[发明专利]一种适用于全构型的空间机械臂运动学参数在轨标定方法

说明书

本发明一种适用于全构型的空间机械臂运动学参数在轨标定方法，采用修正的DH建模方法，更适合于描述机械臂运动学参数偏差对末端位姿的影响，可应用于具有各种几何构型的机械臂，减小了机械臂相邻关节平行对机械臂运动学参数标定矩阵的影响，大大降低了标定结果出现病态的概率，保证了求解的精度和可靠性。以空间机械臂上通常配备的手眼双目相机作为测量工具，无需额外增加测量设备，标定成本低。通过在机械臂安装面上放置测量靶标，即可实现机械臂末端位姿测量，方法简单可靠。本发明设定机械臂构型的判断准则，提升了标定结果的一致性和可靠性。

技术领域

本发明涉及一种适用于全构型的空间机械臂运动学参数在轨标定方法，属于空间机械臂运动学参数标定领域。

背景技术

在发射前，空间机械臂的运动学参数会采用精密设备进行标定。但是，在发射过程中，机械臂会受到很大的冲击和过载；入轨后，由于所受重力很小，又会造成应力释放。这些因素都会导致空间机械臂的运动学参数发生变化。为确保空间操作任务的成功完成，必须对空间机械臂的运动学参数进行在轨标定。然而，对空间机械臂运动学参数进行在轨标定面临很多困难挑战，体现在以下两方面：

(1)对空间机械臂末端位姿缺少有效的在轨测量手段；

(2)基于常规DH方法对机械臂进行运动学参数标定时，若机械臂相邻两个关节的轴线近乎平行，由于它们之间的公垂线难以定义，将会使标定矩阵出现病态现象，导致无法获得理想标定结果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于全构型的空间机械臂运动学参数在轨标定方法，解决了机械臂相邻关节平行情况下的运动学参数标定病态问题，保证了求解的精度和可靠性。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种适用于全构型的空间机械臂运动学参数在轨标定方法，包括如下步骤：

(1)机械臂安装基板上安装靶标，对于给定的一组机械臂构型，由机械臂末端安装的手眼双目相机测量得到靶标中心点坐标系相对于手眼坐标系的位姿；

(2)根据靶标和手眼相机的安装矩阵，得出机械臂末端在基座坐标系中的位姿测量值；

(3)基于空间机械臂标称运动学参数和关节角度遥测值，由正运动学计算得到末端执行器在机械臂基座坐标系的位姿标称值；

(4)由空间机械臂末端位姿的测量值和标称值，得到一组关于机械臂运动学参数的偏差方程；

(5)如果得到l组关于机械臂运动学参数的偏差方程，则进入步骤(6)，否则更换一组机械臂构型，返回步骤(1)；l满足6l≥5n，n为机械臂的自由度；

(6)求解l组偏差方程得到机械臂运动学参数误差，再根据运动学参数误差计算出更为准确的运动学参数估计值，完成空间机械臂运动学参数标定。

优选的，步骤(1)中由机械臂末端安装的手眼双目相机测量得到靶标中心点坐标系相对于手眼坐标系的位姿的具体方法为：设机械臂当前构型为θ＝[θ₁ … θ_n]^T，手眼双目相机测量得到靶标中心点坐标系相对于手眼坐标系的位姿由齐次变换矩阵^camT_blank∈R^4×4给出。

优选的，步骤(2)中根据靶标和手眼相机的安装矩阵，得出机械臂末端在基座坐标系中的位姿测量值的具体方法为：

机械臂末端在基座坐标系中的标称位姿⁰T_end∈R^4×4为