿逼近方法。

背景技术

机器人因操作速度快、工作效率高、模块化结构设计、控制系统灵活、重复性高等优点，在现代生活中发挥着越来越重要的作用。当今，机器人在柔性制造、辅助测量、医疗手术、航空航天等高端制造领域中用于实现多目标位姿逼近的场合越来越多，要求机器人末端执行器不仅有很高的位置精度，而且对其姿态精度也提出了高要求，以实现机器人末端对多目标位姿的高精度逼近。机器人在高端制造领域的应用也受到了国内外研究机构的重点关注。“智能机器人”重点专项指出工业机器人应用于高端制造领域时，其绝对定位精度应优于0.05mm，姿态角应优于0.1°。目前工业机器人重复定位精度虽能达到0.01mm～0.1mm，但其绝对位置精度仍仅为毫米级，姿态精度更低，导致机器人应用于多目标位姿逼近时精度低。影响机器人末端绝对位姿精度的因素有几何因素和非几何因素，几何因素包括连杆长度、轴线平行度、连杆偏置、制造误差、装配误差等，而非几何因素包括负载变形、温度、齿轮间隙和动力学参数误差等。其中几何因素对末端误差的影响占总误差的80％以上，由关节及连杆柔性引起的非几何参数误差约占总误差的5％-8％。为此很多学者致力于研究如何辨识机器人几何参数误差，通过补偿几何参数误差来提高机器人末端绝对定位精度。专利号201710998118.1，专利名称为一种基于位置矢量法的工业机器人几何参数标定方法提出了基于方向矢量和连接矢量表示连杆长度、连杆偏距及连杆扭角之间关系构建了机器人位置矢量模型，建立了基于该模型的工业机器人几何参数标定误差优化目标函数，基于改进遗传算法求解基于位置矢量法的方向矢量和连接矢量最优解，实现对工业机器人几何参数标定来提高机器人绝对位置精度。但是，因目前大部分机器人控制系统是封闭或半封闭的，因此用户难以将辨识出的连杆长度、连杆偏距、连杆扭角等几何参数误差进行直接补偿。因此，尽管目前通过研究机器人几何参数误差标定方法提高机器人绝对位置和姿态精度的方法有不少，但多是根据实测机器人末端位置和姿态数据对机器人几何参数误差进行辨识，再将辨识得到的几何参数误差补偿到名义几何参数中通过仿真计算来比较验证精度提升效果的，实际操作时难以将辨识得到的几何参数误差直接补偿到机器人中，导致现有机器人在用于多目标定位时存在其末端位姿逼近精度低的缺陷。

综合上述分析，当前对相关领域研究工作存在的不足主要是：(1)现有方法在对机器人标定时，是通过建立机器人末端位置或位姿误差与机器人几何参数误差之间关系的目标函数，通过采用相关辨识方法获得使目标函数为最小的几何参数误差，再将优化得到的几何参数误差补偿到名义几何参数中通过仿真计算来验证机器人末端位置和姿态精度提升效果实现末端多目标位姿逼近的，采用仿真方法非常容易实现机器人各几何参数误差的补偿，而实际使用的机器人机械结构已固定、控制系统是封闭或半封闭的，只有关节角的误差容易校正补偿，而连杆长度、连杆偏距、连杆扭角等几何参数误差在实际机器人中很难直接补偿，导致实际使用的机器人末端绝对位置和姿态精度低，特别是用于多目标定位时其末端位姿逼近精度低；(2)优化寻找机器人末端位姿误差与机器人关节角的校正值之间关系进而获得关节角代偿值属于求解复杂约束的非线性优化问题，传统智能算法在优化时初始种群采用伪随机数产生其均匀性、多样性不足，导致算法全局探索和局部寻优能力难以平衡，易于陷入局部最优导致求解精度低和优化速度慢。

发明内容